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力學 標題:請教船舶迴旋支點的問題
1:andy1榮譽點數1點(大學理工科系)張貼:2007-01-21 23:00:16:,本留言獲[]給賞金共 1 點

各位大大

> 很冒昧的 懇求各位對我這個物理門外漢的指點
> 我是一個老海員  在船舶操縱中有一些問題

> 由於各位是物理專家  但是船舶方面有一些名詞可能並不熟息 
所以我在提問前先說一下
我問題中的相關名詞:
 1. 吃水 draft : 指船舶没入水線以下的深度, 船載重越多吃水越深.
  2. 縱浮平 even keel : 指船舶吃水艏艉相同
  3. 艏俯 trim by head : 艏吃水較船尾深,  反之稱為艉坐(trim by stern)
 4.  pivot point: 迴旋中心, 當船在迴旋時, 在首尾縱軸線上有一點是沒有旋轉角速度的, 此點又稱為迴旋支點 , 簡稱 PP.
  5.   L 代表船長  B代表船寬
  6.. 在我的問題中您就將船假設為一個長寬比為8比1的長方體木柱平躺在水中做假設船
體好了.


> 吾人皆認為船在前進時其PP約在距船艏1/4 L(書上說因為假設船艏前進時的阻力大約
為船舶推進力的1/4, 而3/4的船舶推進力量用在克服船體的摩擦阻力去了),
當用舵後, PP將再向船尾移動一個船寬的距離(假設B=1/8 L) , 所以當船前進用舵時,
吾人認為PP距離船艏的距離 = 1/4 L + 1/8 L = 11/32 L 所以我們海員常說船前進時 PP約距船艏1/3 L. 反
之 船後退時 PP 約距船尾 1/3 L
> 而船無前進或後退運動時PP在1/2 L 之處


> 我的問題如下:
> 1.      為什麼船前進時當用舵後 PP 要向船尾移動1個B(船寬)的距離呢?
> 2.      船艏阻力的大小對於PP 在縱線上的位置有如何的影響? 是船艏阻力加大會使 PP向船艏移動還是向後移動呢?


> 期盼各位大大您的指點
> 另外我是一個將近50的老KK , 微積分跟工數早忘光啦,
您能用比較淺易的說法來教導我嗎?


2:黃福坤(研究所)張貼:2007-01-22 00:41:46: [回應上一篇]

Quote:

在 2007-01-21 23:00:16, andy1 寫了:

 在我的問題中您就將船假設為一個長寬比為8比1的長方體木柱平躺在水中做假設船
體好了.
>
>
> 吾人皆認為船在前進時其PP約在距船艏1/4 L(書上說因為假設船艏前進時的阻力大約
為船舶推進力的1/4, 而3/4的船舶推進力量用在克服船體的摩擦阻力去了),
當用舵後, PP將再向船尾移動一個船寬的距離(假設B=1/8 L) , 所以當船前進用舵時,
吾人認為PP距離船艏的距離 = 1/4 L + 1/8 L = 11/32 L 所以我們海員常說船前進時 PP約距船艏1/3 L. 反
之 船後退時 PP 約距船尾 1/3 L
> 而船無前進或後退運動時PP在1/2 L 之處
>
>
> 我的問題如下:
> 1. 為什麼船前進時當用舵後 PP 要向船尾移動1個B(船寬)的距離呢?
> 2. 船艏阻力的大小對於PP 在縱線上的位置有如何的影響? 是船艏阻力加大會使 PP向船艏移動還是向後移動呢?





以上的1/4等數值似乎是從經驗配合簡單估算的結果!
對於你所說的船舶推進力分成1/4與3/4
結果轉動支點位於1/4之處,似乎有相同比例!
以上應該有某種模型與假設 可能需要熟悉航海學的人提供相關訊息
才可能從物理角度加以分析你的問題!

3:黃德業榮譽點數11點 (研究所)張貼:2007-01-25 15:38:39: [回應第1篇]

Quote:
1.      為什麼船前進時當用舵後 PP 要向船尾移動1個B(船寬)的距離呢? > 2.      船艏阻力的大小對於PP 在縱線上的位置有如何的影響? 是船艏阻力加大會使 PP向船艏移動還是向後移動呢?

