Управляемость судна зависит от различных конструктивных качеств, эксплутационных причин и внешних факторов, влияющих на плавание судна. К основным конструкционным качествам судна, влияющим на его управляемость, относятся соотношения главных размерений корпуса (в частности, длинны корпуса и его ширины) и тип движительно-рулевого комплекса. Эксплуатационные причины, влияющие на управляемость судна,- это степень его загрузки (в полном грузу, порожнем и т.д.) и равномерность распределения груза по длине и ширине корпуса (загрузка на ровный киль, наличие крена, дифферента). Большое влияние на управляемость судна оказывают внешние факторы: габаритные размеры пути (глубина и ширина судового хода), ветер, течение, ветровое волнение воды.

Обводы и формы корпуса

Наиболее заметно сказывается на устойчивости и поворотливости судна отношение его длины к ширине L/B и ширины к осадке B/T. Широкие мелкосидящие судна с малым числом L/B и большим B/T, как правило, более поворотливы и менее устойчивы на курсе.

При увеличении отношения  T/L поворотливость судна ухудшается незначительно.

Увеличение отношения L/B приводит к росту сопротивления поперечному перемещению (росту поперечной гидродинамической силы R_У), что приводит к уменьшению угла дрейфа на циркуляции и, следовательно, к сохранению высокой линейной скорости, так как лобовое сопротивление при малых углах дрейфа возрастает незначительно. Кроме того, возрастает демпфирующее влияние гидродинамического момента M_R, что приводит к уменьшению угловой скорости w.

Таким образом, узкие длинные суда имеют хорошую устойчивость на курсе, но плохую поворотливость по сравнению с короткими и широкими, имеющими лучшую поворотливость и устойчивость на курсе.

Суда с плавными и острыми батоксами имеют лучшую поворотливость и недостаточную устойчивость на курсе.

Изменения коэффициента полноты мидель-шпангоута практически не отражается на поворотливости судна. Однако суда с прямостенными бортами имеют хорошую поворотливость. Это объясняется тем, что при движении с углом дрейфа сопротивление воды действует по нормали к борту и будет наибольшим.

Ширина судна сказывается на поворотливости в том случае, если у двухвинтовых судов упор движителей неодинаков. Чем больше ширина судна, тем больше разнос движителей относительно диаметральной плоскости, в результате чего разворачивающий момент, создающий зарыск в одну и ту же сторону, становится значительно больше.

Из теории управляемости известно, что чем больше момент инерции массы судна относительно вертикальной оси, проходящий через центр тяжести судна, тем судно более устойчиво курсе и хуже его поворотливость.

Если судно имеет более полные обводы носовой оконечности по сравнению с кормовой, то центр гидродинамического давления смещается в нос, что способствует уменьшению устойчивости на курсе и улучшению поворотливости.

Более полная корма и подрезанный нос смещают центр давления к корме и повышают устойчивость судна. Как правило, влияние формы носа ощущается только при значительном носовом подзоре (например у ледоколов), который смещает точку приложения боковой силы на корпусе к корме, что обуславливает возрастание диаметра циркуляции.

Несимметричность корпуса судна и его надстроек относительно диаметральной плоскости вызывает при движении однозначные силы, уклоняющие судно в определенном направлении , одновременно ухудшая в значительной мере устойчивость на курсе.

Некоторые особенности характеристики управляемости и устойчивости имеют катамараны (двухкорпусные суда). Опыт эксплуатации и модельные испытания показывают, что поворотливость катамаранов одинакова с поворотливостью однокорпусного судна и улучшается при уменьшении отношения  (длины к ширине) для одного корпуса. Устойчивость катамаранов на курсе повышается с увеличением отношения для одного корпуса. Устойчивость на курсе у катамаранов обычной конструкции лучше, чем у катамаранов со значительным подъемом киля.

 Управляемость катамаранов даже при сильном ветре вполне удовлетворительная.

 Загрузка, дифферент и крен судна.

На устойчивость грузового судна при движении большое влияние оказывает его загрузка. Управление судном значительно легче , когда оно загружено не полностью. Судно, вообще не имеющее груза, легче слушается руля, но так как винт судна находится близко от поверхности воды, оно обладает повышенной рыскливостью.

 При приемке груза, и следовательно, увеличение осадки судно становится менее чувствительным к взаимодействию ветра и волны и более устойчиво удерживается на курсе. От загрузки так же зависит положение корпуса относительно поверхности воды. (т.е. имеет судно крен или дифферент)

От распределения груза по длине судна относительно вертикальной оси зависит момент инерции массы судна. Если большая часть груза сосредоточена в кормовых трюмах, момент инерции становится большим и судно становится менее чувствительным к возмущающим воздействиям внешних сил, т.е. более устойчивым на курсе, но в то же время труднее приводится к курсу.

