1. 개요
□ 연구목적
○ 선박은 그 활용범위나 효율 면에서 현재 존재하는 모든 운송 수단 중 단연 최고라 할 수 있다. 자동차보다 훨씬 먼 거리를 움직일 수 있으며 비행기보다 다양한 종류의 화물을 많이 실을 수 있다. 이러한 면에서 선박은 앞으로도 그 활용 방안 이 무궁무진한 운송수단이다. 하지만 선박은 물 위를 떠다니 기 때문에 사고가 발생하면 대처가 매우 까다롭고 적재하는 화물의 양이나 탑승객의 수가 많은 편이기에 사고발생시 피해규모 또한 매우 큰 편이다. 지난 100년간 발생한 대형사 고 중 가장 많은 사상자가 발생한 20건의 사고 중 19건이 선박사고일정도로 선박사고로 인한 피해규모는 막대한 편 이다. 우리나라에서도 지난 2014년 4월, 제주도로 수학여행 을 떠나던 고등학생들과 제주도로의 관광객들을 태운 여객 선이 침몰하여 300여명의 희생자가 발생하기도 했다. 이 연 구는 선박의 안정성을 향상시키는 보다 간단하고 효과적인 방법을 연구함으로서 현존하는 복잡한 안전장치가 아닌 단 순하면서도 효과적인 안전장치를 고안한다. 이러한 안전장 치가 적용된 선박은 크기가 큰 화물선이나 여객선의 사고를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 현재 안전장치가 부족한 어선에도 장착할 수 있어서 크기가 작은 어선 등의 선박 사고도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
□ 연구범위
○ 복잡한 기계적 장치로만 이루어져있는 안전장치가 아닌 선 체의 모양을 변형시켜 간단하게 물리학적으로 안정적인 선 박의 형태를 찾는다.
2. 연구내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 부력 : 유체 속에서 전부 또는 부분적으로 잠긴 물체에 작용하 는 부력은 물체가 밀어낸 유체의 무게와 같다(아르키 메데스의 원리). 유체 속에서 물체가 받는 부력은 물체 위에서 아래로 누르는 힘과 물체 바닥에서 위로 올려 주는 힘의 차이
○ 복원력 : 선박이 외부의 힘에 의하여 어떤 방향으로 기울어지 려고 할 때, 그 외부의 힘에 대항하여 기울어지지 않으려고 하거나, 기울어지게 한 원인을 제거했을 경우에 원래의 위치 상태로 되돌아가려는 성질
그림 2 : 부력 그림 3 : 복원력이 발생하는 이유
○ 저항력 : 물체가 공기나 물 등과 같이 유체 속을 운동할 때, 그 유체의 상대적 흐름 때문에 받는 힘. 저항력은 물체의 속도를 감소시키고 방향을 전환시키게 하 며, 일반적으로 물체의 단면적에 비례함.
○ 선박 : 물위에서 사람 또는 화물을 싣고 이들을 운반하는데 사용하는 구조물을 총칭한다. 즉, 물위에 뜬다는 부양 성과 여객 또는 화물을 실을 수 있다는 적재성, 적재된 것을 원하는 장소로 운반할 수 있다는 이동성 등 3요 소를 갖춘 구조물
1) 부양성 : 사물이 물 위에 뜨는 성질 2) 이동성 : 원하는 방향으로 움직임
3) 적재성 : 교통수단으로서 사람이나 짐을 수송
그림 4 : 복원력이 작용하는 과정
○ 선박은 오뚝이처럼 볼록한 밑면모양과 앞뒤로 긴 모양을 가지고 있기 때문에 양옆으로 굉장히 많이 흔들리게 된다. 이를 횡동요라고 하는 데, 어느 정도의 흔들림은 복원력이라 는 힘에 의해 선박이 원래 상태로 돌아오게 된다. 하지만 복원력 이상의 각도로 선체가 기울게 되면 선박은 그대로 침몰하게 되는 것이다. 이때의 복원력을 늘리는 방법은 무게 중심을 밑으로 낮추는 것인데 이를 맞추기 위해 선박에는 무게중심을 밑으로 낮추어주는 평형수를 사용한다.
