“مقدمة وتعاريف الاتزان” عنوان جديد لكتاب المهندس/ أحمد الجندي يتناول خلالها التعاريف الأساسية الخاصة بـاتزان السفينة، ويناقش الكاتب في كتابه حالات اتزان السفينة المختلفة والعديد من المواضيع الهامة المتعلقة باتزان السفن باللغة العربية باسلوب مبسط مبتعدا عن الابتذال والتسطيح وذلك ما سوف نستعرضه معا في السطور التالية، لتحميل الكتاب كاملاً عن طريق رابط التحميل في نهاية المقال.
 |
| غلاف الكتاب |
مقدمة وتعاريف الاتزان
الإزاحة Displacement
هى وزن كمية الماء المزاح وتقدر بالطن (وتساوي وزن السفينة كلها) أو بالمتر المكعب (وتساوي حجم الجزء المغمور فقط) وتسمى حجم الإزاحة، و للسفن التجارية ازاحتان هما:
أ- الإزاحة الخفيفة Light Displacement:
هى وزن بدن السفينة والماكينات والطاقم وتميز بالطن الوزني.
ب- الإزاحة الكاملة Fully Loaded Displacement:
هى الإزاحة الخفيفة مضافا إليها الأوزان المتغيرة (المياه – الوقود – الزيوت – التعيينات) والشحنة المخصصة لها السفينة وتميز بالطن الوزني.
* الحمولة الوزنية Dead Weight:
هى عبارة عن الفرق بين الإزاحة الكاملة والإزاحة الخفيفة أي أنها تساوي الأوزان المتغيرة المخصصة للسفينة وتقدر بالطن الوزنى.
* الحمولة الحجمية (G.T) Gross Tonnage ):
هى الحجم الكلي لكل فراغات السفينة، وليس هناك أي محذوفات لأى فراغات ويمكن حساب الحمولة الكلية للسفينة طبقا للاتفاقية الدولية لحساب حمولة السفن لعام 1969 من الصيغة التالية.
G T = K1 V
حيث V هو الحجم الكلي لكل فراغات السفينة بالمتر المكعب.
K1 يعبر عنه بالمعادلة التالية:
K1 = 0.2 + 0.02 log 10 . V
ويجب قياس جميع الفراغات بصرف النظر عن أى تركيبات أو تجهيزات ويكون القياس من السطح الداخلى للألواح إذا كانت مصنعة من معدن ويكون القياس من السطح الخارجى إذا كانت مصنعة من مواد غير معدنية، كما يجب إضافة حجوم أى زوائد فيما عدا الزوائد المفتوحة على الماء.
سيلاحظ أن الحجم V سيكون أكبر قيمة مما لو قيس بواسطة إحدى الأنظمة السابقة للاتفاقية حيث أن هذه الأنظمة كانت لا تدخل في حساب أى بطانات داخلية علاوة على الفراغات المحذوفة كما أن الطن الحجمى اعتبر على أساس 100 قدم3 في حين أن النظام الجديد اعتبره 2.83 متر3.
المعامل K1 استخدم في المعادلة ليكون الحجم V بوحدات المتر 3 إلى رقم عددي قريب من القيمة التى تحسب بالأنظمة السابقة. والمعادلة تسمح بحساب الحمولة الكلية دون خطأ كبير في مراحل التصميم الأولى للسفن ذات حمولة وزنية أكبر من 10000 طن.
ب- الحمولة الصافية Net Tonnage:
هي الحمولة المتبقية بعد خصم بعض الفراغات (طبقا لقواعد حساب الحمولة) من الحمولة الكلية أو طبقا لاتفاقية عام 1969 وهى دالة الحجم المخصص للبضائع وعدد المسافرين.
معادلة حساب الحمولة الصافية N T هي :
حيـــث
الحجم الإجمالى لفراغات البضائع بالمتر المكعب = Vc
العمق التشكيلى عند منتصف السفينة = D
الغاطـــس التشكيلـــى عند المنتصف = d
عدد المسافرين في غرف بحيث لا يزيد عدد المسافرين = N1
عن ثمانية لكل غرفة
عــــــدد المســـــــافرين الآخــرين = N2
عدد المسافرين الإجمالى المصرح للسفينة بنقلهم = N1 + N2
طبقا لشهادة سلامة السفينة
الحمولــــة الكلية المحسوبة طبقا للقواعد السابقة = G T
وعند تطبيق المعادلة الخاصة بـ الحمولة الصافية يراعى الآتي:
أ- المعامل يجب ألا يزيد عن الواحد الصحيح
ب- المقدار يجب ألا يقل عن 0.25 GT
ج- مقدار NT يجب ألا يقل عن 0.3 GT
قـــوة الطفـــو Buoyancy Force:
هي مجموع أو محصلة ضغوط المياه التى تؤثر على الجزء المغمور من بدن السفينة وهى قوة رأسية إلى أعلى (وتساوي بالمقدار وزن الماء المزاح).
 |
| شكـــل (3-1) |
مــركز الثقـل Centre of Gravity:
هى النقطة التى تؤثر عندها قوة وزن السفينة أو هى النقطة التى نتخيل أن وزن السفينة يتركز عليها (يرمز لمركز الثقل بالحرف ” حـ أو ” G”.