Улучшение поворотливости можно достичь сосредоточением наиболее тяжелых грузов в средней части корпуса, но при одновременном ухудшении устойчивости движения.

Размещение грузов, особенно тяжеловесов, наверху вызывает валкость и крен судна, что отрицательно влияет на устойчивость. В частности, отрицательное влияние на управляемость оказывает наличие воды под сланями трюма. Эта вода будет перемещаться от борта к борту даже при отклонении руля.

Дифферент судна ухудшает обтекаемость корпуса, снижает скорость и приводит к смещению точки приложения боковой гидродинамической силы на корпусе в нос или корму в зависимости от разности осадок. Влияние этого смещения аналогично изменению диаметральной плоскости за счет изменения площади носового подзора или кормового дейдвуда.

Дифферент на корму смещает в корму центр гидродинамического давления, повышает устойчивость движения на курсе и уменьшает поворотливость. Напротив, дифферент на нос, улучшая поворотливость, ухудшает устойчивость на курсе.

При дифферентах эффективность действия рулей может ухудшиться или улучшиться. При дифференте на корму центр тяжести смещается к корме (рис. 36,а), плечо поворачивающего момента руля   и сам момент  уменьшаются, поворотливость ухудшается, а устойчивость движения увеличивается. При дифференте на нос, наоборот, при равенстве «рулевых сил»  и , плечо  и момент  увеличиваются, поэтому поворотливость улучшается, но устойчивость на курсе становится хуже (рис. 36, б).

При дифференте на нос у судна улучшается поворотливость, повышается устойчивость движения на встречной волне, и наоборот, появляются сильные раскаты кормы на попутной волне. Кроме этого, при дифференте на нос судна появляется стремление к выходу на ветер на переднем ходу и прекращение уваливания носа под ветер на заднем ходу.

При дифференте на корму судно становится менее поворотливо. На переднем ходу судно устойчиво на курсе, но при встречном волнении легко укланяется с курса.

При сильном дифференте на корму у судна появляется стремление к уваливанию носом под ветер. На заднем ходу судно управляется с трудом, оно постоянно стремится привестись кормой к ветру, особенно при боковом его направлении.

При небольшом дифференте на корму повышается эффективность действия движителей и у большинства судов повышается скорость хода. Однако дальнейшее увеличение дифферента приводит к уменьшению скорости. Дифферент на нос из-за увеличения сопротивления воды движению, как правило, приводит к потере скорости переднего хода.

В практике судовождения дифферент на корму иногда специально создают при буксировках, при плавании во льдах, для уменьшения возможности повреждения винтов и рулей, для повышения устойчивости при движении по направлению волн и ветра и в других случаях.

Иногда судно совершает рейс, имея некоторый крен на какой-либо борт. Крен могут вызывать следующие причины: неправильное расположение грузов, неравномерное расходование топлива и воды, конструктивные недостатки, боковое давление ветра, скопление пассажиров на одном борту и др.

     Рис.36 Влияние дифферента                       Рис. 37 Влияние крена

Крен оказывает различное влияние на устойчивость одновинтового и двухвинтового судна. При крене одновинтовое судно не идет прямо, а стремится уклонится с курса в сторону, противоположную крену. Это объясняется особенностями распределения сил сопротивления воды движению судна.

При движении одновинтового судна без крена на скулы обоих бортов будут оказывать сопротивление две силы  и , равные друг другу по величине и направлению (рис. 37, а). Если разложить эти силы на составляющие , то силы  и  будут направлены перпендикулярно бортам скул и они будут равны друг другу. Следовательно судно будет идти ровно по курсу.

При крене судна на площадь «л» погруженной поверхности скулы накрененного борта больше площади «п» скулы приподнятого борта. Следовательно, большее сопротивление встречной воды будет испытывать скула накрененного борта и меньшее – скула приподнятого борта (рис. 37,б)

Во втором случае силы сопротивления воды  и , приложенные к одной и другой скуле, параллельны друг другу, но разные по величине (рис 37,б). При разложении этих сил по правилу параллелограмма на составляющие (так чтоб одна из них была параллельна, а другая перпендикулярна борту), убедимся, что составляющая перпендикулярная борту , больше соответствующей составляющей противоположного борта.

В результате этого можно сделать вывод о том, что нос одновинтового судна при крене уклоняется в сторону приподнятого борта (противоположную крену), т.е. в сторону наименьшего сопротивления воды. Поэтому, чтобы удержать одновинтовое судно на курсе, приходится руль перекладывать в сторону крена. Если на накрененном одновинтовом судне руль будет в положении «прямо», судно совершит циркуляцию в сторону, противоположную крену. Следовательно, при совершении оборотов диаметр циркуляции в сторону крена увеличивается, в противоположную сторону - уменьшается.

