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May 28, 2023

Was ist das Schwebezentrum?

Jedes schwimmende Schiff verhält sich statisch und dynamisch in Bezug auf die Längs-, Quer- und Vertikalrichtung oder, gemäß Konvention, die x-, y- und z-Achse. Wie wir aus dem Grundwissen der Marine wissen

Jedes schwimmende Schiff verhält sich statisch und dynamisch in Bezug auf die Längs-, Quer- und Vertikalrichtung oder, bedingt durch die Konvention, die x-, y- und z-Achse.

Wie wir aus den Grundkenntnissen der Marinearchitekturstudien wissen, fällt ein Schiff, das unter dem Einfluss äußerer oder innerer Ursachen um die Längs- oder X-Achse krängt oder krängt, in den Bereich der vertikalen statischen Querstabilität.

Ebenso fallen alle damit verbundenen Probleme des dynamischen oder Bewegungsverhaltens eines Schiffes um diese x- oder Längsachse in den Bereich der Seefahrt. Die Rollbewegung eines Schiffes ist der vorherrschende Aspekt, auf den sich das gesamte Studium der Seefahrt konzentriert.

Alle Studien, die sich auf das Verhalten des Schiffs um die z-Achse oder die vertikale Achse beziehen, können im Bereich des Manövrierens betrachtet werden.

Ebenso fallen bekanntermaßen alle Probleme des statischen und dynamischen Verhaltens eines Schiffes um die Y-Achse oder Querachse in den Zuständigkeitsbereich der Längsstabilität, sowohl statisch als auch dynamisch.

Das Trimmen oder die deutlich unterschiedlichen Tiefgänge entlang der Länge eines Schiffes, wie gezeigt, sind ein Problem der statischen Längsstabilität. Andererseits werden die Nickbewegungen eines Schiffes unter dem Gesichtspunkt der Dynamik betrachtet.

Das Auftriebszentrum eines Schiffes steht in engem Zusammenhang mit der Längsstabilität und der Reaktion eines Schiffes. Wie?

Dazu müssen wir das Konzept eines Wasserflugzeugs verstehen.

Eine Wasserebene kann einfach als die Fläche definiert werden, die der Schwimmkörper auf Höhe der Wasserlinie bildet oder verdrängt. Betrachten Sie die folgende Abbildung sowohl von der Seite als auch von oben. Wenn das Schiff mit einem bestimmten Tiefgang von x über seiner Grundlinie schwimmt, bildet es auf Höhe der Wasserlinie eine bestimmte Wasserebene, die am besten durch Betrachtung der Draufsicht oder der Draufsicht visualisiert werden kann. Abhängig von der Schiffskonstruktion und dem Tiefgang ist die Wasserebene sehr variabel.

Der geometrische Schwerpunkt eines Wasserflugzeugs wird als Auftriebszentrum bezeichnet.

Die Bedeutung des Flotationszentrums ist jedoch viel mehr als nur ein geometrischer Schwerpunkt. Es ist im Wesentlichen der Punkt, über den die Physik des Trimms und auch der Tonhöhe (im Fall der dynamischen Stabilität) vollständig definiert werden kann.

Es wird davon ausgegangen, dass die transversale Wirkungsachse für die Reaktion bei Längsstabilität oder -verhalten durch dieses Auftriebszentrum verläuft.

Mit anderen Worten: Das Zentrum der Flotation kann als ein bestimmter Punkt erklärt werden, der die Querlinie darstellt, durch die sich ein schwimmendes Schiff in Längsrichtung (oder gemäß unserer Konvention entlang der xz-Ebene) bewegen oder oszillieren kann.

Die Physik des Schwebezentrums lässt sich am besten am Beispiel der Wippe erklären.

Wenn zwei Personen mit unterschiedlichem Gewicht auf einer Wippe sitzen, senkt sich die Seite, auf der die schwerere Person sitzt. Wippen basieren direkt auf dem Prinzip eines einfachen Hebels. Der Drehpunkt ist ein Scharnier oder der Punkt, um den der Balken des Hebels geschwenkt wird. Wenn irgendeine Form von Last oder Kraft auf eines der Enden des Balkens ausgeübt wird, entsteht an diesem Punkt ein Moment.

Bei den typischen Wippen, die wir in Parks sehen, befindet sich dieser Drehpunkt im Mittelpunkt des Balkens. Somit ist der Hebelarm von beiden Enden aus gleich.

Was ist nun ein Moment? Kraft multipliziert mit der Distanz. Da der Abstand in beiden Fällen fest ist, ist das resultierende Moment, das die Differenz zwischen den beiden von beiden Enden wirkenden Gegenmomenten darstellt, ausschließlich von der Masse abhängig. Daher geht eine schwerere Person zwangsläufig zuerst zu Boden, da sie eine höhere Last auf ein Ende des Hebels ausübt und somit ein größeres Moment auf ihrer Seite erzeugt.

Bei den meisten Anwendungen von Hebeln als einfache Maschinen in der realen Welt ist jedoch die Position des Drehpunkts entlang der Länge des Balkens entscheidend. Denn beim einfachen Hebel ist das aufgebrachte Moment das Ergebnis jeder Art von Lasteinwirkung. Betrachten Sie in der folgenden Abbildung einen einfachen Balken der Länge L.

