造波抵抗

造波抵抗は、ボートや船舶などの水上船舶に影響を及ぼす抗力の一種で、船体の邪魔にならないように水を押しのけるために必要なエネルギーを反映します。このエネルギーは波の生成に使われます。

帆船や手漕ぎボートなどの小型船体の場合、造波抵抗が船舶の抵抗の主な原因となります。

水波の顕著な特性は分散性です。つまり、波長が長いほど、移動速度が速くなります。船によって生成される波は船の形状と速度の影響を受け、船が波を作るために与えるエネルギーのほとんどは、船首と船尾の部分を通じて水に伝達されます。簡単に言えば、これら 2 つの波動システム、つまり船首波と船尾波は相互に作用し、結果として生じる波が抵抗の原因となります。結果として生じる波が大きい場合、船から多くのエネルギーが運び去られ、海岸または波が到達する他の場所に運ばれるか、単に水中で消散します。そのエネルギーは船の推進力 (または運動量) によって供給される必要があるため、船はそれを抗力として感じます。逆に、結果として生じる波が小さい場合、感じる抗力は小さくなります。

干渉の量と方向 (加算または減算) は、船首波と船尾波 (同じ波長と位相速度を持つ) の位相差によって決まり、これは船の喫水線の長さの関数です。特定の船速では、船首波と船尾波の位相差は船の喫水線の長さに比例します。たとえば、船が 3 秒かけて長さを移動し、その後、ある地点を通過すると、船首波の 3 秒後に船尾波が発生します。これは、2 つの波の間に特定の位相差があることを意味します。したがって、船の喫水線の長さは、造波抵抗の大きさに直接影響します。

与えられた水線長に対して、位相差は波の位相速度と波長に依存し、それらは船の速度に直接依存します。深海の波の場合、位相速度は伝播速度と同じで、波長の平方根に比例します。その波長は船の速度に依存します。

したがって、造波抵抗の大きさは、船の喫水線での長さに対する船の速度の関数となります。

造波抵抗を考える簡単な方法は、船首波と船尾波との関係で船体を見ることです。船の長さが生成される波の長さの半分であれば、打ち消し合うため結果として生じる波は非常に小さくなり、長さが波長と同じであれば、増強により波は大きくなります。

波の位相速度は次の式で表されます。 ${\displaystyle c}$

${\displaystyle c={\sqrt {{\frac {g}{2\pi }}l}}}$

ここで は波の長さ、 は重力加速度です。 に適切な値を代入すると次の式が得られます。 ${\displaystyle l}$${\displaystyle g}$${\displaystyle g}$

${\displaystyle {\mbox{c 単位 ノット}}\approx 1.341\times {\sqrt {\mbox{長さ 単位 フィート}}}\approx {\frac {4}{3}}\times {\sqrt {\mbox{長さ 単位 フィート}}}}$

または、メートル法の単位では:

${\displaystyle {\mbox{c 単位のノット}}\approx 2.429\times {\sqrt {\mbox{長さ (m)}}}\approx {\sqrt {6\times {\mbox{長さ (m)}}}}\approx 2.5\times {\sqrt {\mbox{長さ (m)}}$

これらの値 1.34、2.5、および非常に簡単な 6 は、排水量船体の潜在速度を比較するために使用される船体速度の経験則でよく使用され、この関係は、異なる規模の船舶の比較に使用されるフルード数にも基本となります。

船が「速度長さ比」（ノット単位の速度をフィート単位の長さの平方根で割った値）の 0.94 を超えると、船首波のほとんどを追い越し始め、船体は 2 つの波のピークのみで支えられるため、実際には水中でわずかに沈みます。船が速度長さ比の 1.34 を超えると、波長が船体よりも長くなり、船尾は航跡で支えられなくなるため、船尾が沈み、船首が持ち上がります。船体は船首波を登り始め、抵抗が非常に高い割合で増加し始めます。排水量船体を速度長さ比 1.34 よりも速く運転することは可能ですが、そうするのは非常に高価です。ほとんどの大型船は、そのレベルをはるかに下回る速度長さ比、つまり 1.0 未満の速度長さ比で運航されます。

造波抵抗は船体から水を押しのけるために必要なエネルギーに基づいているため、これを最小限に抑える方法はいくつかあります。

余分な重量をなくして船の排水量を減らすことは、造波抵抗を減らす最も簡単な方法です。別の方法は、船体が水中を移動する際に揚力を生み出すように船体の形状を変えることです。半排水量船体と滑走船体はこれを実現し、船体の速度障壁を突破して、抵抗がはるかに低い割合で増加する領域に移行することができます。この方法の欠点は、滑走がモーターボートなどの高出力重量比の小型船でのみ実用的であることです。超大型タンカーなどの大型船には実用的な解決策ではありません。

鈍い船首を持つ船体は、通過するために水を非常に速く押しのけなければならず、この急加速には大量のエネルギーが必要です。鋭角の船首を使用して、水を徐々に押しのけると、水を押しのけるのに必要なエネルギー量は少なくなります。現代のバリエーションは、波を突き通す設計です。移動する船体によって押しのけられ、波を作る抵抗を引き起こす水の総量は、船体の断面積と船体の移動距離の積であり、同じ lwl、同じ排水量、同じ速度でプリズマティック係数が増加しても同じままではありません。

大型の動力船では、造波抵抗を減らすために、球状船首と呼ばれる特殊な船首がよく使われます。球状部は、船首前方の圧力分布を変えることで、船体で発生する波を変えます。球状部は船首波に破壊的な干渉を及ぼす性質があるため、効果を発揮する船速の範囲は限られています。球状船首は、特定の船体の造波抵抗を特定の速度範囲で軽減するように適切に設計する必要があります。ある船体形状とある速度範囲で機能する球状部は、別の船体形状や別の速度範囲では悪影響を及ぼす可能性があります。したがって、球状船首を設計する際には、適切な設計と、船舶の想定される運航速度と条件に関する知識が必要です。

船体が船体速度よりも大幅に低い速度で動作するように設計されている場合、船体の形状をその長さに沿って改良し、ある速度での波抵抗を減らすことができます。これは、船体のブロック係数が大きな問題にならない場合にのみ実用的です。

半排水型船体と滑走型船体は、航行中にかなりの揚力を発生させるため、波の伝播速度の壁を破り、はるかに低い抗力の領域で航行することができますが、そのためにはまずその速度を超えることができなければならず、それには大きなパワーが必要です。この段階は遷移段階と呼ばれ、この段階で造波抵抗率が最も高くなります。船体が船首波のこぶを乗り越えると、造波抵抗の増加率は大幅に低下し始めます。^[1]滑走型船体は船尾を水面から離して上昇し、トリムが高くなります。滑走状態の間、滑走型船体の水中部分は小さくなります。^[2]

波抵抗プロットの定性的な解釈は、排水型船体は、船首付近に波の山があり、船尾付近に波の谷がある波と共鳴するということです。これは、水が船首で押しのけられ、船尾で引き戻されるためです。滑走船体は、単にその下の水を押し下げるだけなので、その下に谷がある波と共鳴します。長さが約 2 倍の場合、速度は平方根 (2) または 1.4 倍になります。実際には、ほとんどの滑走船体は通常、それよりもはるかに速く移動します。船体速度の 4 倍になると、波長は船体の 16 倍になります。

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