1. 선박의 복원성
물체의 평형을 살펴보면 평형을 이해해야한다. 평형이란 정지하고 있는 물체, 가속이나 감속을 일으키지 않는 전체적인 힘의 균형을 말한다. 정적 평형 상태에 있는 어떤 물체가 외력을 받고 약간 이동했다가 외력이 없어질 때 처음 위치로 돌아가려 한다면 이 물체는 안정 평형상태에 있다고 한다. 이때, 처음 위치로 돌아가려는 경향을 복원성 또는 복원력(stability)이라 한다. 반대로 움직이는 원인인 힘을 제거해도 계속 운동을 하면 처음 상태는 불안정 평형상태에 있다고 말한다. 또한 평형상태에 있는 물체가 외력을 받고 움직일 때 그 힘을 제거해도 처음 위치로 돌아가지도 않으며 이동한 위치에 정지하고 있으면 이 물체의 처음 상태는 중립 평형의 상태라고 한다. 부체의 평형은 수직 상방향으로 작용하는 부력과 수직 하방향으로 작용하는 중력이 작용한다. 배가 바로 떠 있으려면, 두힘으 크기가 같고 방향은 반대이며 같은 수직선 상에서 작용해야 한다. 바로 떠 있던 배가 외력을 받고 경사지면 수면 아래의 형태에 변화가 일어나므로 수면 아래의 선체의 용적의 중심인 부심은 이동한다.
2. 복원성의 종류
복원성의 종류에는 정 복원력, 초기 복원력, 대경사 복원력, 동 복원력, 종방향 정적복원력이 있다. 정복원력은 배가 경사졌을 때 원래의 상태로 되돌아가려는 우력 모멘트를 말한다. 선박의 배수량 W와 길이 GZ를 곱한 값이 복원 모멘트이며, 길이 GZ는 중력과 부력의 작용선과의 간격, 즉 우력의 레벨로서 이것을 복원팔이라고 한다. 단순히 배의 복원력이라 할 때는 보통 정복원력을 가리킨다.
초기 복원력은 경사각도가 미소한 범위. 즉, 10도 정도까지는 메타센터 M은 변하지 않는다고 생각하여도 좋으므로 GZ=GMxsinΦ가 되며 이식이 적용될 수 있는 범위의 작은 경사각일 경우의 복원 모멘트를 초기 복원력이라 한다. 위 식의 GM값이 클수록 복원력이 커짐을 알 수 있다. 여기서 메타센터 M, 무게중심 G, 부력 중심 B의 관계를 살펴보면, 다음 식과 같다. GM=KM-KG=KB+BM-KG 이 GM값은 경사 시험을 통해 구한다. 또한, 식에서 알 수 있는 바와 같이 KM와 KG가 일정할 때 GM은 BM이 크면 그에 따라 함께 커진다. BM의 값은 배 나비의 제곱에 비례한다. 따라서, 선박의 초기 복원력은 선박의 나비가 클수록 큰 값을 가지게 된다. 복원력의 크기를 결정하는 GM의 길이를 기준으로 하여 선박을 다음과 같이 나눈다. 경두선은 선박의 윗부분은 가볍고 아래 부분 즉, 물속에 들어가 있는 부분이 무거워서 무게중심이 낮은 선박을 말한다. GM의 값이 커서 복원력이 매우 큰 선박으로 , 바람이나 파도 등의 외력을 받아 선박이 어느 정도 기울어져도 바로 되돌아 서게 되어 일반적으로 잘 전복되지 않는다. 단점은 복원력이 너무 커서 짧은 주기의 선체 흔들림이 많고 배를 타고 있을 때 배 멀미가 난다 그리고 승선감이 좋지 않다. 작업선이나 어선에 이용된다. 중두선은 선박의 윗부분이 아래 부분에 비해 무거워서 무게 중심이 상대적으로 높은 선박을 말한다. GM 값이 작아서 복원력이 약하다. 외력을 받고 기울어졌을 때 되돌아서는 것이 느리기 때문에 승선 기분은 좋으나 복원력의 면에서 불리하다. 정상선은 경두선과 중두선의 중간에 해당되는 복원력을 가진 선박이다. GM의 값이 크지도 작지도 않은 상태로 설계하여 승선감도 좋고 복원력도 있다. 대경사 복원력은 경사각이 10도 이상이 되면 직립 상태의 수선과 경사 상태의 수선이 만나는 점이 선체 중심선을 벗어나 옆으로 이동하게 된다. 따라서, 메타센터 M의 위치가 바뀌게 되어 의미가 없어진다. 동복원력은 배가 평형상태의 위치로부터 어느 각도까지 경사시키는데 필요한 일의 양을 말한다. 종방향 정적 복원력은 손상을 입지 않은 상태에서 선박이 음의 종복원 모멘트 때문에 선수 또는 선미가 물속으로 잠겨 전복하는 경우가 없다. 따라서 종방향 정적 복원성은 선박에 화물을 탑재 또는 하역하거나 탑재되어있는 중량물을 길이 방향으로 이동했을 때에 선박의 트림을 추정하지 위해 주로 사용된다.
3. 복원력의 영향
복원력에 영향을 주는 요소로 복원력은 선박의 안정성에 직접적인 관련이 있는 중요한 성능이다. 복원력에 영향을 끼치끼치는 요소로는 중심의 상하 위치, 선형, 경사력, 파도가 있다. 중심의 상하 위치는 일정한 배수 용적을 가지는 선박에서 무게 중심이 낮을수록 메타센터 높이 GM이 커지고, 결과적으로 큰 복원력을 가지게 된다. 반대로 무게중심의 위치가 메타센터 M보다 더 높으면 복원력은 없어지고, 작은 경사에서도 경사 모멘트가 생겨 오히려 더욱 경사시키려는 힘으로 작용한다. 따라서, 선박 내의 화물을 적재 할 때 에는 무게중심의 위치를 잘 고려하여 화물을 적절히 적재 하여야 한다.
선박내의 자유수는 무게중심을 상승시키는 효과가 있으므로, 자유수의 자유 표면을 줄이고, 이의 영향을 최소화해야 한다. 선형은 선형을 결정하는 데는 길이 , 나비,흘수 등의 여러 요소가 있으며 이들 요소는 독자적으로 결정되지 않고, 상호 관련성을 가지고 결정된다.. 그러므로 복원력에 대한 영향을 검토할 때에도 이들을 종합적으로 고려해야 한다. 경사력은 실제 선박에는 복원력과 반대방향의 경사력 들이 작용하여 이로 인해 선박의 복원력을 감소시키는 효과가 나타난다. 파도는 파도 중에서의 복원력도 가로방향 경사가 중요하며, 파도의 길이가 배의 나비에 비하여 매우 긴 경우에는 고요한 정수 상태의 복원력과 같은 경우로 취급해도 된다. 그러나 선박이 선체의 길이 방향으로 진행하는 파도에 걸쳐 있는 경우를 생각하면 선박과 파도가 어떤 상태에 있느냐에 따라 가로 방향 복원력이 달라진다. 선박과 파도가 호깅 상태에서는 수선면의 2차 모멘트는 정수 상태보다 작아지고, 새깅 상태에서는 정수 상태보다 커지게 된다. 따라서, 호깅 상태는 BM이 작아져서 복원력이 줄어들고, 새깅, 상태에서는 BM이 커져서 복원력이 커지게 된다.
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