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輪船

浮于水面上的大型结构，不同于Q1229765

輪船指用機械發動機推動的船隻，多用鋼鐵製造。舊時輪船是以蒸汽推動外部明輪的槳輪（英語：Paddle wheel）的蒸汽船，現代輪船多用渦輪發動機，而內燃機和核動力也成爲輪船新的動力來源。。

輪機室發動機

2016年為止，全世界的商船超過49,000艘，其載重噸位將近18億噸，其中有28%是油輪、43%是散貨船、13%是貨櫃船[1]。海軍也會利用大型船隻進行海戰或是運輸和支援陸上的部隊（英語：sealift）。2016年為止，在全世界104個海軍當中，北韓的朝鮮人民軍海軍有最多水面船隻（967）、接著是中華人民共和國的中國人民解放軍海軍（714）、美國海軍（415）、伊朗海軍（398）及俄羅斯海軍（352）。前五十大的海軍平均軍艦數量為88艘[2]。

歷史

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輪船一般有狹義和廣義兩種用法，輪船的推進有兩種方式，一種是原始的以人力踩踏木輪推進，一種是以螺旋漿推進。狹義的輪船是指用汽輪機推進的船隻，即蒸汽船。1807年，美國人羅伯特·富爾頓建造了世界上第一艘蒸汽機動力的輪船。在這裡，輪成為以連續運動代替間歇運動的機械。[3]

近代輪船發展史上，第一艘成功的有蒸汽機動力的蒸汽船於1776年在法國下水。1807年，美國發明家和工程師羅伯特·富爾頓是第一個成功的將蒸汽輪船投入商業使用的人。1865年，中國第一艘蒸汽輪船黃鵠號投入使用[4]。

種類

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因為船是依照相同的航行結構原理所設計的，其分類會依其功能來分類（這也是Paulet和Presles建議的分類法）[5]。以下是一些船隻設計師大致認同的分類[來源請求]：

有驅動動力的拖網漁船、圍網漁船、延繩漁船、拖釣船及工廠船。
電纜船（英語：Cable layer）
拖船、挖泥船（英語：dredger）、打撈船、引水船（英語：Pilot boat）
浮動旱塢、起重機船、載駁船（英語：Lighter aboard ship）。
  • 乾貨船：流動貨輪、散貨船、貨物運輸船、貨櫃船、駁船，Ro-Ro船、冷藏貨船，木材運輸船，畜牧和輕型車輛船
  • 液貨船：油船、液化氣貨船、化學物質貨船。
  • 客船
定期船、郵輪和特殊貿易客船（STP ships）
海峽渡輪、沿海渡輪和海港渡輪

結構

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更多資訊：船舶工程

在任何大小及用途的船隻中，都有一些類似的元素。船都會有船體，也都會有推進系統，早期輪船的推進系統是蒸汽機，現代輪船多用渦輪發動機，有些也用內燃機或是核反應爐。大部份的船隻也都有駕駛系統。輪船也會有隔間，貨艙，上層建築，以及錨和絞車之類的設備，不過不一定每艘船都有。

船體

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主條目：船體
 
船體需要承受海上惡劣的環境，圖中的是在惡劣天氣下的冷藏船

船要浮在水中，其重量需要比船體等體積的水要輕[6]。船隻可能只有一個船體（單體船，monohull），也有可能有二個船體（雙體船、catamaran）甚至三個船體（三體船（英語：trimaran）、trimaran）。超過三個船體的船很少見，不過有實驗曾經用到五個船體。多船體的船，各船體一般會彼此平行，而且會用剛性臂連接。

船體可分為許多部份，船首是船體最前面的部份，許多船會有球狀船首。龍骨是船體的最下方，從船的最前面延伸到最後面。船體的最後面稱為船尾，許多船後方有平坦的區域，稱為方艉（英語：transom (nautical)）。常見的船體附件有推進用的螺旋槳，控制方向的舵，避免船隻橫搖的穩定器（英語：Stabilizer (ship)）。其他船體的特點和船隻用途有關，例如漁具及聲納。

船體會考慮許多流體靜力學及流體動力學的要求，最重要的流體靜力學要求是可以支撐整艘船的重量，在載重不均勻分佈時也可以維持穩定。流體動力學的限制包括可以承受波浪的震動、氣候的影響以及擱淺的影響等。

較早期的船（或是遊樂船）可能會用木製的船體。現今的船多半使用鋼為船體材料，快速船隻可能會使用鋁，帆船及遊樂船常用複合材料，有些船是混凝土船（英語：Concrete ship），以混凝土為船體材料。

