海は風が強く、波も荒かったのに、なぜ船は転覆したり揺れたりしなかったのでしょうか?船体の謎

海の天気は子供の顔のように予測不可能です。では、なぜ船は海上を航行中に転覆しないのでしょうか?

もちろん、転覆は起こりますが、その確率は低いです。ほとんどの場合、船は風や波で転覆することはありません。そうでなければ、誰も船に乗ろうとはしないでしょう。小さな船をよく観察してみると、海の波で常に左右に揺れていることに気がつくでしょう。時には大きく揺れ、時には小さく揺れますが、船の大きさに関係なく、最終的には元の状態に戻り、転覆することはありません。なぜそうなるのでしょうか?その秘密は船体にあります。質量を持つ 2 つの物体には相互に引力が生じます。地球上に存在するすべてのものは、地球の中心を指して、地球からの重力の影響を受けています。

物体にかかる重力は物体上のあらゆる点に作用し、各点にかかる重力の合力が物体の重さとなります。各点に作用する重力の合力が作用する点を物体の「重心」と呼びます。

すべての物体には、その形状に関係なく重心があり、物体の重心は必ずしも物体の上にあるわけではありません。船の問題に戻ると、船は比較的規則的な形をしているため、船の重心は船の中央下部にあると考えられます。これは船の大きさや高さとはほとんど関係がありません。高さ64メートルの巨大クルーズ船「オアシス・オブ・ザ・シーズ」でさえ、その重心は船体の下部中央にあるからです。なぜなら、船体がどれだけ高くても、船の最も重い部分は船の底部にあるからです。

重力はボートを下方に引っ張りますが、ボートは水中に沈みません。なぜ？

なぜなら、重力に逆らう力が働いており、それが浮力、つまり海水の浮力だからです。浮力は鉛直上向きで、重力と方向は正反対ですが、重力は船体全体に作用するのに対し、浮力は海水に浸かった船体の部分に作用するという違いがあります。したがって、物体の変位体積が大きいほど、浮力が大きくなるとよく言われます。浮力は重力と同様に、水中に沈んだ船体のあらゆる点に作用するため、各点での浮力の合力は 1 点に集中し、その点を「浮力の中心」と呼びます。水上を安定して航行する船の場合、浮心は重心の下にあり、両者は水面に対して垂直な同一直線上にあります。

船が水に浮くのは、浮心が重心より下にあるからです。

しかし、船がいつまでも水上を順調に航行し続けることは不可能です。実際、船は刻々と揺れています。船が海の波によって右に傾いたとしても、物体の体積や形が変わらない限り、重心の位置は変わらないので、船の重心の位置はまったく変わりません。しかし、浮力の中心は異なります。船体が右に傾くと、右側の排水量が左側より大きくなり、船体の排水量部分に浮力が作用するため、浮力の中心も右に移動します。このとき、重心と浮心は船体平面に対して垂直な直線上にはないので、これら2つの反対方向の力によってトルクが発生し、船体は右に傾いた状態から元に戻ることになります。

直立した船体は過度な修正により左に傾き始め、同じことが再び起こります。重心と浮心の合成力により船体は左に傾いた状態から再び正方向へ向かうのですが、この重力と浮力の合成力によって発生するトルクを「正方向モーメント」と呼びます。

そのため、復原力の作用により、船は左右に揺れましたが、転覆することはありませんでした。船は転覆しないものの、左右に揺れ続けるのは耐えられない。小型船であれば大した問題ではありませんが、大型クルーズ船であれば、積載していた荷物はすべて海に流され、客室内の備品も粉々に砕け散ってしまいます。そこで、船が揺れずに安定して航行できるように、船底の両側に「ビルジキール」と呼ばれる部品を設置しました。これは基本的に大型船と小型船の両方に存在します。

船体が揺れると、ビルジキールの両側に揺れと反対方向の乱流が発生し、船体の揺れの振幅を効果的に低減できます。

しかし、大型クルーズ船の場合、ビルジキールだけでは不十分です。また、スタビライザーフィンと呼ばれる魚のひれのような形をした部品も装備されています。パッシブスタビライザーフィンとアクティブスタビライザーフィンがあります。アクティブスタビライザーフィンは手動で制御でき、船の揺れの傾向を狙い通りに減速させることができます。船舶の場合、これはハイエンド構成と見なされるため、小型ボートには当然搭載されていません。ビルジキールとアンチロールフィンを設置しても船の揺れ幅が十分でない場合は、船体内にアンチロール水タンクを設置して船を安定させる方法があります。船体の両側に設置され、互いに連結された水タンクが揺れと反対方向の力を発生させ、船を安定させます。

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