مــركز الطفـــو Centre of Buoyancy:
هى النقطة التى تؤثر عندها قوة الطفو يعرف مركز الطفو بأنه المركز الهندسي للشكل المغمور (يرمز لمركز الطفو بالحرف “ب” أو “B”.
نقطـــة الميتاسنتر Metacentre:
هى نقطة تقاطع خطي عمل متتالين قوة الطفو وهي نقطة ثابتة لزوايا الميل الصغرى إلى 15° وتعرف أيضا بأنها مركز الدرفلة العرضى. (يرمز لنقطة الميتاسنتر بالحرف “م” أو “M”.
 |
| شكـــل (3-2) |
مــركز الدر فلـــة Center of Flotation:
هى النقطة التى تدرفل حولها السفينة طوليا وهي مركز ثقل مساحة مقطع خط المياه عند غاطس معين. (يرمز لمركز الدرفلة بالحرف ” ف” أو “F”).
 |
|
شكـــل(3-3) |
الغـــاطس Draft:
هو ارتفاع الجزء المغمور من الارينة حتى سطح المياه. (يرمز للغطس بالحرف “ع” أو ” D” ).
الحــد الحــر Free Board:
هو ارتفاع جانب السفينة من خط المياه حتى السطح العلوي الرئيسي.
العمق Depth:
هو حاصل جمع الغاطس والحد الحر.
 |
|
شكـــل (3-4) |
الطفـــو الاحتياطي Reserve Buoyancy:
هو حجم جميع قطاعات السفينة المانعة لنفاذ الماء من خط المياه حتى السطح العلوى الرئيسي ويمكن اعتبار الحد الحر قياسا أو دليلا على الطوف الاحتياطي.
 |
| الطفو الاحتياطي |
عمـود المقدم Fore Perpendicular:
هو خط رأسي تخيلي عمودى مقام من نقطة تقاطع الجزء الأمامي لقيدومة السفينة مع خط التحميل الصيفى للسفينة.
عمـود المؤخر Aft Perpendicular:
هو خط رأسي تخيلي عمودى مقام من نقطة تقاطع الجزء الخلفي لقائم المؤخر مع خط التحميل الصيفي (في حالة عدم وجود قائم مؤخر فيأخذ العمود المقام من منتصف حامل الدفة)
المسافة بين العمودين Length Between Perpendicular:
هى المسافة الأفقية بين عمودى المقدم المؤخر.
منتصف السفينة Amidships:
هى النقطة المنصفة للمسافة بين العمودين ويرمز لها بالرمز.
 |
| منتصف السفينة |
ك حـ KG:
هى المسافة الرأسية ما بين القاع (الارينة ك) ومركز ثقل السفينة (حـ).
 |
شكــــل(3-7)
ك م KM The Height of the Metacentre:
تعرف بارتفاع الميتاسنتر وهى المسافة الرأسية ما بين القاع (الاينة ك) و نقطة الميتاسنتر (م).
ك ب KB:
هى المسافة الرأسية بين مركز الطفو (ب) والارينة (ك).
حـ م GM Metacentric Height:
تعرف بالارتفاع الميتاسنترى وهى المسافة الرأسية مركز الثقل (حـ) و نقطة الميتاسنتر (م) وتعتبر المسافة (حـ م) مقياس الاتزان للسفينة كما أنه يحدد نوع السفينة سواء كانت جامدة أو مرنة.
ب م BM Metacentre Radius:
تعرف بنصف قطر الميتاسنتر وهى المسافة الرأسية بين مركز الطفو (ب) و نقطة الميتاسنتر(م).
معادلات الاتـــزان:
ك م = ك ب + ب م
KM = KB + BM
ك حـ = ك م + حـ م
KG = KM – GM
حـ م = ك م – ك حـ
GM = KM _ KG
المعادلات الثلاثة السابقة هي المعادلات التي تحسب بواسطتها اتزان السفينة فإذا ذكر ببساطة الآن أن حـ م هو مقياس اتزان السفينة، وأن المسافة “ك م” يمكن حسابها رياضيا إذ أنها حاصل جمع المسافتين “ك ب” ، “ب م” وكلا منهما يمكن حسابهما عند غاطس معين أما المسافة “ك حـ” فيمكن إيجادها عمليا بواسطة تجربة الميل عند الإزاحة الخفيفة للسفينة اما “ك حـ” عند أى حالة شحن فيمكن إيجادها بأخذ العزوم للإزاحة الخفيفة والشحنات حول الارنية.
