船の抵抗と推進力

船は、最小限の外力で効率的に水中を移動できるように設計する必要があります。何千年もの間、帆船の設計者や建造者は、船体の中央部の断面積に基づいた経験則を使用して、特定の船の帆のサイズを決定してきました。たとえば、クリッパー船の船体形状と帆の設計は、理論ではなく経験から生まれました。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、より厳密なアプローチが必要であることに気づきませんでした。

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。

水中の物体が水に対して静止している場合は、静水圧のみがかかります。静水圧は常に物体の重量に対抗するように作用します。この浮力による合計 (上向きの) 力は、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、物体に作用する流体力もあります。通常のタイプの船舶である排水量船の場合、3 つの主なタイプの抵抗が考慮されます。波の発生による抵抗、移動する水が船体に与える圧力 (別々に計算または測定されることはほとんどありません)、および移動する水が船体の濡れた表面を摩擦することによる抵抗です。これらは、より多くの要素に分割できます。

フルードの模型試験の結果を船に外挿する手法は、1870年代に採用されました。ヒューズが考案した別の手法は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。フルードの手法は、非常に大型の船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で船や模型が航行しているとき、横波（船体に沿った波）の波紋の波長は喫水線の長さに等しいことを観察した。これは、船首が1つの波頭に乗っており、船尾も1つの波頭に乗っていることを意味する。これは船体速度と呼ばれることが多く、船の長さの関数である。

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

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 とします。

これを観察し、フルードは船の抵抗の問題を、残留抵抗 (主に造波抵抗) と摩擦抵抗の 2 つの部分に分ける必要があることに気付きました。適切な残留抵抗を得るには、模型試験で船が作り出す波列を再現する必要がありました。フルードは、適切な速度で曳航されるあらゆる船と幾何学的に類似した模型について、次のことを発見しました。

粘性によるせん断によって摩擦抵抗が生じます。この摩擦​​抵抗は、高速船の設計では総抵抗の 50% となり、低速船の設計では総抵抗の 80% とな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、この摩擦抵抗を総抵抗から差し引いて、残りを残余抵抗として求めることにしました。

(主な記事:表面摩擦抵抗) 粘性流体では境界層が形成されます。これにより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到達するまで、さまざまな速度でせん断を受けます。

(主要記事:造波抵抗) 乱されていない水面上を船が進むと、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、乱れの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察されます。これらの波は、ウィリアム・トムソン (初代ケルビン男爵) によって初めて研究され、船の速度に関係なく、発散波は常に船に続く 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、このエネルギーの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見つけることができます。

(主要記事:船舶の推進力) 船舶は、人力、動物、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、太陽エネルギーを供給するエンジンおよびモーターなど、さまざまな動力源によって推進できます。これらのほとんどは、船舶を直接推進 (例:曳航または鎖)、流体抗力装置 (例:オール、外輪)、流体揚力装置 (例:プロペラ、ジェット) によって推進できます。また、「魚の尾推進」、ロケット、磁気流体力学的推進などの特殊な手段もいくつか存在します。

• ウィリアム・フルード

• EV ルイス編『造船学の原理』第 2 巻 (1988 年)