1.不懂pp如何向船尾移動? 

不知道您的"觀察點"選在哪呢?是和船一起等速前進的攝影機?然後觀察因為突然使用舵.然後減速的船,發現pp向後(船尾)移動了?

如果您的觀察點是選在飛在船(直線前進時)上空的攝影機,然後發現pp"因為使用舵,船突然受了額外的阻力所以在攝影機上看起來往後移動了1/8L";那您的理論就恐怕沒辦法成立,因為整艘船是"剛體",當pp向後移動1/8L時,同時艏艉也會向後移動1/8L,這樣的話,pp應該還是如原假設一樣在距離艏1/4L處

不知有沒有誤解您的意思?



[ 這篇文章被編輯過: 黃德業 在 2007-01-25 15:42:52 ]
4:andy1榮譽點數1點(大學理工科系)張貼:2007-01-25 19:37:34: [回應上一篇]

1. 觀察者應該是在天空高處

2. 船體前進又做轉向運動時, 他的重心可以描繪成一個近似圓形,  而傳在前進時此迴旋運動的切線與艏艉線有一各夾角, 此夾角稱為漂角,  在船的首尾線上各點其漂角大小皆不同, 應該是船尾最大 然後向前漸減, 到了PP點則為 0,  而PP點是會因船首阻力變化而移動的. 只是我搞不太清楚到底當迴旋中的船舶 傳手組立加大的話 PP會向前移動或是向後移一些.

3. 感謝您的回應


5:黃德業榮譽點數11點 (研究所)張貼:2007-01-25 21:54:54: [回應上一篇]
Quote:
在 2007-01-25 19:37:34, andy1 寫了:

1. 觀察者應該是在天空高處

2. 船體前進又做轉向運動時, 他的重心可以描繪成一個近似圓形,  而傳在前進時此迴旋運動的切線與艏艉線有一各夾角, 此夾角稱為漂角,  在船的首尾線上各點其漂角大小皆不同, 應該是船尾最大 然後向前漸減, 到了PP點則為 0,  而PP點是會因船首阻力變化而移動的. 只是我搞不太清楚到底當迴旋中的船舶 傳手組立加大的話 PP會向前移動或是向後移一些.

3. 感謝您的回應


謝謝回應Too!

想確認一下,您上段藍字的敘述,應該不是想說"漂角會變"而是想說任選一艏艉連線上的點偏移迴旋運動的軌跡得切線距離會不一樣,而當選到PP時距離為零?  (我是看您對漂角的定義,想看看我這邊畫得圖是對還是不對)

至於船所受的阻力與PP點位置的關係,我再去想想看囉^^"


6:andy1榮譽點數1點(大學理工科系)張貼:2007-01-26 12:57:54: [回應上一篇]

感謝您繼續探討 並請原諒我的含糊不清的描述

drift angle漂角: 船在造船廠交給船東之前會做許多測試, 其中一項叫做迴旋試驗. 在合乎試驗的海況下全速前進, 然後下令右滿舵 (或左滿舵), 然後紀錄該船之重心在海上移動軌跡之位置, 至該船整個迴旋360度為止, 其重心軌跡最後可以描繪成為一近似圓形的圖跡. 我門稱其為旋迴圈 turning circle. 船在延旋迴圈運動時其首尾線與旋迴圈的切線有一角度, 此角度即稱作漂角. 而船的首尾縱線上各點的漂角大小皆不同, 在船尾處角度最大 向前漸減, 到了PP點漂角角度為0, 再向前漂角角度漸增但方向相反.  由於首尾線上各點漂角角度大小皆不同, 所以一般所指漂角 乃指船舶重心處的漂角.