مما تقدم يتضح أن “حـ م” تحسب عند أى حالة شحن بمعرفة كلا من “ك م” ، “ك حـ “عند حالة الشحن هذه.
القوى التى تؤثر على السفينة
أ- في مياه ساكنة:
عندما تطفو السفينة في مياه ساكنة فإنها تكون تحت تأثير قوتين هما :
قوة وزن السفينة رأسيا إلى أسفل من مركز الثقل حـ.
قوة الطفو رأسيا إلى أعلى من مركز الطفو ب.
وهاتين القوتين متساويتين (كل منهما = وزن الماء المزاح) متضادتين في الاتجاه وعلى استقامة واحدة (ب ، حـ على خط رأسى واحد) وتكون محصلتهما صفر والسفينة في حالة سكون.
ب- عند التأثير بقوة خارجية:
عند التأثير على السفينة بقوة خارجية تميل السفينة على احد جانبيها بزاوية ى° وتبقى حـ في مكانها أما ب فتنتقل إلى ب1 نظرا لتغير الشكل المغمور وبحيث يكون المركز الهندسي للشكل المغمور الجديد وتكون السفينة تحت تأثير قوتين:
وزن السفينة وطن رأسيا إلى أسفل من حـ.
قوة الطفو و طن رأسيا إلى أعلى من ب1 .
القوتان وزن السفينة والطفو متساويتان و متضادتين في الاتجاه ومتوازيتان ومحصلتهما أزدواج له عزم يحاول إعادة السفينة إلى الوضع المعتدل.
شكــــل (3-9)
عـــزم الاستعدال = و × حـ ز
حيث “حـ ز” ذراع الاستعدال وهو المسافة العمودية بين قوة الطفو وقوة وزن السفينة.
عــزم الاستعدال بدلالة “حـ م “
في المثلث م زحـ نجد أن:
ح ز = حــاى = طــاى
حـ م حيث (ى زاوية صغيرة جدا)
حـ ز = حـ م × حــاى
عزم الاستعدال = و × حـ ز
= و × حـ م × حــاى
الاستنتـــاج:
إذا مالت سفينة متزنة تحت تأثير عامل خارجي فإنه ينشأ عليها عزم الاستعدال = و × حـ م × حــاى يقاوم الامالة ويعيد السفينة إلى الوضع المعتدل فور زوال المؤثر الخارجي، وكذا هو العزم الذي يلزم التأثير به على السفينة المائلة بزاوية ى° لاستعدالها، ويعرف هذا العزم بعزم الاستعدال الاستاتيكي عندما تميل السفينة بزاوية ميل صغرى لا تتعدى 15°.
حــالات اتزان السفينة Equilibrium of ships
(1) الحالة المتزنة Stable Condition:
السفينة تكون متزنة عندما يكون لها القدرة على العودة إلى وضع الإعتدال عندما تميل إلى أحد الأجناب بسبب قوة خارجية مثل الريح، البحر، التيارات البحرية وحتى تكون السفينة متزنة يجب أن يكون مركز الثقل للسفينة حـ أسفل نقطة الميتاسنتر م بمعنى ان يكون للسفينة قيمة موجبة للارتفاع الميتاسنتر. حـ م.
 |
| شكــــل(3-11) |
عندما تميل السفينة بمؤثر خارجى تظل نقطة حـ لا تتأثر ويمر خلالها قوة رأسية إلى أسفل مساوية لوزن السفينة، أما النقطة ب التى عرفت بانها المركز الهندسي للجزء المغمور تتحرك إلى النقطة ب1 لأن شكل الجزء المغمور قد تغير بميل السفينة ، النقطة ب1 تمثل مركز الطفو لشكل الجزء المغمور الجديد نتيجة ميل السفينة تمر قوة الطفو خلال النقطة ب1 إلى أعلى مارة بالنقطة م إذا أخذ العزوم حول النقطة ح، فإن هناك عزم يعمل على استرجاع السفينة إلى الوضع المعتدل هذا العزم يعرف بعزم الاتزان الاستاتيكي وهو يساوي حاصل ضرب وزن السفينة في الذراع حـ ز.
عزم الاتزان الاستاتيكي = و × حـ ز
ولكــــــــن
حـ ز = حـ م × حـــاى°
عزم الاتزان الاستاتيكي = و × حـ م × حــاى°
(2) الحالة الغير متزنة Unstable Condition:
عندما تميل السفينة بزاوية ميل صغيرة ، ثم يزداد ميل السفينة في نفس اتجاه الميل ذاتيا ففى هذه الحالة تعرف حالة اتزان السفينة بأنها غير متزنة ويلاحظ في هذه الحالة أن السفينة بها عزم اتزان استاتيكي سالب هذا العزم هو عزم انقلاب يساعد السفينة على الاستمرار في الميل في نفس الاتجاه بزاوية ميل أكبر.