□ 연구주제의 선정
○ 선박사고를 최소화 하는 방법을 알아보기 위해 현재까지 발생한 선박사고의 사례를 조사해보았다. 조사하던 도중 한 가지 놀라운 사실을 알게 되었는데, 선박사고의 대부분은 여객선도 화물선도 아닌 어선에서 발생한다는 사실이었다. 통계청 조사결과에 따르면 2013년 한해동안 발생한 선박사 고 850여건 중 536건, 66%에 해당하는 사고는 어선에서 발생 하였다. 이유를 알아보니 여객선이나 화물선과 같은 대형 선박에는 많은 기계적 안전장치들이 되어있지만, 어선과 같 은 비교적 소규모 선박에는 안전장치가 많이 되어있지 못한 것이 원인이였다. 우리는 이에 크기가 작은 어선에도 적용할 수 있는 간단하면서도 효율적인 새로운 안전장치를 고안해 보기로 하고 연구를 시작하였다. 소형 선박에 적용할 수 있는 안전장치는 현존하는 안전장치보다 단순해야 한다. 이에 기 계적인 안전장치 보다는 선박의 모양을 안정적으로 설계하 는 것이 좋을 것 같다는 판단을 하였다. 선박의 안정성에 가장 많은 영향을 미치는 부분은 물에 잠기는 선박 밑부분이 기에 선박의 밑부분을 중점적으로 조사 및 연구한 결과 볼록 한 밑면모양 때문에 물에 떠있을 때 오뚜기처럼 좌우로 흔들 린다는 것을 알게 되었고, 볼록한 밑면모양에 굴곡을 준다면 덜 흔들릴 것이라는 가설을 세우고 실험을 진행하게 되었다.
□ 연구 방법
○ 우선 선박의 밑면에 굴곡을 준 모형을 만든다. 이때 굴곡의 효율을 알아보기 위해 굴곡의 각도를 달리 한다.
○ 실제의 선박은 물 위에 떠있기만 한 것이 아니라 앞으로 나아가기 때문에 선박모형을 제작한 수로에 고정시키고 물을
흘려보냄으로서 선박이 앞으로 나가는 효과를 준다.
○ 실험을 진행하면서 스마트폰을 이용해 선박모형이 흔들리는 각도를 측정한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 선박 밑면 굴곡이 각각 180°, 160°, 140°인 선박 모형을 제작한 다. 이때 선박모형의 질량이나 앞부분 모양 등은 통일한다.
표 1 : 선박 모형의 단면도와 실물사진
○ 물을 흘려보낼 수 있도록 수문이 달려있는 수조와, 선박모형 을 고정시킬 수 있는 수로를 제작한다.
수조
수문
수로 그림 11 : 실험에 사용된 수조
○ 선박 모형을 실과 막대를 이용해 수조의 일정한 지점에 고정 한다. 수조에 물을 일정한 량 담은 뒤 수문을 일정한 높이로 열어 물을 흘려보낸다. 수문을 열 때의 오차를 최소화하기 위해 수문을 최소한만 여는 방법으로 실험을 진행하였다. 또한 수조에 물의 높이가 낮아질수록 수압이 약해지는 점을 감안해 수문을 개방한 뒤 5초 동안의 데이터만을 수집한다.
그림 12 :선박 모형을 수조에 고정시킨 모습
○ 수로의 각각 다른 세 지점에서 실험을 진행한다. 각 지점에서 의 수압을 MBL 힘센서를 이용해 측정하여 수압이 가장 높은 지점부터 실험을 진행한다.
Point 1 Point 2 Point 3
그림 13 : 수압이 다른 세 지점에서 실험
○ 스마트폰 가속도센서 어플리케이션을 실행하고 선박모형 위에 얹어놓은 상태로 실험을 진행한 다음, 선박의 안정성에 가장 많은 영향을 미치는 좌우로의 흔들림을 나타낸 값인 Z축 값 중 가장 크게 측정된 값을 기록한다.
0.34g
그림 14 : 좌우 관계없이 가장 많이 흔들린 값 기록 가로축 : 시간, 세로축 : 가속도(흔들림 변화률), g : 9.8
위 실험에서 가장 흔들림이 큰 경우는 0.34g= 3.332이다.
○ 측정된 가속도 값을 다음과 같은 수학적 계산을 통해 기울은 각도로 변환한다.
그림 15 : 가속도 센서에 나타난 값의 수학적 계산을 통한 해석
∠
가속도센서에표시되는값
× cos
cos
sin × sin
sin
○ 각각의 실험을 5번씩 진행한 뒤 최댓값과 최솟값을 제외한 값의 평균을 기록하여 선박 밑면 굴곡의 효율을 비교한다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 각 지점별 수압 측정 결과
Point 1 Point 2 Point 3
위치 수압
Point 1 2.95N
Point 2 3.23N
Point 3 1.56N
수압 : Point 2 > Point 1 > Point 3
- 수압이 측정된 정도에 따라 모형선박에 작용하는 힘이 크다고 할 수 있다. 즉 선박과 조류의 관계를 모형으로 제시한다.
