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破冰船——破冰原理的分析受力
文章来源: admin   累计点击:1442   添加时间:2012-06-10 19:01:21
 《物理教师》2007年第2期刊登了《从“破冰船”破冰原理的受力分析说起》一文。原题摘录如下:1999年,中国首次北极科学考察队乘坐我国自行研制的“雪龙”号科学考察船对北极地区海域进行了全方位的卓有成效的考察。这次考察获得了圆满成功,并取得了一大批极为珍贵的资料。“雪龙”号科学考察船不仅采用特殊的材料,而且船体的结构也应满足一定的条件,以对付北极地区的冰块与冰层,它要靠本身的重力压碎周围的冰块。同时又应将碎冰块挤向船底。如果碎冰块挤在冰层与船体之间,船体由于受巨大的侧压力而可能解体。为此,如图1所示,船体与竖直面之间必须有一倾角θ。设船体与冰块间的动摩擦因数为μ,试问使压碎的冰块能被挤向船底,θ角应满足什么条件?(冰块受到的重力、浮力忽略不计)

文中列举了对该题的两种解法,现摘录如下:

解法1:对碎冰块进行受力分析,如图2所示。

碎冰块受到船身的弹力N,摩擦力f和冰层的挤压力F。将冰层对碎冰块的挤压力F沿船壁方向与垂直于船壁方向进行分解,得到两个分力。

由碎冰块的平衡条件建立方程,即

Fcosθ-N=0, Fsinθ-f=0 .

解出维持碎冰块静止所需的摩擦力f及支持力N分别为: f=Fsinθ , N=Fcosθ .

为了使碎冰块能被挤向船底,必须满足

f>fm=μN 则有:Fsinθ>μFcosθ

解得:tanθ>μ ,故θ须满足的条件为θ>arctanμ .

解法2:对碎冰块的受力分析如图3所示。碎冰块受到船身的弹力N,摩擦力f。只有当f和N的合力F与 图3

船体的夹角α小于θ时,冰块才能被挤向船底,否则冰块将

被挤在冰层和船体之间,使船体受到很大的侧压力。

由图可知,因为tanα=N/f=N/μN=1/μ<tanθ, 所以θ>arctan1/μ.

作者在分析破冰船工作原理之后,得出结论:“解法2”和实际情况相符,因而也是正确的结论。

笔者认为,如果仔细斟酌题目的设问:“……试问使压碎的冰块能被挤向船底,θ角应满足什么条件?”来作答的话,应是“解法1”分析求解的结论正确。如果从题目引用的“雪龙”号的破冰原理:“……‘雪龙’号科学考察船不仅采用特殊的材料,而且船体的结构也应满足一定的条件,以对付北极地区的冰块与冰层,它要靠本身的重力压碎周围的冰块。”来理解解题的话,应是“解法2”分析求解的结论正确。

要回答上述原因,就要先了解海洋冰层特点和破冰船的破冰原理。上述不同的结论是对应“破冰船”实际情况下由于冰层厚度不同时的不同工作原理得出的。

原来,大海结冰与江河结冰正好背道而驰,淡水结冰时会随着温度的降低冰层自上而下越冻越厚,而海水结冰却有着复杂曲折的过程,当海水的盐度超过24.69‰时,随着温度的降低,海水会先形成粥状的凝结核,先下沉,冻成冰块后再上浮到水面。因此,大海结冰是“自下而上”进行的。而且海水所形成的冰的花样也很多,按照国际气象组织规定,粘稠状的叫初生冰,5厘米厚的叫冰皮,小于10厘米厚并能产生“指状”重叠现象的叫尼罗冰,厚度10厘米以内由冰皮或尼罗冰破碎而形成的圆形冰块叫莲叶冰,厚度10厘米~15厘米且颜色呈灰色的叫灰冰,厚度为15厘米~30厘米且呈灰白色的叫灰白冰,厚度为30厘米~70厘米且呈现白色的叫白冰,以及厚度为70厘米~200厘米且冰冻时间不 超过一个冬天的叫一年冰,一共是8种。海冰生成就如同婴儿成长一样,每个时期的软硬程度、形状容貌、“性格特点”都不一样,有的粘、有的硬、有的膨松、有的厚实,因此破冰船在破冰时会根据冰情区别对待。

破冰船在冰海中破冰航行和对被冰困船只进行营救时,通常有三种方法:一是顶撞法 ,即以破冰船前进的动力,由艏柱及船体前挤碎冰层;二是冲撞法,即进行倒车,后退几百米,然后双车全速前进,撞碎冰层;三是艏压法,即利用船体重力和压载水的调节,使破冰船先冲上冰层,将冰压碎。一般情况下,都是使用顶撞法破冰。

从破冰船的工作原理来分析:采用“顶撞法”、“冲撞法”破冰时,由于冰相对于船向下运动,因而冰块的受力分析应符合“解法1”模式,自然结论是“解法1”的结论,即θ>arctanμ;当冰层厚度超过一定数值时,必须采用“艏压法”,即破冰船先冲上冰层,船相对冰层下滑的过程中将冰压碎。此时冰层相对船体向上运动,冰块在船身的弹力和摩擦力的共同作用下被挤向船底。此时应是“解法2”的结论,即θ>arctan1/μ。

若船体为钢结构,从人教版全日制普通高级中学教科书(必修)教材中可查到钢冰的动摩擦因数约为0.02,则由“解法1”可算出θ>1º9ˊ;由“解法2”可算出θ>88º50ˊ。

上述计算为纯理论值,在破冰船舶的实际设计时,最重要的一条是船底部向船艏伸展的部分和底线之间的交角要适当。这一角度过小则船艏开不到冰上,过大则功效不高。

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