第3章外界因素对船舶操纵的影响第三章 外界因素对船舶操纵的影响船舶在航行时，可能受到浅水、受限水域、风、流、过往船舶以及本船首、尾波的影响，操船者应对这些影响进行全面正确的评估，以利于船舶安全航行。
第一节 风对操船的影响一、 风动力与风动力转船力矩1． 风力及风力矩的计算公式()θθρ222sin cos 21a a a a a B A C V F +＝－相对风舷角方向的面积投影－，－相对风速－风压力系数）－空气密度（其中：θρy x B A V C m kg a a a a a ,/226.13作用于x,y 轴的风力和对重心的风力距为：Aa a a a a a x Y N F Y F X ⋅⋅⋅＝＝＝ααsin cos2． 风力系数的表达方式及其特点风力系数C a 由船模风洞试验求得，当船模一定时，C a 表示为：()θθρ222sin cos 21a a a a aa B A V F C +＝风速一定时，船模在风洞中在不同的风舷角下测得其受力F a ，然后用上式计算出C a 的大小，进而得到C a 与风舷角之间的函数关系。
其有下列几种表达方式。
1） 列表法将C a 与风舷角之间的对应关系列成表格的方式来表示，如某船的风洞试验结果如下：2） 曲线法将上表数据标绘成曲线，即得风力系数曲线图，见教材P 68。
3） 近似估算法当精度要求不太高的情况下，可按照下列近似公式计算：θθθθθθθθθ6cos 133.04cos 367.02cos 142.0142.16cos 117.04cos 25.02cos 083.0200.16cos 175.04cos 35.02cos 05.0325.1---------＝对于客船：＝对于油轮：＝对于一般货船：a a a C C C 4）风力系数的特点a. 当θ＝0或180时，C a 最小b. 当θ＝30－40或140－160时, C a 最大c. 船型不同，C a 曲线分布也不相同。
3． 风力作用中心一般用无因次量a/L 表示，其大小也是风舷角的函数：()θf La = 1）曲线法见P682） 近似估算法 θ0023.0291.0-=La风力作用中心的特点a. a/L 基本是风舷角的线性函数b. 侧面积在纵向分布决定了风力作用中心的位置。
4．风力角与风舷角的关系风力角一般用α表示，其大小也是风舷角的函数：()θαf =1） 曲线法见P682） 近似估算法9090180.090115.013⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=）（）（θθα3） 风力角的特点a. 风舷角越大，风力角也越大；b. 除风舷角θ＝0和180之外，风力角α均大于风舷角θ。
5. 风力系数及风力矩系数的其它表达方式将风力F a 分解为X a 和Y a ，力矩为N a ，则得到三个系数：L B V X C B V Y C A V X C a a a a aN a a a a ay a a a aax 222212121ρρρ=== 6．船舶受风面积的估算一般情况下，船舶正面和侧面受风面积应从船舶资料中查找。
如果船舶资料不全或无资料可查，在精度要求不高的情况下，可通过近似计算求得：A a ＝C 1B 2B a ＝C 2L 2C 1, C 2与船型有关，见P67二、 水动力与水动力转船力矩水动力是由于船舶对水有相对运动而产生的水对船舶的作用力，其大小与船速、漂角等因素有关。
与风力的表达方式相似，水动力可由下式表示：1． 水动力及水动力距的计算公式LdC V F W W W 221ρ= 作用于x, y 轴的水动力和对重心的水动力距为：ww w w w w w x Y N F Y F X ⋅⋅⋅＝＝＝γγsin cos 2． 水动力系数的数学表达方式Ld C V F C W W w W 221ρ=水动力系数C w 由船模循环水槽试验求得，当船型一定时，C w 表示为：相对流速一定时，船模在循环水槽中在不同的漂角下测得其受力F w ，然后用上式计算出C w 的大小，进而得到C w 与漂角之间的函数关系。
其有下列几种表达方式。
1） 列表法将C w 与漂角之间的对应关系列成表格的方式来表示，如某船的循环水槽的深水试验结果如下：2） 曲线法 将上表数据标绘成曲线，即得水动力系数曲线图，见教材P623． 水动力作用中心与漂角之间的关系)(βf La w = 水动力作用中心一般用无因次量a w /L 表示，其大小也是漂角的函数：1）曲线表示法见P63 2） 水动力作用中心的特点① a w /L 随着漂角的增大而增大；② 一般a w /L 值为0/25-0.75之间；③ 尾倾越大，a w /L 值越大。
4． 水动力角与漂角之间的关系水动力角一般用γ表示，其大小也是漂角的函数：)(βγf = 由于船体水下侧面积形状沿x 轴方向变化不大，因此，γ较集中在90度附近。
5． 水动力系数及水动力距系数的其它表达方式将风力F w 分解为X w 和Y w ，力矩为N w ，则得到三个系数：d L V X C Ld V Y C Ld V X C W W WN W W Wy W WWx 2222212121ρρρ===三、 风致偏转和漂移的规律1． 风中偏转分析方法 分析船舶风中偏转规律必须知道以下条件：船舶本身条件：上层建筑形状、面积、船舶运动状态（系泊、锚泊或航行）、水下侧面积形状等。
