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Estabilidad de buques flotantes

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Al evaluar las estructuras y los recipientes flotantes, la métrica de rendimiento más importante, aparte de mantenerse a flote, es que puede permanecer vertical. De hecho, para muchos vasos, la capacidad de permanecer a flote depende en gran medida la habilidad de mantener una orientación particular. Un barco capsized es probable que la inundación y posteriormente perder flotabilidad positiva. Incluso en menos situaciones extremas, la seguridad y comodidad de carga y la tripulación están en juego. Esta tendencia de un buque a la derecha sí mismo o a punto de zozobrar cuando perturbado se caracteriza por su estabilidad. Por desgracia, cambios que mejoran la estabilidad a menudo negativamente afectan otras métricas de rendimiento importantes como la eficiencia de combustible y maniobrabilidad. Debido a este equilibrio, optimización de un diseño para la seguridad y el rendimiento general exige garantizar suficiente pero no máxima estabilidad. En el resto de este vídeo, que ilustran cómo la distribución de forma y peso de una estructura flotante afectar su estabilidad. Entonces probaremos estos principios experimentalmente en un bote de modelo y comparar los resultados con las predicciones teóricas hechas por software de diseño asistido por ordenador.

En un video anterior, cubrimos los fundamentos de la flotabilidad y la gravedad. Ahora examinaremos cómo estas dos fuerzas pueden afectar la orientación de un objeto. Recordar que para un objeto extendido, el efecto acumulativo de la gravedad es una fuerza que pasa por el centro de masa equivalente al peso total del objeto. Del mismo modo, la fuerza neta de flotación pasa a través del centro de la flotabilidad en el centroide de la porción sumergida del objeto. Por lo tanto, si el objeto es sólo parcialmente sumergido o la masa no se distribuye uniformemente, puede desarrollar un esfuerzo de torsión. Si el centro de masa está por debajo del centro de flotabilidad, lateral del balanceo o inclinación movimiento impartirá un momento de restauración a la estructura de la derecha. Esta configuración es siempre estable, pero requiere generalmente un volumen más grande para ser sumergido. Ahora si el centro de masa se eleva sobre el centro de flotabilidad, la estructura puede ser inestable y cualquier movimiento de inclinación se acelerará por el momento impartido, provocando que se volcara. Tenga en cuenta sin embargo que un centro de masa más alto no garantiza que la estructura sea completamente inestable. Un casco diseñado con cuidado puede hacer que la estructura metaestable, que es estable hasta un ángulo crítico. Esto sucede porque en general, la forma de los cambios de la porción sumergida con ángulo de inclinación para que el centro de flotabilidad cambia de puesto como la estructura se inclina. Si cambia de puesto lateralmente fuera del centro de masa, entonces ese momento actuará a la estructura de la derecha. Equivalente, el buque será estable siempre y cuando el centro de masa está por debajo del metacenter, que es el punto de intersección entre la línea central del casco y la línea de acción de la flotabilidad. El comportamiento dinámico de una estructura flotante también es importante ya que los impulsos fuertes del ambiente podrían pasar su límite metaestable. La frecuencia y la amplitud de la oscilación también influyen en la seguridad y comodidad de pasajeros y carga. El movimiento de rotación de un buque puede predecirse con un balance de momento alrededor de su centro de masa, que se traduce en una segunda ecuación diferencial de orden para el ángulo de inclinación, que depende en el momento de inercia sobre el centro de la masa del vaso, la masa total , la aceleración debido a gravedad y la distancia L a lo largo de la línea de centro del buque desde el centro de la masa para el metacenter. Soluciones a esta ecuación para los ángulos pequeños son senos y cosenos fluctuando en la frecuencia de oscilación natural del buque por omega. Ahora que hemos visto cómo determinar la estabilidad en la teoría, vamos a usar este conocimiento para analizar un diseño de casco experimental.

Un baño de agua en un área protegido de las corrientes de aire y colocar un fondo blanco sólido detrás de él. Ahora adquirir un barco pequeño, preferiblemente blanco con un diseño de casco simple. Colocar un mástil ligero de colores brillantes en el centro del barco y flotar en el agua para que apunte hacia la cámara. Montaje de una cámara frente a la bañera para que el barco está centrado en la pantalla y ajustar la altura de la cámara para que el campo visual capta la parte del mástil por encima del barco. Asegúrese de que la zona está bien iluminada y grabar un video de referencia del barco en reposo. Vamos a usar un código personalizado para seguir el ángulo del mástil por el color de mástil en grabaciones de la cámara de aislamiento. Consulte el texto para detalles y código de ejemplo. Analizar el video de referencia para comprobar que funciona correctamente el seguimiento y ajustar el código según sea necesario para aislar el mástil. Por último, nivel de la cámara hasta que el código de informes sin ángulo de inclinación con el barco en reposo. Una vez que se ajustan el código y la cámara, saque el barco del agua y secar el casco. Bien fijar un lazo de cable de aproximadamente un centímetro de la parte inferior del mástil para que soporten un peso. Ahora deslice un peso hacia abajo en el mástil y pesar el total mástil de la embarcación en seco. A continuación, registrar la altura del peso en el mástil y luego utilice un borde recto para equilibrar el barco en su lado. Este punto de equilibrio identifica el centro de la masa del barco. Registre la distancia desde la parte inferior del casco en el centro de masa. Vuelva a colocar el barco en el agua y grabar un video mientras poco a poco inclinando el barco, presionando lateralmente en la parte superior del mástil hasta que vuelca. Ahora capturar un segundo vídeo con el barco inicialmente inclinado unos 10 grados y luego se suelta repentinamente. Registrar las oscilaciones durante 10 a 15 segundos. Repita el procedimiento zozobra tres o cuatro veces más para aumentar la altura del peso. En la altura final, grabar otro video de las oscilaciones como antes. Analizar cada uno de los videos zozobra usando el script de análisis. El ángulo máximo estable se puede determinar por la inspección de la tabla, buscando el punto más allá de que el barco vuelca rápidamente. En este caso, esto ocurre alrededor de menos 26 grados. Completar una tabla con las alturas del peso y el centro de masa y ángulo de vuelco. A continuación, analizar los videos de dos oscilaciones. Determinar la frecuencia de oscilación dominante por la inspección de la animación del movimiento del mástil o gráfico del ángulo del mástil con el tiempo o mediante el uso de una densidad espectral de potencia estimar función. Este procedimiento experimental es útil para pruebas en pequeña escala y diseños simples, pero no siempre es práctico en escenarios reales o para optimizar rápidamente un diseño. En la siguiente sección, nos demuestran un enfoque numérico para analizar el barco y comparar los resultados con los resultados experimentales.