Gehen Sie davon aus, dass sich der Drehpunkt oder Drehpunkt in einem Abstand von 0,8 L von einem der Enden befindet, beispielsweise A.

Der Abstand dieses Scharniers vom anderen Ende B beträgt 0,2L.

Betrachten Sie nun einen Körper mit dem Gewicht W, der am Ende B platziert ist. Welches Moment wird induziert?

Mathematisch kann es als 0,2LX W ausgedrückt werden. Um diese Last zu heben, oder physikalischer ausgedrückt, um dem induzierten Moment entgegenzuwirken, muss gemäß den ersten Prinzipien ein gleiches und entgegengesetztes Moment erzeugt werden. Ausgehend von der Gleichung für einfaches Gleichgewicht oder Gleichheit der Ausgleichsmomente können wir sagen:

0,2LXW = 0,8LXw'

Dabei definiert die linke Seite der Gleichung das durch die Last induzierte Moment und die rechte Seite das Ausgleichsmoment, das zur Aufrechterhaltung des mechanischen Gleichgewichts erforderlich ist. Wie wir wissen, stellen 0,8L und 0,2L die Abstände von beiden Enden A und B zum Drehpunkt bzw. der Position des Drehpunkts dar; das Gewicht W wird am Ende B platziert. w' auf der rechten Seite der Gleichung stellt die Last oder Kraft dar, die erforderlich ist, um das Gegen- oder Ausgleichsmoment zu erzeugen. Bei der obigen Lösung ergibt sich, dass w' gleich W/4 oder einem Viertel des am anderen Ende B platzierten Gewichts ist.

Daher können wir sagen, dass die Last oder Kraft, die auf der anderen Seite erforderlich ist, viel geringer ist als das ursprünglich aufgebrachte Gewicht, um die letztere selbst anzuheben, wobei die Differenz im Moment oder in den Hebelarmen für das erforderliche Gleichgewicht sorgt.

Dies ist der sogenannte mechanische Vorteil eines Hebelsystems. Von einfachen alltäglichen Anwendungen bis hin zu komplizierten Maschinen hat dies der Menschheit geholfen, Lasten überall zu heben.

Da im obigen Beispiel einer Wippe die Hebelarme gleich waren, d einziger bestimmender Faktor für das erzeugte Nettomoment.

Das System befindet sich nicht im Gleichgewicht und das Nettomoment wirkt auf die Seite der schwereren Person, die sich aus der Differenz zwischen den beiden Gewichten und den gleichen Momentarmen ergibt.

Im Zusammenhang mit schwimmenden Strukturen oder Körpern ist der Mittelpunkt des Schwebens derselbe wie dieser Dreh- oder Angelpunkt. Betrachten Sie, wie im Gefäß unten gezeigt, ein Gewicht W, das über eine Distanz (d) von einem Punkt zum anderen verschoben wird. Dies induziert ein Moment WX d.

Aus der Physik schwimmender Körper geht nun hervor, dass sich jede Form von Ungleichgewicht der Kräfte oder Belastungen in Form von wechselnden Luftzügen manifestiert. Da sich hier das Gewicht nach hinten verlagert, entsteht ein Moment in diese Richtung, und das Schiff tendiert dazu, nach hinten stärker zu sinken als nach vorne. Dies wird als Trimmen nach hinten bezeichnet. Umgekehrt spricht man von Trimmung nach vorne, wenn der Tiefgang im vorderen Bereich aufgrund der stärkeren Senkung größer ist.

Aufgrund der Gewichtsverlagerung verschiebt sich nun auch der Längsschwerpunkt (LCG) etwas in Richtung der aufgebrachten Last, in diesem Fall nach hinten (von G nach G1).

Durch das Absinken am Heck verschiebt sich auch der Auftriebsschwerpunkt bzw. LCB entsprechend nach hinten (B zu B1). Anhand der Art dieses Effekts können wir erkennen, dass ein Teil im Heck untergetaucht ist, während ein Teil im Vorderteil angehoben ist.

Nach dem Gesetz der Physik, das sich auf die Äquivalenz des Auftriebs bezieht, der erforderlich ist, damit das Schiff über Wasser bleibt, ist der eingetauchte Teil des Schiffes volumetrisch gleich dem Teil des Schiffes, der aufgetaucht ist.

Ein statisches Gleichgewicht wird erreicht, wenn die neuen Auftriebs- und Schwerkraftzentren, also G1 und B1, vertikal kolinear sind. Betrachten Sie, wie in der Abbildung gezeigt, zwei vertikale Projektionen durch die Punkte B und G bzw. B1 und G1. Sie schneiden sich in einem Punkt M. Dies wird als Längsmetazentrum bezeichnet und ist für einen gegebenen Trimmzustand konstant.

Aus der Momentenübertragung für die gegebene Gewichtsverlagerung w können wir Folgendes sagen:

GG1 XW = w X d

Dabei ist W die Verschiebung des Schiffs und GG1 die Verschiebung des gesamten Längsschwerpunkts des Schiffs, wie gezeigt. Somit manifestiert sich das durch die Gewichtsverlagerung w induzierte Moment durch das Trimmmoment im Gefäß, das als WX GG1 angegeben ist.