7:黃德業榮譽點數11點 (研究所)張貼:2007-01-26 17:03:03: [回應上一篇]
Quote:
在 2007-01-26 12:57:54, andy1 寫了:

感謝您繼續探討 並請原諒我的含糊不清的描述

drift angle漂角: 船在造船廠交給船東之前會做許多測試, 其中一項叫做迴旋試驗. 在合乎試驗的海況下全速前進, 然後下令右滿舵 (或左滿舵), 然後紀錄該船之重心在海上移動軌跡之位置, 至該船整個迴旋360度為止, 其重心軌跡最後可以描繪成為一近似圓形的圖跡. 我門稱其為旋迴圈 turning circle. 船在延旋迴圈運動時其首尾線與旋迴圈的切線有一角度, 此角度即稱作漂角. 而船的首尾縱線上各點的漂角大小皆不同, 在船尾處角度最大 向前漸減, 到了PP點漂角角度為0, 再向前漂角角度漸增但方向相反.  由於首尾線上各點漂角角度大小皆不同, 所以一般所指漂角 乃指船舶重心處的漂角.


謝謝您重新描述了一次~

不知道您說的漂角是不是就是綠線跟紅線的交角?  ^^"


8:啄木鳥榮譽點數27點(大學理工科系)張貼:2007-01-27 21:40:26: [回應第1篇]
Quote:
在 2007-01-21 23:00:16, andy1 寫了:

各位大大 >  > 很冒昧的 懇求各位對我這個物理門外漢的指點 > 我是一個老海員  在船舶操縱中有一些問題 >  > 由於各位是物理專家  但是船舶方面有一些名詞可能並不熟息  所以我在提問前先說一下我問題中的相關名詞:  1. 吃水 draft : 指船舶没入水線以下的深度, 船載重越多吃水越深.   2. 縱浮平 even keel : 指船舶吃水艏艉相同   3. 艏俯 trim by head : 艏吃水較船尾深,  反之稱為艉坐(trim by stern)  4.  pivot point: 迴旋中心, 當船在迴旋時, 在首尾縱軸線上有一點是沒有旋轉角速度的, 此點又稱為迴旋支點 , 簡稱 PP.   5.   L 代表船長  B代表船寬   6.. 在我的問題中您就將船假設為一個長寬比為8比1的長方體木柱平躺在水中做假設船體好了. >  >  > 吾人皆認為船在前進時其PP約在距船艏1/4 L(書上說因為假設船艏前進時的阻力大約為船舶推進力的1/4, 而3/4的船舶推進力量用在克服船體的摩擦阻力去了), 當用舵後, PP將再向船尾移動一個船寬的距離(假設B=1/8 L) , 所以當船前進用舵時, 吾人認為PP距離船艏的距離 = 1/4 L + 1/8 L = 11/32 L 所以我們海員常說船前進時 PP約距船艏1/3 L. 反之 船後退時 PP 約距船尾 1/3 L > 而船無前進或後退運動時PP在1/2 L 之處 >  >  > 我的問題如下: > 1.      為什麼船前進時當用舵後 PP 要向船尾移動1個B(船寬)的距離呢? > 2.      船艏阻力的大小對於PP 在縱線上的位置有如何的影響? 是船艏阻力加大會使 PP向船艏移動還是向後移動呢?

> 期盼各位大大您的指點 > 另外我是一個將近50的老KK , 微積分跟工數早忘光啦, 您能用比較淺易的說法來教導我嗎?


4.  pivot point: 迴旋中心, 當船在迴旋時, 在首尾縱軸線上有一點是沒有旋轉角速度的, 此點又稱為迴旋支點 , 簡稱 PP.

以此來看您如下的說明時,

顯然會有些問題.........

Quote:

吾人皆認為船在前進時其PP約在距船艏1/4 L(書上說因為假設船艏前進時的阻力大約為船舶推進力的1/4, 而3/4的船舶推進力量用在克服船體的摩擦阻力去了), 當用舵後, PP將再向船尾移動一個船寬的距離(假設B=1/8 L) , 所以當船前進用舵時, 吾人認為PP距離船艏的距離 = 1/4 L + 1/8 L = 11/32 L 所以我們海員常說船前進時 PP約距船艏1/3 L. 反之 船後退時 PP 約距船尾 1/3 L > 而船無前進或後退運動時PP在1/2 L 之處


船在前進時其PP約在距船艏1/4 L.....

既然

船是在直線前進

PP怎會出現在距船艏1/4 L處

而令艏艉同時有旋轉角速度!!