Vamos a usar un paquete de diseño asistido por ordenador o CAD para analizar la estabilidad de la embarcación modelo. En primer lugar, vamos a ver cómo determinar el centro de flotabilidad. Utilice el software de CAD para crear un sólido modelo de escala del casco del barco. Coloque el modelo de modo que la línea central de la quilla es coincidente con el origen en el entorno de la CAD y el mástil es paralelo con el eje vertical. Hay que recordar que el centro de flotabilidad está en el centroide de la porción sumergida del casco. Así que para encontrar el centro de flotabilidad, debemos primero aislamos la porción sumergida de la nave. Crear un plano horizontal cruzando el casco para representar la superficie del líquido y luego retirar todo por encima del plano. Si el avión estaba a la altura correcta, el volumen restante será igual a la masa total de la embarcación dividida por la densidad del fluido. Deshacer el corte y ajuste la altura del plano según sea necesario hasta que el volumen restante es correcta. Cuando se ha encontrado la correcta porción sumergida del casco, utilice la función de las propiedades de masa del software CAD para evaluar el desplazamiento lateral del centroide del volumen. En este caso, ya que el casco es simétrica y nivel, no debe encontrar desplazamiento lateral. En otras palabras, el centroide estará en la línea central del casco. Repita este proceso para aumentar los ángulos de inclinación del barco para construir una tabla del desplazamiento del centroide en función del ángulo de inclinación. Cuando haya terminado, trazar los resultados y ajustar un polinomio cúbico para el centro de flotabilidad. Ahora trazar el desplazamiento lateral del centro de masa, que es su altura veces el seno del ángulo de inclinación. En el ángulo crítico, el centro de masa estará en el metacenter y los desplazamientos laterales serán iguales. Usted debe encontrar que el ángulo crítico previsto coincide con el valor experimental dentro de una razonable incertidumbre. Ahora vamos a predecir numéricamente la frecuencia de oscilación natural del barco modelo. Perfeccionar el modelo de CAD para coincidir con el espesor real del casco y añadir el mástil y el peso. Ajuste la altura de peso para que coincida con la posición en la primera prueba de oscilación. Coincide con la densidad de los materiales en el modelo a valores reales y luego use la función de las propiedades de masa para evaluar el momento de inercia alrededor del centro de masa en el eje de inclinación. Repita este proceso con la segunda posición del peso en el cual usted midió la frecuencia de oscilación. Suponiendo un ángulo de inclinación pequeño como cinco grados para calcular la altura del metacenter durante oscilaciones pequeñas. Restar la altura del centro de masa que usted midió anteriormente para determinar la longitud del brazo de momento L. Ahora usan la solución que hemos encontrado antes para calcular la frecuencia natural del movimiento de balanceo. Comparar estas frecuencias calculadas a las frecuencias de medición observado antes. Usted debe encontrar a un fósforo cercano. Aviso que en el caso más estable que se muestra en la fila superior, que tiene un hCM menor de centro de masa, el momento de restauración longitud del brazo L es más grande. Esto se traduce en una mayor frecuencia de balanceo que en el menos estable de caso en la fila inferior.

Ahora que hemos visto algunos métodos para el análisis de un diseño de casco, vamos a ver cómo se aplican en escenarios reales. La estabilidad es un factor muy importante en el diseño de todas las estructuras flotantes y embarcaciones. Buques que operan con corrientes poco profundas, que es la mayor parte de la nave sobre el nivel del agua, han reducido la fricción y mejor maniobrabilidad. En los buques de carga, contenedores pueden apilarse alto encima de la cubierta superior, aumentando la capacidad de carga y facilitar las operaciones de carga y descarga. Estas mejoras requieren un más alto centro de masa y se hacen prácticas de cuidado diseño del casco para garantizar que los buques son metaestables. En las naves de travesía, bosquejos poco profundos permiten más ventanas y cubiertas para los pasajeros. Estas naves están diseñadas no sólo para ser metaestable, sino también a tener una frecuencia de oscilación natural, cómodo. Una mayor estabilidad obtiene mayor frecuencia oscilante que puede ser demasiado rápida para aquellos a bordo.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la estabilidad de los buques flotantes. Ahora debe comprender cómo las posiciones relativas del centro de masa y centro de la flotabilidad de una estructura flotante impactan la estructura estabilidad y frecuencia de oscilación natural. También has visto cómo analizar un diseño de casco, tanto experimentalmente como con herramientas de diseño asistido por ordenador. Gracias por ver.

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