Auf die weiteren Details zu Trimm und Stabilität gehen wir nicht ein, da diese in unseren anderen Artikeln ausführlich erläutert werden.

Wenn wir nun auf die Natur dieses Trimmeffekts zurückkommen, sehen wir, dass die Wasserlinie an dieser Position unter Gleichgewichtsbedingungen in einem Winkel zur vorherigen Wasserlinie steht (als das Schiff gleichmäßig schwebte). Diese beiden Wasserlinien schneiden sich wie gezeigt an einem bestimmten Punkt F. Auch dieser Punkt ist nichts anderes als das Zentrum des Schwebens. Wir sehen auch, dass Punkt F genau die Schnittpunkte der eingetauchten und ausgetauchten Teile des Rumpfes markiert, wie oben besprochen.

Ausgehend vom gegebenen Fall wird bei statischem Gleichgewicht aufgrund der gegebenen Gewichtsverlagerung nachträglich ein Gegenmoment in entgegengesetzter Richtung zum induzierten Moment induziert. Dies wird durch Auftriebskräfte erzeugt, die der Verschiebung des eingetauchten Teils entgegengerichtet sind, wie dargestellt.

Daher wird in unserem Fall aufgrund der Gewichtsverlagerung das erzeugte Moment entgegen dem Uhrzeigersinn durch das Moment im Uhrzeigersinn ausgeglichen, das aufgrund der Auftriebskräfte (B) induziert wird, die auf den eingetauchten Teil des eingetauchten Volumens über seinen volumetrischen Schwerpunkt wirken, wie gezeigt.

Der Hebel oder Momentenarm ist der Abstand zwischen diesem Schwerpunkt und dem Schwebemittelpunkt F, der als Drehpunkt fungiert. Global gesehen erfährt das gesamte Schiff ein Trimmmoment, das um den Auftriebspunkt wirkt.

Ebenso ist der Effekt derselbe, wenn statt einer Beladungsänderung ein Schaden am Rumpf auftritt, der zu einem Wassereinbruch und damit zu einem Auftriebsverlust mit Trimmung führt, wenn die Bresche irgendwo abseits der Mittschiffslinie liegt. Dies fällt im Wesentlichen in den Bereich der Schadensstabilität.

Auf einer dynamischen Skala spricht man von einer Neigung des Schiffs, wenn es eine oszillierende Bewegung in Längsrichtung um die Querachse ausführt. Dieser Nickvorgang, bei dem sich das vordere und untere Ende des Schiffes kontinuierlich auf und ab bewegen, wirkt sich auch auf dieses Schwimmzentrum aus.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Auftriebszentrum eines Schiffes der Aktionspunkt ist, um den sich das Schiff aufgrund äußerer oder innerer Beladungseinflüsse dreht oder neigt. Auf einer Längsskala ist der Auftriebsschwerpunkt derselbe wie der vertikale Schwerpunkt auf einer Querskala, wenn es um Probleme der statischen oder dynamischen Querstabilität oder der Seetüchtigkeit geht.

Bei einem kastenförmigen Schiff wie einem Lastkahn liegt der Schwimmmittelpunkt auf der Wasserlinie mittschiffs in Höhe der Mittellinie des Schiffes. Aus praktischen Gründen liegt der Schwimmmittelpunkt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt der geometrische Schwerpunkt der Wasserebene eines Schiffes ist, jedoch aufgrund der Rumpfform der meisten Schiffe etwas hinter der Mittschiffslinie.

Da kein Moment erzeugt wird, wenn irgendeine Form von Kraft auf das Momentenzentrum eines physikalischen Systems einwirkt (da der Momentenarm oder Hebel Null ist), erfährt das Schiff lediglich ein lineares Absinken, wenn irgendeine Form von Belastung oder Kraft im Einklang mit dem Moment auftritt vertikale Achse, die zu einem bestimmten Zeitpunkt durch das Schwimmzentrum verläuft.

Unter rauen Seebedingungen, wenn sich die Wasserlinie eines Schiffes sehr schnell ändert, variiert der Auftriebspunkt stark.

Die Position des Längsmittelpunktes eines Schiffes wird üblicherweise als linearer Abstand von der Achterlotion (AP) beschrieben, der als LCF bezeichnet wird. Sie werden vor allem bei Längsstabilitäts- und Bewegungsberechnungen eingesetzt und bilden einen entscheidenden Teil der hydrostatischen Daten eines Schiffes.

Das Flotationszentrum wird auch als Kipppunkt oder Kippzentrum bezeichnet.

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Subhodeep ist Absolvent der Marinearchitektur und Meerestechnik. Er interessiert sich für die Feinheiten von Meeresstrukturen und zielgerichteten Designaspekten und widmet sich dem Austausch und der Verbreitung gemeinsamen technischen Wissens in diesem Sektor, der gerade in diesem Moment einen Umschwung erfordert, um wieder zu altem Glanz zu erblühen.