 

而船無前進或後退運動時PP在1/2 L 之處......

顯見此為不移動的原地打轉!!

Quote:

我的問題如下: > 1.      為什麼船前進時當用舵後 PP 要向船尾移動1個B(船寬)的距離呢? > 2.      船艏阻力的大小對於PP 在縱線上的位置有如何的影響? 是船艏阻力加大會使 PP向船艏移動還是向後移動呢?


由上之說明

船前進時當用舵後 PP 該是出現在船身的位置,

而不是移動的距離!!


9:啄木鳥榮譽點數27點(大學理工科系)張貼:2007-01-28 00:16:20: [回應第4篇]
Quote:
在 2007-01-25 19:37:34, andy1 寫了:

2. 船體前進又做轉向運動時, 他的重心可以描繪成一個近似圓形,  而傳在前進時此迴旋運動的切線與艏艉線有一各夾角, 此夾角稱為漂角,  在船的首尾線上各點其漂角大小皆不同, 應該是船尾最大 然後向前漸減, 到了PP點則為 0,  而PP點是會因船首阻力變化而移動的. 只是我搞不太清楚到底當迴旋中的船舶 傳手組立加大的話 PP會向前移動或是向後移一些.


依據

4.  pivot point: 迴旋中心, 當船在迴旋時, 在首尾縱軸線上有一點是沒有旋轉角速度的, 此點又稱為迴旋支點 , 簡稱 PP.

則您引言中

船在前進時此迴旋運動的切線與艏艉線有一各夾角, 此夾角稱為漂角,  在船的首尾線上各點其漂角大小皆不同, 應該是船尾最大 然後向前漸減, 到了PP點則為 0....

此處漂角大小皆不同該指為旋轉角速度!!

 

[addsig]
Quote:
在 2007-01-26 12:57:54, andy1 寫了:

drift angle漂角: 船在造船廠交給船東之前會做許多測試, 其中一項叫做迴旋試驗. 在合乎試驗的海況下全速前進, 然後下令右滿舵 (或左滿舵), 然後紀錄該船之重心在海上移動軌跡之位置, 至該船整個迴旋360度為止, 其重心軌跡最後可以描繪成為一近似圓形的圖跡. 我門稱其為旋迴圈 turning circle. 船在延旋迴圈運動時其首尾線與旋迴圈的切線有一角度, 此角度即稱作漂角. 而船的首尾縱線上各點的漂角大小皆不同, 在船尾處角度最大 向前漸減, 到了PP點漂角角度為0, 再向前漂角角度漸增但方向相反.  由於首尾線上各點漂角角度大小皆不同, 所以一般所指漂角 乃指船舶重心處的漂角.


PP點為船在迴旋時, 在首尾縱軸線上沒有旋轉角速度的點!!

船在延旋迴圈運動時其首尾線與旋迴圈的切線有一角度, 此角度即稱作漂角.

PP點的旋轉角速度為0,

漂角角度不會為0!!


10:andy1榮譽點數1點(大學理工科系)張貼:2007-01-28 20:09:30: [回應第7篇]

1. 是的, 您繪的圖很正確,  當一艘直進的船開始迴轉時, 他的重心(您圖上的黃點)軌跡描繪出來的蹤跡正如您所繪的圖.  紅線是艏艉縱線 綠線是迴旋圈切線,  紅綠線的夾角即為漂角

2. 另外在一艘直進的船,  當一開始用舵, 他會因慣性關係並不立即轉向, 其重心軌跡反而會向用舵相反的一側做大約船身長度1%的橫移, 此種現象我們稱作橫溜(skid)

 


PP點的旋轉角速度為0,

漂角角度不會為0!!

我感覺您的說法好像是對的

雖然我在最近一本高雄領港徐國裕先生寫的船舶操縱 page70寫的 好像不同

啄木鳥先生您能告訴我為何PP點漂角不為0麼?

另外您對船首部阻力增大時對PP前後位置的影響能提供指教麼? 


