1. 선박의 6가지 운동 나타나는 이유
선박은 항상 파도가 존재하는 해상에서 운항되므로, 파랑 중 선체 운동으로 인해 여객, 승무원, 화물 및 선박 자체의 안전에 영향을 줄 뿐만 아니라, 각종 목적 활동의 정도와도 긴밀한 관계가 있다. 따라서 승객과 화물을 목적지까지 안전하게 수송하기 위해서는 바다 위에서 배의 운동성능을 알아야 한다. 선박은 물속에 잠긴 부분과 물 위로 나온 부분으로 나뉘어 있는 부유체로 운동 상태가 매우 복잡하다. 선박의 무게중심 G의 위체에 원점을 두고, X축은 선박의 길이 방향, Y축은 선박의 깊이가 되도록 좌표축을 잡을 수 있다. 6자유도 운동이란 바다 수면을 항해하는 선박이 해상파에 의해 받게 되는 진동운동을 의미한다.
2. 선박의 6가지 운동
선박에 가해지는 진동은 아래와 같이 3개의 직선운동과 3개의 회전운동으로 구분한다.
전후동요(surging)은 선박의 길이 방향 따라 주기적으로 전후로 직진 왕복 운동이다. 좌우동요(swaying)는 선박의 나비 방향 따라 주기적으로 좌우로 직진 왕복 운동이다. 상하동요(heaving,dipping)는 선박의 깊이 방향 따라 주기적으로 상하로 직진 왕복 운동이다. 횡요(rolling)는 선박의 길이 방향을 중심으로 주기적인 회전 왕복 운동이다. 종요(pitching)는 선박이 나비 방향을 중심으로 주기적인 회전 왕복 운동, 배의 세로 흔들림 주기는 되도록 작게 하는 것이 좋다. 배의 중앙부에 중량이 집중하고 있는 배는 양단 부분에 중량물이 적재되고 있는 배보다 파도 속에서의 상태가 좋다고 한다. 선수동요(yawing)는 선박이 깊이 방향을 중심으로 주기적인 회전 왕복 운동이다. 선박 운항에 영향을 주는 여러 가지 현상도 있다. 일단 racing은 선미 프로펠러가 수면상 노출되어 추진기가 과속되는 현상으로 추진기 손상될 수도 있다. broaching은 선미에 파를 받으며 선수 동요가 발생해 횡파를 받는 현상으로 전복 가능성이 있다. sagging은 중앙부가 밑으로 쳐지는 현상이다. hogging은 중앙부가 위쪽으로 굽어지는 현상을 말한다, racking은 배가 경사 지거나 좌우 수면 높이가 다른 경우와 같이 좌우현에 비대칭 힘이 작용하여 선체 변형이 비대칭으로 생기는 현상을 말한다.
3. 동요 감쇄 장치
선체 운동선능 중 선박의 안전 및 승무원 및 승객의 안락감에 큰 영향을 주는 것이 횡동요 운동(rolling)이며, 횡동요를 특정한 범위 안에 유지되도록 제어하는 것이 필요하다. 이러한 횡요를 감소시키기 위해 각종 동요 감쇠 장치를 개발하였다.
만곡부 용골(bilge keel)은 수동식 횡동요 억제장치로 가장 널리 쓰이는 방식은 만곡부 용골로 선저와 선체 측벽이 만나는 빌지 부분에 판을 부착시켜 선박이 횡동요를 할 때 와류를 발생시켜 점성 감쇠력을 증대시킴으로써 공진 시 운동 응답을 감소시키며 건조 시 부가적인 비용이 크지 않아서 기본적으로 선박에 장착돼있다. 감요수조는 선체의 양 측면 상부에 설치되며, 수조에 담겨 있는 물은 연결관으로 이동할 수 있도록 되어있다. 만곡부 용골만 가지고 원하는 운동 제어 효과를 얻지 못할 경우 부가적으로 횡동요 감쇠 탱크와 같은 고가의 장비를 설치하는 것이다. 횡동요 감쇠 탱크는 선박의 중앙부에 물탱크를 설치해 물탱크 내부 유동의 공진현상을 이용하는 것으로 수동식과 능동 식이 모두 사용된다. 핀 안정기는 빌지에 핀을 부착시켜 횡동요에 따라 핀의 각도를 조절함으로써 핀의 양력을 발생시켜 부가적인 복원력과 감쇠력을 발생시키는 대표적인 능동형 횡동요 감쇠 장치이다. 자이로 안정기는 배의 조타장치, 팽이의 자립성을 배의 횡요 감쇠 장치에 응용한 것이다. 최근에는 레이저로 바뀌었지만 옛날 프로펠러기는 이런 자이로스코프를 사용했다. 조타 역할을 하여 흔들림을 자동으로 바른 자세 유지를 시켜준다. 동요 감쇠 장치를 비교해보자면 만곡부용골은 경제적 장치, 감요수조는 중고속 warship으로 45% 정도의 횡요 감쇠 성능이 있다. 자이로 안정기는 무겁고 비싼 장치이고, 핀 안정기는 크루저 및 고속함정에서 60% 정도의 횡요 감쇠 성능, 90%도 가능하다.
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