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長榮大學 科技工程管理學系 吳俊概 博士

船舶的理論船舶的理論 ─ 橫向穩度、縱向強度、阻力 ─ 橫向穩度、縱向強度、阻力

< 船舶概要 >

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穩度 用以衡量船舶傾斜後恢復平正之能力 穩度直接影響船舶的航行安全，設計時需慎重評估。

船能保持平衡需具備的三要件1. 總重量等於總浮力2. 重心與浮心落在 同一條垂直線上3. 重心需低於定傾中心

1. 橫向穩度

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三個必須知道的中心 重心 (center of gravity) G ：重量的中心 浮心 (center of buoyancy) B ：浮力的中心 定傾中心 (metacenter) M ：船舶傾斜後，浮力作用的方向與正

浮時 GB 直線的交叉點

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依定傾中心與重心的對應位置，船舶有三種平衡狀態1. 穩定平衡 (stable equilibrium) ：定傾中心在上2. 不穩定平衡 (unstable equlibrium) ：定傾中心在下3. 隨遇平衡 (neutral equilibrium) ：兩中心重疊

穩定平衡

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一般水面船不至有隨遇平衡情況，但均質的圓球形浮體即為隨遇平衡。

潛水艇之穩度變化 潛艇下潛時，重心因船艙注入海水而逐漸下移，浮心則因排水體

積增加而逐漸上移。 在浮心與重心重合的的瞬間，即成隨遇平衡。 好在該瞬間為時很短，且有其他設備輔助，故不致發生危險。

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靜力穩度 (statical stability) 船體傾斜後，其所獲扶正力矩的大小，稱之為靜力穩度或靜穩度。 扶正力臂 (righting arm) ： GZ 長度的大小 扶正力矩 (righting moment) ： 浮力 × GZ 長度 穩度的提高，經常是設計較寬的船身。

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傾斜試驗 (inclining experiment) 新船造好後，為驗證重心及定傾中心位置之計算結果，需施行傾

斜試驗。 係利用船上重量之左右移動，使船體發生傾斜，以測定其定傾高

度 , 即 GM 長度。

關係式： 重物重量 × d × cosθ = 浮力 × GM × sinθ

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穩度大小的選擇 穩度大的船，橫搖的週期小，船體的搖動較劇烈，有如喝醉酒的船，搭乘起來較不舒服。故一般均在安全許可的範圍內，盡可能地降低穩度。

穩度小的船，橫搖的週期大，搭乘起來雖較舒服，但翻船的風險也較大。

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一般設計的橫搖週期客船 16 至 24 秒貨船 15 至 30 秒船體越大，設計的橫搖週期也越大。

橫搖之防止，可加裝 1) 舟必龍骨 (bilge keel) 、 2) 鰭狀穩定翼 (fin stabilizer) 、 3) 減搖水艙 (anti-rolling tank) 。

bilge keel

舟必 龍 骨

減搖水艙鰭片穩定翼

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船舶浮在水上時，因為局部的重量與浮力無法剛好抵銷，且因為長度大的關係，會有較為嚴重之縱向強度問題。

船體的縱向受力 重量分佈不均的影響波浪之影響

2. 縱向強度

重量分佈不均的影響 ─＞

波浪的影響 ─＞

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舯垂浪中的郵輪

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船越深，縱向強度越佳，抗彎能力也越佳，但穩度越差。 縱向強度的提高，經常是設計較深的船身。 縱向強度常依靠龍骨、雙層船殼、抗扭箱來提供。

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阻力的種類

3. 船舶阻力

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摩擦阻力 (frictional drag) ：因水的黏性所產生的牽制力。

低阻力泳衣

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形狀阻力 (form drag) ：船體設計不夠流線型，而於後方發生渦流所產生的阻力。

大小比例約 20 : 10 : 1

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興波阻力 (wave-making drag) ：船舶前進時，於艏艉產生規則的波浪所形成的阻力。

( 艏波 )

( 艉波 )

( 波峰 )( 波谷 )

( 包絡線 )

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