У двухвинтовых судов уклонение от курса вызывается совместным воздействием неодинакового лобового сопротивления воды движению корпуса со стороны бортов судна, а так же различной величиной воздействия разворачивающих усилий левой и правой машин при одном числе оборотов.

У судна без крена точка приложения сил сопротивления воды движению  находится в диаметральной плоскости, поэтому сопротивление с обоих бортов оказывает равное воздействие на судно (см. рис. 37,а). Кроме того, у судна не имеющего крена, разворачивающие моменты относительно центра тяжести судна, создаваемые упором винтов  и , практически одинаковы, так как плечи упоров равны, а поэтому .

Если, например, у судна имеется постоянный крен на левый борт, то углубление правого винта уменьшится и увеличится углубление винтов на правом борту . Центр сопротивления воды движению сместится в сторону накрененного борта и займет положение (см. рис. 37,б) на вертикальной плоскости относительно которой будут действовать упоры движителей с неравными плечами приложения. т.е. тогда  < .

Несмотря на то, что правый винт из-за меньшего заглубления будет работать менее эффективно по сравнению с левым, однако с увеличением плеча общий разворачивающий момент от правой машины станет значительно больше чем от левой , т.е. тогда < .

Под воздействием большего момента  от правой машины судно будет стремиться уклониться в сторону левого, т.е. накрененного борта. С другой стороны, увеличение сопротивления воды движению судна со стороны скул предопределит стремление уклонить судно в сторону повышенного, т.е. правого борта.

Эти моменты по величине соизмеримы между собой. Практика показывает, что каждый тип судна в зависимости от различных факторов при крене уклоняется в определенную сторону. Кроме того, установлено, что величины уклоняющих моментов весьма малы и их легко компенсировать перекладкой руля на 2-3° в сторону борта, противоположного стороне уклонения.

Коэффициент полноты водоизмещения. Его увеличение приводит к уменьшению силы  и уменьшению демпфирующего момента , а следовательно, к улучшению устойчивости на курсе.

Форма кормы. Форма кормы характеризуется площадью кормового подзора (подреза) кормы  (т.е. площадью дополняющей корму до прямоугольника)

Рис.38. К определению площади кормового подреза:

         а) корма с подвесным или полуподвесным рулем;

         б)корма с рулем расположенным за рудерпостом

Площадь  ограничивается кормовым перпендикуляром, линией киля (базовой линией) и контуром кормы (на рис. 38 заштрихована). В качестве критерия подреза кормы можно использовать коэффициент :

где  - средняя осадка, м.

Параметр  является коэффициентом полноты площади ДП.

Конструктивное увеличение площади подреза кормовой оконечности в 2,5 раза может уменьшить диаметр циркуляции в 2 раза. Однако при этом резко ухудшится устойчивость на курсе.

Площадь руля . Увеличение увеличивает поперечную силу руля , но в то же время возрастает и демпфирующее действие руля. Практически получается, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки.

Относительное удлинение руля . Увеличение  при неизменной его площади  приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к некоторому улучшению поворотливости.

Расположение руля. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтом , что обеспечивает значительное улучшение поворотливости. Этот эффект особенно проявляется на одновинтовых судах в режиме разгона, а по мере приближения скорости к установившемуся значению уменьшается.

На двухвинтовых судах руль, расположенный в ДП, обладает относительно малой эффективностью. Если же на таких судах установлены два пера руля за каждым из винтов, то поворотливость резко возрастает.

Влияние скорости судна на его управляемость появляется неоднозначно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью независимо от её абсолютного значения, соотношения между указанными силами и моментами остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) сохраняют свою форму и размеры. Это обстоятельство неоднократно подтверждалось натурными испытаниями. Продольный размер циркуляции (выдвиг) существенно зависят от начальной скорости движения ( при маневрировании с малого хода выбег на 30% меньше выбега с полного хода). Поэтому, чтобы совершить оборот на ограниченной акватории при отсутствии ветра и течения, целесообразно перед началом маневра сбавить ход и выполнить оборот на пониженной скорости. Чем меньше акватория ,на которой совершается циркуляция судна, тем меньше должна быть первоначальная скорость его хода. Но если в процессе маневра изменить частоту вращения винта, то изменится скорость потока , набегающего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создаваемый рулем. Изменится сразу же, а гидродинамический момент на корпусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории. При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории увеличивается (радиус кривизны уменьшается), и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с носовой частотой вращения винта, кривизна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Все сказанное выше справедливо для случая штилевой погоды. Если же судно подвергается воздействию ветра определенной силы, то в этом случае управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем больше влияние ветра на управляемость.

Когда по какой-либо причине нет возможности допустить увеличение скорости, но необходимо уменьшить угловую скорость поворота, лучше быстро уменьшить частоту вращения движителей. Это эффективнее, чем перекладка рулевого органа на противоположный борт.