外界条件：风向、风速、相对流速、相对流向、水深等。
综合上述条件，我们可以得出转船合外力距的大小及其方向，进而可以判断船舶的偏转方向。
1）重心、风力作用中心和水动力作用中心的确定重心、风力作用中心和水动力作用中心三者的位置决定了合外力距的方向，进而决定了船舶的偏转方向，因此，我们首先必须知道三者之间的关系。
船舶重心G: 一般在船中稍后。
风力作用中心A：正横前来风，在G之前；正横来风，在G附近；正横后来风，在G之后。
水动力作用中心W：船舶前进时，在G之前；船舶横移时，在G附近；船舶后退时，在G之后。
2）合外力距的方向确定根据N a和N w的代数和来确定。
2．船舶静止中受风偏转规律1）正横前来风（θ<90）静止中的船舶在风力F a的作用下，使船舶以一定的船速V，某一漂角β向下风运动，进而产生水动力F w。
这时，A在G之前，W在G之后，合外力矩为N a＋Nw，在其作用下，产生旋转角角速度，使船首向下风旋转。
随着船舶的转动，A点和W点都向G点靠拢，当船舶转为横风附近时，A点、W点、和G点重合，合外力距N a＋Nw＝0。
当F a＝F w时，船舶将以正横附近受风匀速向下风漂移。
2）正横后来风（θ>90）静止中的船舶在风力F a的作用下，使船舶以一定的船速V，某一漂角β向下风运动，进而产生水动力F w。
这时，A在G之后，W在G之前，合外力矩为N a＋Nw，在其作用下，产生旋转角角速度，使船尾向下风旋转。
随着船舶的转动，A点和W点都向G点靠拢，当船舶转为横风附近时，A点、W点、和G点重合，合外力距N a＋Nw＝0。
当F a＝F w时，船舶将以正横附近受风匀速向下风漂移。
3）偏转规律结论船舶静止中受风时，无论是正横前来风还是正衡后来风，船舶都将转向正横附近受风，最终将匀速向下风飘移。
4） 静止中受风船舶向下风漂移速度根据上述结论，船舶受横风匀速向下风漂移时，其运动方程为：()()a a w a w a a w w a a a w w a a a a w a V LdB C C V LdC B C Ld C B C V Y Y r v m m ⋅====-=++041.0,4.1/900012.0/2121022＝则时，，在＝设＝经过整理得：＝则：γβθρρρργγρρμ经验数据：超大型船舶空载时Ba/Ld=1.8,Vy=1/20Va ；满载时Ba/Ld=0.8,Vy=1/30Va;3． 船舶前进中受风偏转规律1） 正横前来风（θ<90）与静止中受风不同，船舶有前进速度μ，在风力F a 的作用下，使船舶以一定船速V ，某一漂角β向下风运动，进而产生水动力F w 。
这时，A 和W 都在G之前，其合外力距为N w －N a ，船舶的旋转角加速度方向根据合外力距的符号决定：当N w >N a 时，船首向受风偏转（逆风偏转）当N w <N a 时，船首向下风偏转（顺风偏转）。
随着船舶的转动，A 点和W 点两点逐渐靠拢，当两点重合，且合外力距N a ＋N w ＝0时，船舶将以某一风舷角、某一漂角和一定船速作匀速斜航运动。
水动力距N w 与漂角、吃水、风速等因素有关，而漂角为：μβvtg 1-=船舶受风时，纵向速度μ和横向速度ν又与风力有关，因此，前进中的船舶正横前来风时，船舶的偏转方向取决于风速，风舷角、船速和船舶装载状态等因素。
根据经验：空载、慢速、尾倾、船首受风面积大时，船首多数为顺风偏转；反之，满载、快速、首倾、船尾受风面积大时，船首多数为逆风偏转，或称为“首找风”或“首迎风”。
2）正横后来风（θ>90）船舶有前进速度μ，在风力F a 的作用下，使船舶以一定船速V ，某一漂角β向下风运动，进而产生水动力F w。
这时，A在G之后，W 在G之前，其合外力距为N w＋N a，在其作用下，产生的旋转角加速度，使船首向上风偏转。
3）偏转规律结论正横前来风：空载、慢速、尾倾、船首受风面积大时，船首多数为顺风偏转；反之，满载、快速、首倾、船尾受风面积大时，船首多数为逆风偏转，或称为“首找风”或“首迎风”。
正横后来风船首向上风偏转。
4．船舶后退中受风偏转规律1）正横前来风分析2）正横后来风分析3）偏转规律结论四、强风中操船的保向界限简介1．航行中的风压差角船舶航行中，若风舷角θ不为0或180，则在风力的作用下，船舶做下风漂移和旋转运动，其运动方程为：δβδβδβN N N r J I Y Y Y vr um m T X Y X vr um m a z z a y a x ++=+++=+++++=-+ )())(())((假定操舵可以使船舶在风中保持航向，在合外力和合外力距为0时，船舶只有匀速平移运动，而没有旋转运动，即r=0, u=常量，v ＝常量。
根据经验公式：V e LdB u a 14.0097.0-⋅＝γ 由此可见，在风速一定的情况下，船速u 越大，船舶向下风横向漂移速度越小，反之，船速u 越小，船舶向下风横向漂移速度越大，则，船舶风中航行时的风压差角为： μβv tg1-=2． 船舶风中航行保向界限由上图可见，合外力距为：βαδN N N N ＋－＝在一定的风速和风舷角的情况下，船舶水动力距和舵产生的力矩能够克服风产生的力矩。
随着风力的增大，风力距也增大，需要增大舵角来增加舵力矩，水动力距与船速的大小有关。