 

1. 是的, 您繪的圖很正確,  當一艘直進的船開始迴轉時, 他的重心(您圖上的黃點)軌跡描繪出來的蹤跡正如您所繪的圖.  紅線是艏艉縱線 綠線是迴旋圈切線,  紅綠線的夾角即為漂角

2. 另外在一艘直進的船,  當一開始用舵, 他會因慣性關係並不立即轉向, 其重心軌跡反而會向用舵相反的一側做大約船身長度1%的橫移, 此種現象我們稱作橫溜(skid)


11:啄木鳥榮譽點數27點(大學理工科系)張貼:2007-01-28 23:36:05: [回應上一篇]
Quote:
在 2007-01-28 20:09:30, andy1 寫了:

PP點的旋轉角速度為0,

漂角角度不會為0!!

我感覺您的說法好像是對的

雖然我在最近一本高雄領港徐國裕先生寫的船舶操縱 page70寫的 好像不同

啄木鳥先生您能告訴我為何PP點漂角不為0麼?


單就"點"而言

其要如何敘述其"角度"!!??

"角度"

可得在兩線交叉後才有!!

就如

船在延旋迴圈運動時其首尾線與旋迴圈的切線有一角度, 此角度即稱作漂角.

再者

PP點定義為首尾縱軸線上沒有旋轉角速度的一點.

因此

PP點之漂角怎麼會為0!!

Quote:

另外您對船首部阻力增大時對PP前後位置的影響能提供指教麼? 


船首部轉向阻力與舵的角度有關,

船在直線移動時,

首尾縱軸線上沒有PP點!!

因此

在用舵轉彎時,

首尾縱軸線上才能觀察到PP點的存在!!

至於

船首部阻力增大時對PP前後位置的影響,

這該需要實務與理論模擬來細究,

個人在此有限資料的思考琢磨外,

該無能力提供具建設性指教........


12:hchien榮譽點數50點(研究所)張貼:2007-02-16 11:51:42: [回應第1篇] ,本留言獲[]給賞金共 1 點

船舶轉向的問題很有趣
跟汽車轉向不一樣的地方是
船舵在尾部 動力來源也在尾部 摩擦力來自船身與水體的黏滯性壓差
而汽車是前輪轉向 輪胎與地面摩擦屬於靜磨擦 輪胎偏轉角度大致上就是車身轉向角度 (愛甩尾開山路送豆腐的例外)

在慣性作用下 若無與行進方向垂直的側向分力存在 則船舶繼續向前移動 不會轉向
造成轉向的側向分力來源可能有二
第一是舵效
第二是橫向的艏車 或艉車

我們先假設船體為長方體 前後對稱 靜止狀態 船首朝北 我們俯視船身
此時若艏車向西 艉車向東 則船身以重心(幾何中心)逆時針旋轉
重心(幾何中心)為旋轉支點pp

若是只開艏車向西 則pp可能在縱線上幾何中心以下任何一點
這時到底pp距離幾何中心的長度與什麼有關?
想一想 槓桿原理 應該是與流體作用於船身側向的阻力有關
基本上流體阻力大小與移動速度的平方成正比
艏車處的速度最大 阻力也最大 速度由船首至船尾遞減 阻力亦然
這些作用於船身側面的阻力合力可以找出一個等效力作用於船身某一點
再由槓桿原理可以找出旋轉支點
由此可知 當流體黏滯阻力越小 越需要長的力臂來平衡  pp距離船尾越長

有一點感覺了吧
現在不用側向的艏車或艉車
改用舵
關鍵在於
舵效與船速有關 船速低就沒有舵效
為了維持舵效 在船尾的推力來源要持續出力 克服船體摩擦 保持速度
在全船都有速度的情況下 船首的側向阻力會加速轉向 船尾的側向阻力會減緩轉向
所以用舵效轉彎時pp會向船尾再靠近一點
至於靠近多少 是否一個船寬 則和整體船身形狀有關

由此觀之
船首阻力越大 不需要長的力臂來平衡
pp在縱線上會向前移







[ 這篇文章被編輯過: hchien 在 2007-02-16 12:02:51 ]

[ 這篇文章被編輯過: hchien 在 2007-02-16 12:38:17 ]
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