推進系統

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主條目：輪機工程
 
輪船的引擎室

船的推進系統（英語：propulsion systems）可以分為三類：人力、帆或是機械推進。輪船一般是指機械推進的船隻。

機械推進系統一般會包括馬達或是引擎等動力源，動力源會帶動螺旋槳，也有些會帶動葉輪或波浪推進鰭。最早期的動力源是蒸汽機，後來就改用兩衝程循環或四衝程循環的柴油引擎、舷外馬達，較快的船會使用燃氣渦輪發動機。軍艦及破冰船會使用核能船舶推進器（英語：Nuclear marine propulsion），目前也嘗試用在商船上，例如NS Savannah（英語：NS Savannah）。

最傳統的螺旋槳有固定螺距和可控螺距螺旋槳，後來也有一些變化，例如反向旋轉和噴嘴式推進器。大部份的船隻只有一個推進器，不過有些大型船隻會到四個推進器，加上橫向推進器（英語：bow thruster），以便在港內航行。推進器是透過推進軸和主引擎連接，若是中速或是高速的引擎，會加上減速箱。有些現代的輪船有柴電動力系統，船上有發電機產生電力，再用電力帶動馬達及推進器。

轉向系統

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渡輪的舵和螺旋槳

若船舶的兩側都有推進系統，例如一些外輪船[7]，就不需要轉向系統。不過大部份用單一推進器驅動的船，就需要有轉向系統。最常見的轉向系統是舵，是在船尾水下的平面。在船要轉向時，會轉動舵，以產生側向力。舵可以透過舵操縱桿（英語：tiller）、手輪或是電子油壓系統來驅動。自動駕駛系統會結合機械的舵以及導航系統。有時會用導管螺旋槳（英語：Ducted propeller）來轉向。

有些推進系統本身都有可轉向的特性，例如舷外馬達（英語：outboard motor）、船首推進器（英語：bow thruster）以及Z-Drive船（英語：Z-drive）。

貨艙、艙室及上層建築

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大型船隻會有多個甲板和艙室。漁船和貨船通常具有一個至多個貨艙。大型的輪船會有輪機室、廚房（英語：galley (kitchen)）及許多的工程艙。船上會有儲存油料、機油及淡水的油槽及水槽。壓載艙可以調整船的俯仰，並且調整其穩定性。

上層建築（船艛建築）是在甲板上方的結構。在現代的貨船上，上層建築一般是在船的後方。在客船和軍艦上，上層建築會延伸到船的前面。

設備

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船舶上的設備會受到許多因素的影響，例如時代、設計、航行區域以及用途。以下是一些常用到的設備：

  • 桅杆可以安放天線、導航燈、雷達應答器、霧信號燈，以及法規上要求的類似設備。
  • 錨泊索具（英語：Ground tackle）設備包括錨泊絞車、錨機以及錨。船在淺水中繫泊（英語：mooring (watercraft)）時會用到錨，一般會用繩索或是鏈條和船連接。較大型的船隻會用錨鏈筒（英語：hawse pipe）來操作鏈條。
  • 貨物設備包括有起重機及吊臂，可以用來裝貨以及卸貨。
  • 安全設備包括有救生艇、救生筏（Life raft）及救生衣，是在緊急情形時使用。

設計考量

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流體靜力學

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主條目：流體靜力學

船浮在水面的水位，會使船舶排開的水重量等於船舶的重量，因此船舶的重量會等於水的浮力。當船吃水的深度變深時，船的重量不變，但其船體排開的水會因此變多，因此浮力會增加。若船的載重平均分配，船的浮力也會沿著船長及船寬均勻分佈。船舶的穩定性會考慮其水力靜力（英語：Initial stability），以及在移動、橫搖及浮仰時，以及受到風和浪影響時的船穩定性（英語：Ship stability）。船若有穩定性問題，可能會造成異常的橫搖及浮仰，甚至會造成傾覆和下沉[來源請求]。

流體動力學

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主條目：流體動力學
 
德國戰列艦Schlesien的鳥瞰圖，其中有39°的開爾文船波，是船舶通過水中的特徵
 
船舶沿著三個軸的運動： 1. 升沈，2. 搖擺，3. 縱移，4. 迴轉, 5. 俯仰，6. 側搖

船在水中的前進會受到水阻力的影響。阻力會分為幾個成份，主要的是水在船體的阻力以及造波抵抗力（英語：wave making resistance）。為了降低阻力，提昇船的速度，需要減少船的浸水面積，使用可以產生較小振幅波浪的浸沒式船體。因此，高速的船往往會有較斜的船身，其船舶附體也會較少及較小。若定期維護船體或用生物附著塗料，去除船體上附著的海洋生物及藻類，也可以減少水的阻力。球狀船首等先進設計也可以減少波浪阻力。

