1. 선박의 저항의 정의 및 기초개념
선박의 저항을 알기 위해서는 앞서서 알아야 할 기초 개념들이 있다. 일단 항력 계수 Drag coefficient란 운동하는 물체에 작용하는 저항은 물체의 크기와 속도 그리고 운동을하고 있는 공간의 물성에 따라 달라 지기 때문에 같은 물체라하더라도 그 저항 값의 크기를 단순히 비교할 수 없게 되므로 항력계수항력 계수라는 지수를 정의하여 운동하는 물체의 저항을 나타낸다. 선박의 저항은 선박이 전방을 향해 일정한 속도, V 로 물 위를 항해할 시, 그 앞쪽방향으로 움직임이 생성된다. 그 중 첫 번째 움직임은 선체에 미치는 동적인 압력(dynamic pressure on the hull )이다. 선박의 진행방향과 반대방향으로 세로 방향의 합력이 생산된다. 점도에 의하여 잠긴 (또는 침수) 표면에 생긴 접선 응력 (tangential stresses), 그 합력은 또한 배의 이동 방향에 반대이다. 선박의 움직임과 반대하는 총 힘은 선박의 저항이라고 불리어지며, 이들 저항은 정상적인 동적 압력이나 접선방향의 응력의 두 가지 구성요소 가운데서 발생한다. 선박은 실제로 동일한 시간동안 두 가지 유체(물과 공기)를 다른 밀도를 가지고 이동한다. 선체의 선저부는 물을 통해 이동하고 선체의 선교부는 공기를 통해 이동한다. 물에서 뿐만 아니라 공기에서도 앞서 말한 두 가지 저항요소가 작용한다. 왜냐하면 공기의 저항은 대개 물의 저항보다 훨씬 작기 때문이다.
2. 선박 저항의 분류
- Frictional Resistance (마찰저항)
선박의 운동에 따라 함께 운동하는 물과 운동하지 않는 물 사이 경계층이 있다. 그 경계층 내의 물은 운동하게 되고 , 이 운동 에너지는 선체의 운동에 의하여 발생되므로 선박은 그 에너지만큼을 소비하게 된다. 이것을 마찰저항이라고 한다. 이것은 표면저항이라고도 하며 물과 선체 표면과의 마찰에 의한 저항으로서 이 저항력은 선체가 물에 접하고 있는 침수면적에 비례하고 선체의 표면 상황에 따라 그 값이 달라진다
- Wave-Making Resistance (조파 저항)
선박이 항해하기 위해 물을 좌우로 밀치며 전진하기 때문에 파도가 발생한다. 선박이 일으키는 파도에는 선수파와 선미파가 있으며, 또한 종파나 횡파가 선박의 후방에서 발생한다. 이와 같이 선박이 파도를 일으키기 위해서는 에너지를 소비하기 때문에 선박의 저항도 그 만큼 증가하게 되는데, 선박이 주행함으로써 수면에 파도를 일으키기 때문에 생기는 저항 증가를 조파 저항이라한다. Wave-making resistance is important to surface ships, especially those of high speeds, but may be negligible to submarines. 이러한 조파 저항은 고속선의 일반선박에서 중요하다. 그러나 잠수함에서는 무시해도 좋다.
- Eddy-making Resistance (와류 저항)
물속에 잠겨 있는 선체의 형상은 완만한 유선형이 아니라 급격한 곡률을 가지고 있기 때문에, 물 속의 선체를 따라 흘러가던 물은 급격히 변하는 형상을 따라 흘러가지 못하고, 선체로부터 떨어져 나가서 와류가 발생하게 된다. 선체의 후방이나 선체의 부착물의 둘레에 소용돌이가 생겨서 그 때문에 에너지 손실이 발생하는데, 이것을 와류 저항이라 한다. 여기서 와류 저항과 앞서 말한 조파 저항을 하나로 묶어서 잉여 저항(residual restance)이라고 한다.
- Air resistance (mainly resulting from wind resistance) 공기저항
물 위에 나와 있는 선체 부분은 공기의 저항을 받는데, 이는 배의 속도와 수면 윗부분의 면적과 모양에 의해 결정된다. 또한 바람이 불 때에는 상대적인 바람의 속도와 방향에 의해 지배된다. 공기저항은 보통 선박에서는 물의 저항에 비하여 매우 적다. 하지만 강풍이 불 때에는 이도 무시할 수 없을 만큼 상당이 큰 값을 가진다.
- total resistance (전 저항)
정수에서 선체를 끌 때 로프에 걸리는 저항, 즉 선체 저항을 예삭 저항, 또는 전 저항이라 하며 일반적으로 마찰 저항과 잉여 저항으로 구분한다. (공기저항은 저속선에 있어서 값이 미소하므로 무시한다.)
3. 선박 저항 감소시키는 방법
선박의 마찰저항을 감소시키기 위하여서는 일차적으로 침수 표면적을 줄여주는 방법이 생각될 수 있으며 이러한 방법 이외에는 유효한 감소 방법이 알려져 있지 않다. 따라서 마찰저항을 유효하게 감소시킬 수 있는 방법이 실용화된다면 에너지 효율을 향상할 수 있는 것은 물론이고 나아가서는 지구의 온난화 방지에도 기여하게 될 것이다. 유체 마찰을 감소시킴으로써 많은 경우에 있어서 유체 소음을 감소시키는 효과를 가지게 되며 열 수송효율을 높여주는 등 부가적인 효과를 얻을 수 있다. 그 방법으로는 여러 가지가 있다. 탄성 피막법, 공기주입법, riblet 등이 있다. 그중에서 D. W. Taylor는 돌출된 선수 모양에 의해 이차적으로 발생된 선수파가 일차적으로 발생된 파도를 상쇄시킬 수 있을 것이라는 생각으로 돌출형 선수를 수면 아래로 보다 더 잠기게 만들고 보다 부풀린 형태로 만들어 줌으로써 최초의 구상선수선형을 설계하였다. 낮은 속도에서는 마찰저항과 형상 저항의 증가로 인하여 전 저항을 증가시키게 된다는 것을 Wigley는 발견하게 되었다. 고속에 이르게 되면 선체와 구의 파계가 상호 간섭을 일으켜서 조파 저항을 줄여줄 수 있게 되고 적당하게 배치되어 있다면 구로 인하여 나타나게 되는 마찰저항이나 형상 저항의 증가를 극복할 수 있게 되어 궁극적으로는 전 저항의 감소를 가져오게 된다. 최근 대형 유조선이나 산적 화물선과 같이 낮은 FroudeFroude 수에서 운항하게 되어 조파 저항이 상대적으로 적은 선박에 구상선수가 적용되고 있다. 저항 감소는 근사적으로 만재 상태일 때 5% 정도이고 밸러스트 상태일 때 15% 정도에 이르는 것이 실험에서 확인되고 있다. 이와 같은 결과는 실선 시운전에서도 확인되며, 일반적으로 약 1노트의 속도 증가가 밸러스트에서 확인되고 있다.
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