عــزم الانقــلاب = و× حـ م
= م × حـ م . حـاى°
وقيمة حـ م في هذه الحالة قيمة سالبة أى أن نقطة حـ تكون أعلى من م وأن عزم الانقلاب الناشئ ليس بالضرورة يعمل على انقلاب السفينة على جانبها وغالبا ما تميل السفينة إلى زاوية ميل كبيرة نسبيا ثم تثبت عند هذه الزاوية التي تعرف بزاوية لول (ستبحث هذه الزاوية تفصيلا بعد الانتهاء من حالات الاتزان).
 |
|
شكــــل (3-12) |
(3) حالة الاتزان المتعادل Neutral Condition:
عندما تنطبق نقطتى حـ ، م كما هو واضح بالرسم في هذه الحالة تعرف السفينة بأنها في حالة اتزان متعادل (حرج) وأن السفينة ستظل مائلة. في هذه الحالة الارتفاع الميتا سنتري يساوى صفرا، وبالتالي فإن عزم الاتزان الاستاتيكي يساوى صفرا تباعا فلا يكون هناك عزم يعمل على استرجاع السفينة إلى الوضع المعتدل ولا عزم أماله يعمل على آماله السفينة إلى زاوية ميل أكبر من تلك الزاوية التي استقرت عندها السفينة.
شكــــل (3-13)
السفينــة الجامدة Stiff Ship:
هي السفينة التي لها “حـ م” أكبر من المطلوب وتدرفل هذه السفينة بشدة وبسرعة ويكون لها مدى اتزان كبير ويكون زمن الدرفلة لها صغير.
السفينــة المرنة Tender Ship:
هي السفينة التي لها “حـ م” أصغر من المطلوب وتدرفل هذه السفينة بهدوء وبطء ويكون لها مدى اتزان صغير وزمن الدرفلة لها كبير.
وتفضل السفينة عادة في الوضع ما بين الجامدة والمرنة ألا أنه يفضل عمليا أن تكون السفينة في بدء الرحلة جامدة بعض الشئ حتى نضمن أن تكون السفينة متزنة أى لها “حـ م” موجب حيث انه من المعلوم أن السفينة تستهلك المياه العذبة والوقود من صهاريج القاع المزدوج خلال الرحلة وهذا يسبب نقصا في “حـ م”.
هناك خطورة على اتزان السفينة إذا بدأت السفينة الرحلة وهى جامدة أكبر من المطلوب إذ أن زمن درفلة السفينة يكون صغير وقد يتصادف أن يساوي زمن موجبة في المنطقة وتحدث ظاهرة التزامن Synchronism وتميل السفينة بزاوية تعرف بزاوية ” لارج” و للتخلص منها يجب تغيير خط السير او سرعة السفينة.
الحالة الغير متزنة وزاوية لول “Negative GM and Angle of Loll”
قد سبق توضيح أنه في الحالة الغير متزنة تكون النقطة حـ أعلى النقطة م أى أن حـ م كمية سالبة وأن السفينة مع زوايا الميل الصغرى تكون غير متزنة أى أن هناك عزم انقلاب. هذا العزم يساعد على زيادة ميل السفينة إلى الجانب التي بدأت بالميل إليه، هذا لا يعنى أن السفينة سوف تميل حتى تنقلب تماما على جانبها لأنه مع ازدياد الميل يتحرك مركز الطفو ب أكثر تحت النقطة حـ تماما كما هو موضح بالشكل وعند هذا الوضع تستقر السفينة عند زاوية الامالة هذه التى تعرف بزاوية لول يلاحظ أن قيمة حـ ز عند هذه الزاوية يساوى صفر.
أما إذا مالت السفينة إلى أبعد من زاوية لول فسيكون هناك عزم يعمل على استرجاع السفينة مرة ثانية إلى زاوية لول.
السفينة في هذا الوضع تدرفل عرضيا حول زاوية لول بدلا من الدرفلة حول الخط الرأسي الذي تدرفل حوله السفينة عندما تكون متزنة ومعتدلة.
شكــــل (3-14)
ملحوظة:
إذا لم يكن هناك فرصة لمركز الطفو ب1 مع ازدياد الميل ان يستقر أسفل النقطة حـ قبل أن يلامس جانب السفينة خط المياه فإن هذه السفينة تكون في حكم حتمية انقلاب السفينة على جانبها.
لتحميل الكتاب كاملا اضغط هنا