有個觀察造波阻力的簡單方式，是看船體和開爾文船波之間的關係，若船的速度比浪的傳播速度慢，浪會快速的在船邊消散。若船頭產生浪的速度比消散的速度要快，其振幅會增加。因為水無法以夠快的速度離開船體，船體需要越過或穿過船首波浪，因此隨著速度的上昇，其阻力會依指數函數上昇。

船體速度（英語：hull speed）的公式如下：

 

若考慮米制單位，速度如下：

 

其中L為在水中的長度，單位是英尺或公尺，而船體速度的單位是節（每小時1海里）。

若船的速度超過船體速度的0.94倍，船會越過大部份的bow wave（英語：bow wave），船體只被二個浪的浪尖所支持，在水中會略為沈降。若船的速度超過船體速度的1.34倍，浪的波長其實比船身還長，並且船尾不再受到尾流的支撐，因此船尾會往上，船頭會上昇，船體會越過船本身產生的船首波，阻力會開始快速上昇。有可能以超過船體速度1.34倍的的速度來驅動排水型船隻，但其成本可能會過高。大部份的船隻都會在船體速度以下的速度行進。

若是有足夠資金的大型項目，可以用船體測試池來測試船體阻力，或是透過計算流體力學的工具來計算。

船也會受到波濤及涌浪的影響，也會受到風及天氣的影響。這些造成的船隻運動會影‵響船上的設備及乘客，最好可以加以控制。側搖的運動可以透過壓載艙或是穩定器（英語：Stabilizer (ship)）來控制。俯仰很難控制，而且若是船首浸入海浪中（稱為拍底，Pounding），會格外的危險。有時為了使劇烈的側搖或俯仰可以停止，船隻需要改變速度或是航向。

透過21世紀的科學研究證實[8][9]，若考慮分叉點記憶（英語：bifurcation memory）的影響，有時船舶的穩定性會快速下降。有影響的有有機動能力強的船舶，飛機和受控水下航行器，這些在特定應用下的穩態時會設計為不穩定。在設計船隻以及在臨界條件控制時，需要列入考慮。

延伸閱讀

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[編]

  《清史稿·卷150》，出自趙爾巽《清史稿》

參考資料

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  1. ^ Hoffmann, Jan; Asariotis, Regina; Benamara, Hassiba; Premti, Anila; Valentine, Vincent; Yousse, Frida, Review of Maritime Transport 2016 (PDF), United Nations: 104, 2016 [2017-09-15], ISBN 978-92-1-112904-5, ISSN 0566-7682, （原始內容 (PDF)存檔於2019-02-09） 
  2. ^ Editors. Total Navy Ship Strength by Country. globalfirepower.com. 2016 [2017-02-26]. （原始內容存檔於2018-01-25）. 
  3. ^ De Rebus Bellicis (anon.), chapter XVII, text edited by Robert Ireland, in: BAR International Series 63, part 2, p. 34
  4. ^ 无锡人设计了“亚洲第一巨舰”定远号. [2020-11-26]. （原始內容存檔於2021-01-26）. 
  5. ^ Paulet, Dominique; Presles, Dominique. Architecture navale, connaissance et pratique. Paris: Éditions de la Villette. 1999. ISBN 2-903539-46-4 （法語）. 
  6. ^ Boats – Why do they float?. Environmental Involvement for Young People. [15 November 2012]. （原始內容存檔於2014-09-21）. 
  7. ^ 幾乎所有單引擎的外輪船，外輪沒有加上離合器，是永久性的耦合，因此無法用來轉向。只有一些有分離引擎的船才可以轉向。不過英國皇家海軍為了要有較好的操控性，自1970年代起開始使用帶槳的柴油電動港口拖船
  8. ^ Feigin, M I. Проявление эффектов бифуркационной памяти в поведении динамической системы [Manifestation of the bifurcation memory effect in behaviour of dynamic system]. Soros Educational Journal (journal). 2001, 7 (3): 121–27. （原始內容存檔於November 30, 2007） （俄語）. 
  9. ^ Feigin, M; Kagan, M. Emergencies as a manifestation of effect of bifurcation memory in controlled unstable systems. International Journal of Bifurcation and Chaos (journal). 2004, 14 (7): 2439–47. ISSN 0218-1274. doi:10.1142/S0218127404010746. 
  • 現代漢語實用詞典編委會. 現代漢語實用詞典. 南方出版社. 1996. ISBN 7-80609-126-2. 
  • 現代漢語詞典審定委員會. 現代漢語詞典（第5版）. 商務印書館. 2005. ISBN 7-100-04385-9. 
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