Почему корабль не переворачивается, если над водой 72 метра

На носу лайнера у самой воды нарисованы цифры. Каждая высотой десять сантиметров, и по тому, у какой из них стоит вода, читают осадку. У Oasis of the Seas это 9,3 метра. Над ватерлинией до верха труб ещё 72: почти как сочинская башня Морского вокзала со шпилем, 71 метр. Под мостом через Большой Бельт, где до воды 65 метров, он проходит с опущенными трубами.

Oasis of the Seas на подходе к порту: ярусы палуб над белым корпусом, внизу небольшой катер сопровождения (фото: Barry Bena, Wikimedia Commons, Public domain)

Почему корабль не переворачивается, если сверху столько стали? Потому что при наклоне корпус сам отодвигает точку опоры и возвращает судно. Запас для этого нужен скромный: кодекс ИМО требует, чтобы центр тяжести лежал ниже особой точки, метацентра, не меньше чем на 15 сантиметров. Это длина короткой школьной линейки: меньше правила не допускают.

Наклон двигает опору

Судно держат две силы. Вес тянет вниз через центр тяжести, вода выталкивает вверх через центр плавучести, то есть через середину подводного объёма. Пока лайнер стоит прямо, обе силы лежат на одной вертикали. При крене один борт уходит глубже, другой поднимается, подводная часть меняет форму, и центр плавучести съезжает на погружённый борт. Центр тяжести остаётся на месте. Силы расходятся по двум вертикалям, и пара поворачивает корпус обратно.

Схема судна прямо и с креном: B — центр плавучести, G — центр тяжести, M — метацентр; при крене B уходит на погружённый борт (фото: George William Herbert, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5)

Привычное «внизу тяжело» объясняет мало: у судов центр тяжести лежит выше центра плавучести, и они стоят. Важно, куда уезжает опора. Вертикаль поддержки пересекает ось судна в точке, которую называют метацентром. Пока он выше центра тяжести, судно возвращается в прямое положение. Окажется ниже, и крен будет только расти.

У яхты рычаг даёт киль, у лайнера ширина

Парусную яхту держит тяжёлый киль под днищем, и о нём написано в разборе того, почему яхта встаёт даже лёжа на боку. У лайнера тяжёлого киля нет, зато корпус широк. На уровне воды Oasis шириной 47 метров: от оси до борта 23 с половиной. Стоит накрениться, и с одной стороны под воду уходит клин от оси до самого борта, а с другой такой же выходит наружу. Центр плавучести уезжает от оси далеко.

Метацентр лежит тем выше, чем шире ватерлиния при том же объёме под водой. Корпус этого лайнера сделали широким ради остойчивости, чтобы не наращивать осадку. Ширина корпуса впятеро больше осадки, а высота над водой в полтора раза больше ширины.

Oasis of the Seas при выходе с верфи в Турку, вид спереди: белый корпус и ярусы палуб над ним (фото: Zache, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Чем запас больше, тем качка резче

Расстояние от центра тяжести до метацентра называют метацентрической высотой, и по нему судят о запасе остойчивости при малых наклонах. Кажется, чем оно больше, тем лучше. Для пассажирского судна идеальным считают запас достаточный, но не чрезмерный. Слишком большая метацентрическая высота делает судно жёстким: из крена оно возвращается рывком, качка частая и резкая, ускорения на палубе растут. Грузу это вредно, гостям неприятно, а как тело реагирует на частую качку, описано в статье про укачивание.

Старый чертёж из трудов Пьера Бугера: сечение корпуса с прямой и наклонённой ватерлиниями (фото: Pierre Bouguer, Wikimedia Commons, Public domain)

Широкий неглубокий корпус склонен к резкой качке, но у лайнера размера Oasis этот эффект слабее.

Пятнадцать сантиметров по правилам

Нижнюю планку задаёт кодекс ИМО по остойчивости в редакции 2008 года, обязательный с 2010-го: от пассажирских и грузовых судов не меньше 15 сантиметров метацентрической высоты. Для каждого судна и каждой загрузки её считают отдельно, и 15 сантиметров остаются границей, под которую нельзя опускаться.

Правило описывает малые наклоны, примерно до десяти градусов: дальше метацентр сам начинает смещаться. Поэтому кодекс проверяет и большие углы. При крене в 30 градусов расстояние между вертикалями веса и поддержки должно быть не меньше 20 сантиметров. Для пассажирских судов добавлено правило про людей: если все выйдут на палубу и соберутся у одного борта, чтобы посмотреть на берег, считая не меньше 75 килограммов на человека, крен не должен превысить десяти градусов. Есть и проверка на сильный ветер при заглохших машинах, когда судну не помогают ни винты, ни руль, а борт и надстройка работают парусом.

Вода внутри корпуса отнимает запас

Запас остойчивости не выдан раз и навсегда. Вода или топливо в наполовину пустой цистерне при крене переливаются к нижнему борту, центр тяжести уезжает туда же, и возвращение в прямое положение замедляется. Пустая цистерна и залитая доверху такого эффекта не дают, опасна полупустая. Поэтому крупные цистерны делят на несколько малых и ставят внутри перегородки, которые гасят плеск.

Тридцать человек вместо гирь

Готовое судно проверяют опытом. На каждом новом судне длиннее 24 метров делают кренование: в тихой воде, без швартовов, грузы перекладывают поперёк палубы, чтобы судно легло на один-четыре градуса. По измеренному углу вычисляют метацентрическую высоту и находят центр тяжести построенного судна, а не проектного.

В XVII веке слов «метацентр» и «кренование» не знали, но проверку устраивали. Перед выходом новый шведский королевский корабль «Васа» испытали так: тридцать человек бегали поперёк верхней палубы, раскачивая его. После третьей пробежки опыт остановили, потому что корабль мог опрокинуться.

Корабль «Васа» в музее в Стокгольме: высокий резной борт, мачты и надстройка на корме (фото: Jorge Láscar from Melbourne, Australia, Wikimedia Commons, CC BY 2.0)

«Васа» всё равно вышла в первый рейс 10 августа 1628 года. Дул слабый ветер, и всё же первый порыв положил корабль на борт. Он выпрямился. Второй наклонил его снова, нижние орудийные порты ушли под воду, и «Васа» затонула, пройдя около 1300 метров.