船の抵抗と推進力

チューダー朝の造船技師マシュー・ベイカーによるスケッチ

船は最小限の外力で効率的に水中を進むように設計されなければなりません。何千年もの間、帆船の設計者や建造者は、船体中央部の断面積に基づく経験則を用いて、特定の船の帆の大きさを決定してきました。例えば、クリッパー船の船体形状と帆の設計図は、理論ではなく経験から発展しました。19世紀半ばに蒸気動力が登場し、大型鉄船が建造されるまで、船主や建造者はより厳格なアプローチが必要であることを認識していませんでした。

意味

船舶抵抗は、静かな水面で一定の速度で船舶を牽引するために必要な力として定義されます。

抵抗の構成要素

水中に浮かぶ物体は、水に対して静止している場合、静水圧のみを受けます。静水圧は常に物体の重量に対抗するように作用します。この浮力による（上向きの）力の合計は、押しのけられた水の（下向きの）重量に等しくなります。物体が動いている場合は、物体に流体力も作用します。通常の船舶である排水量船の場合、抵抗には主に3つの種類があります。造波抵抗、移動水が船体に及ぼす圧力（個別に計算または測定されない場合が多い）、そして船体の濡れた表面における移動水の摩擦抵抗です。これらは、さらに以下の要素に分解できます。

総抵抗${\displaystyle R_{T}}$

残留抵抗${\displaystyle R_{R}}$

皮膚摩擦抵抗${\displaystyle R_{FO}}$

皮膚摩擦に対する形状の影響

耐圧性${\displaystyle R_{P}}$

摩擦抵抗${\displaystyle R_{F}}$

波抵抗 ${\displaystyle R_{W}}$

粘性圧力抵抗${\displaystyle R_{PV}}$

造波抵抗 ${\displaystyle R_{WM}}$

砕波抵抗${\displaystyle R_{WB}}$

粘性抵抗 ${\displaystyle R_{V}}$

総抵抗${\displaystyle R_{T}}$

フルードの実験

模型試験の結果を船舶に外挿するフルード法は1870年代に採用されました。ヒューズによって考案された別の方法は1950年代に導入され、後に国際曳航戦車会議（ITTC）で採用されました。フルード法は、非常に大型の船舶のパワーを過大評価する傾向があります。^[1]

フルードは、船体速度と呼ばれる速度域で航行しているとき、横波（船体に沿った波）の波形の波長が喫水線長に等しいことを観察しました。これは、船首と船尾がそれぞれ1つの波頭に乗っていることを意味します。これはしばしば船体速度と呼ばれ、船の長さの関数です。

${\displaystyle V=k{\sqrt {L}}}$

ここで、定数 (k) は、速度 (V) が kn で長さ (L) がメートル (m) の場合は 2.43、速度 (V) が kn で長さ (L) がフィート (ft) の場合は 1.34 となります。

これを観察したフルードは、船舶抵抗の問題は残留抵抗（主に造波抵抗）と摩擦抵抗という2つの異なる部分に分解する必要があることに気づきました。適切な残留抵抗を得るには、模型試験において船舶が作り出す波列を再現する必要がありました。彼は、適切な速度で曳航された任意の船舶と幾何学的に類似した模型について、以下のことを発見しました。

粘性によるせん断によって生じる摩擦抵抗があります。これは、高速船の設計では総抵抗の50%、低速船の設計では総抵抗の80%を占める可能性があります。

摩擦抵抗を考慮するために、フルードは一連の平板を曳航し、模型船と同じ濡れ面積と長さのこれらの板の抵抗を測定し、総抵抗からこの摩擦抵抗を差し引いて、残りを残余抵抗として算出することにしました。

摩擦

（主要記事：表面摩擦抵抗）粘性流体では境界層が形成され、摩擦による正味抵抗が発生します。境界層は船体表面から水の流れ場に達するまで、様々な速度でせん断を受けます。

造波抵抗

(主要記事:造波抵抗) 静水面を船が進むと、主に船首と船尾から波が発生します。船によって生成される波は、発散波と横波で構成されます。発散波は、擾乱点から外側に移動する一連の斜めの波頭を伴う船の航跡として観測されます。これらの波は、初代ケルビン男爵ウィリアム・トムソンによって初めて研究され、船の速度に関係なく、波は常に船に続く 39° のくさび形 (両側に 19.5°) 内に収まることを発見しました。発散波は、船の前進に対して大きな抵抗を引き起こしません。しかし、横波は船の長さに沿って谷と山として現れ、船の造波抵抗の大部分を構成します。横波システムに関連するエネルギーは、波の位相速度または群速度の半分の速度で伝わります。船舶の原動機は、このエネルギー消費を克服するために、システムに追加のエネルギーを投入する必要があります。船舶の速度と横波の速度の関係は、波の速度と船舶の速度を等しくすることで得られます。

推進

（主要記事：船舶推進）船舶は、人力、動物力、風力（帆、凧、回転翼、タービン）、水流、化学燃料または原子力燃料、蓄電、圧力、熱、または太陽エネルギーを動力源とするエンジンやモーターなど、様々な動力源によって推進されます。これらの多くは、船舶を直接推進させる（例えば、曳航や鎖）、流体抗力装置（例えば、オールや外輪）、流体揚力装置（例えば、プロペラやジェット機）によって推進させることができます。また、「魚の尾」推進、ロケット、電磁流体力学的推進といった特殊な手段もいくつか存在します。

参照

• ウィリアム・フルード

参考文献

1. Molland, Anthony F.; Turnock, Stephen R.; Hudson, Dominic A. (2011).船舶抵抗と推進力：船舶推進力の実用的推定. ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-76052-2。

• EV Lewis編『造船学の原理』第2巻（1988年）