- 수압 측정결과를 토대로 수압이 강한지점부터 실험을 진행한다.
○ Point 2
Point 2
g : 9.8 Ship 1
(180°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.49 29.3
실험 2 - -
실험 3 - -
실험 4 0.45 26.7 실험 5 0.51 30.7
결과 29.3
Ship 2 (160°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.39 23.0 실험 2 0.31 18.1 실험 3 0.40 23.6 실험 4 0.34 19.9 실험 5 0.33 19.3
결과 20.7
Ship 3 (140°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.34 19.9 실험 2 0.29 16.9 실험 3 0.27 15.7 실험 4 0.25 14.5 실험 5 0.26 15.1
결과 15.9
가로축 : 굴곡에 따른 배, 세로축 : 기울은 각
○ Point 1
Point 1
g : 9.8 Ship 1
(180°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.45 26.7 실험 2 0.38 22.3 실험 3 0.44 26.1
실험 4 - -
실험 5 0.42 24.8
결과 25.5
Ship 2 (160°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.36 21.1 실험 2 0.40 23.6 실험 3 0.31 18.1 실험 4 0.35 24.5 실험 5 0.36 21.1
결과 21.9
Ship 3 (140°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.25 14.5 실험 2 0.28 16.3 실험 3 0.33 19.3 실험 4 0.30 17.5 실험 5 0.29 16.9
결과 16.9
가로축 : 굴곡에 따른 배, 세로축 : 기울은 각
○ Point 3
Point 3
g : 9.8 Ship 1
(180°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.42 24.8 실험 2 0.35 20.5 실험 3 0.40 23.6 실험 4 0.37 23.7 실험 5 0.45 26.7
결과 24.0
Ship 2 (160°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.31 18.1 실험 2 0.35 20.5 실험 3 0.32 18.7 실험 4 0.28 16.3 실험 5 0.33 19.3
결과 18.7
Ship 3 (140°)
가속도 (g)
기울은 각( °) 실험 1 0.20 11.5 실험 2 0.23 13.3 실험 3 0.19 11.0 실험 4 0.21 12.1 실험 5 0.24 13.9
결과 12.3
가로축 : 굴곡에 따른 배, 세로축 : 기울은 각
○ 결과 정리
- 모형배의 굴곡에 따른 흔들림 비교
가로축 : 굴곡에 따른 배, 세로축 : 기울은 각
- 수압(측정지점)과 모형배의 굴곡에 따른 흔들림 비교
가로축 : 측정지점(수압별), 세로축 : 기울은 각
○ 수압에 상관없이 모든 지점에서 선박 밑면의 굴곡이 클수록 좌우로의 흔들림 횡동요가 적다. 즉 선박 밑면 굴곡이 클수록 안정성이 크다는 결과가 나타난다.
□ 시사점
○ 선박 밑면의 굴곡은 현재 존재하는 안전장치보다 비교적 단순하여 크기가 작은 어선에도 충분히 적용할 수 있다. 선박 밑면 굴곡이 적용된 어선이 많이 보급된다면 선박사고의 대부분을 차지하던 어선사고를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 사후 활용
○ 선박 밑면 굴곡이 선박의 효율에 미치는 영향을 연구하여 보다 효율적이면서도 안정적인 선박안전장치를 개발한다.
○ 실험 결과를 매뉴얼로 제작하여 실제 안정적인 선박을 제작 하는데 참고자료로 사용할 수 있다.
○ 이러한 실험과 결과을 바탕으로 빌지킬 안전장치와 연동하 여 좀 더 안정한 선박제작참고자료로 사용할 수 있다. - 빌지킬 : 배가 옆으로 흔들리는 것을 방지하는 용골형 돌출재
○ 크기가 작은 선박에 먼저 도입을 한 뒤 순차적으로 크기가 큰 화물선이나 여객선, 군함 등으로 범위를 확장한다.
5. 참고문헌
□ 논문
○ Tilt Sensing Using Linear Accelerometers(by: Kimberly Tuck)
○ 횡동요 억제장치(Anti-roll Apparatus for Ships and Marine Structure)-현대중공업 주식회사
○ 횡동요 저감형 선박(Anti rolling type ship)-삼성중공업 주식 회사
○ 근해 대형 선망선의 횡동요 경감을 위한 최적의 빌지킬 설계 -Journal of the Korean society of fisheries technology
□ 웹사이트
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1111875&cid=40942
&categoryId=32418
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1261212&cid=40942
&categoryId=32229
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1580153&cid=50344
&categoryId=50344
