JPH0487894A - 船舶の横転防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ６発明の目的と在来技術 船舶が急回転や横波・横風等によって横転する事故が後
を断たないが、これは」Ｌ船員が積荷や漁獲の多寡等に
よる重量の変化や重心・浮心の変動等を適確に知る事が
出来ず、横方向の力との関係を経験から来る勘によって
しか判断せず、科学的に適切な対応を欠くからに他なら
ない。

本発明は、船員の勘に頼らず、簡単な検出機構と電算機
によって状況が素早く判断され、適切な対処がなされる
様な手段を提供するものである。

口１発明の構成・作用 船が旋回しつつある時にはその重心Ｇに遠心力ｍα（ｍ
は船全体の質量、αは法線加速度）が働く。これに対し
て、これに等しく、反対の向に水の抵抗が生じて船の横
方向の移動を止めると同時に、両者が偶力となって（水
の抵抗は浮心Ｃに集中して働くと考えられる）船を回転
させようとし、その結果船は外方に傾く　（浮心より重
心が低ければ内方に傾く）。これに伴って浮心が第１図
Ｃから第２図Ｃ１の様に移動し、浮力（総量ｆｉＷに等
しい）と船の総重量Ｗ（＝ｍｇ）とが船を逆方向に回転
させようとする偶力を生ずる。

船がそのま＼の姿勢を維持している状態であれば（即ち
、傾きが変わらない様であれば）両モメントが釣合って
いる訳だから ｍαＨ＝ｍｇＤ　　　　、’、ａ＝ｇＤ／Ｈ（１）であ
る。従って α＞ｇＤ／Ｈ（２） であれば船は更に傾き、浮心も更に移動し、その状態で
尚（２）式が成立てば船の傾きは一層増大し、これを繰
返す様であればついには転覆する事になる。

即ち、（１）式でＨが最小でＤが最大の時（勿論、両者
の変動は関連しているから、それぞれの最小値・最大値
ではない）が復元性が最大であり、従ってαが α＞ｇ（Ｄ／Ｈ）、、、　　　　　　　　　　　　　　
　　　（３）となる様であれば船は転覆する事になる　
（横波・横風による場合も同一算式となる）。

従ってα・Ｄ−Ｈを検出乃至算出しくｇは一定として扱
ってよい）、演算を行って（３）式の成立を回避する様
に安全措置をとらねばらねばならない。

この内、旋回運動に伴う法線加速度としてのαは、線速
度をＶｏ、旋回半径をＲとすればα＝　Ｖ　、”／Ｒ（
４） であり、■、は速度検出機構で、Ｒは舵輪の回転角と１
：ｌで対応するので舵輪回転角検出機構から求められる
ので、これ等から演算機によって瞬時に算出される。

横波・横風等による場合の加速度は適宜な加速度検出機
構で検出出来るが、検出機構の設置位置が重心点と合致
するとは限らないので、重心点でのαに換算せねばなら
ない（旋回の場合にＶ、とＲから算出したαはそのま＼
重心点での加速度であって換算の必要はない。勿論、加
速度検出機構による方法を採用してもよい）Ｄ説明は後
記。

Ｄ−Ｈを得るには先ず重心位置・浮心位置を知らねばな
らない。

設計で船形が決まれば、吃水Ｄｔと排水容積Ｖとはｌ：
ｌで対応するので、吃水の値の変動に応じたＶを計算出
来る。そして排水容積Ｖは傾きの如何によって変わらな
いので、傾斜角毎に浮心位置を計算で求める事が出来る
。また浮心位置が分ればその傾斜角での浮心を通る鉛直
線と船の中心線との交点即ち重心Ｍが求められる。

然しなからこの計算は結構面倒で、可成ラフな近似や省
略が行われるのが実際である。

そこで、より有力な、実験による手法を提供する。

先ず外郭だけの縮尺模型を作る。甲板も要らない。実験
の際に重量や容積を無視し得る程度に極力薄く、軽く作
る。これを実際の船が正立して浮かぶのと同じ姿勢に、
支えるなり吊るなりして保持し、船体中心に棒を立てる
。船体に水或は適宜な液体を入れ、水面と棒及び船殻の
接する線に適宜中を付ける。水量が排水容積に、印を結
ぶ線がその時の吃水線に相当するから、水量と水深を測
り、実物大に換算し、これ等を図表にプロットし、水量
を変えて同様の手順を繰返せば排水容積と吃水との関係
を示す図表が出来る。これを数式に表す事も出来る。な
は、Ｗ＝ρＶ（ρは液体の比重）だから、■を測る代わ
りに、総重量Ｗを測ってρで割ってもよい。この場合、
模型の重量による誤差を避ける為に、液体には比重が大
きく、模型には比重の小さいものを用いるか、両者の比
重を等しいものにするのがよい。

次に、第３図に示す様に水を入れた状態で、総重量を測
定して置くか、既知の量の水を入れるかし、キールを支
点にして傾け、側端Ｂをバネ秤で吊る。水の重量はその
重心（浮心に相当する）に集中して働くと考えられ、ま
た釣合状態では、水の重量の支点に関するモーメントと
バネ秤にか＼る力の支点に関するモーメントが等しいか
らＷ　ｅ　＝　Ｐ　１ であり、ＱはＱ＝　Ａ　Ｂ　５ｉｎ（θ＋δ）で、或は
実測で簡単に求められるから、ｅ即ちこの傾斜角での浮
心とキールとの間隔の水平成分が算出出来る。また同時
に重心の位置も求められ、その船底からの距離Ｈ、＝＝
　ｅ　／ｓｉｎθ（θは傾斜角）が得られるから、傾斜
角をθ１・θ、・θユ・・・・−・・・・・−・・・・
と少しづつ変えて行き、その都度ｅ　−Ｈｗａを算出、
三者を対比して作表・作図して置く。傾けるのはＢ点か
ら水が零れ出さんとする所まで＼、実際の状態で甲板か
ら浸水し始めようとする事態に相当する。この時のθを
０１１８とする。

次に、水を明けて空にした模型を水に浮かべ、排水容積
が前記の実験の時と同じになるまで船底に錘を吊下げる
。第４図に示す様に、船が前記実験と同じ角θ、たけ傾
く様に水平の力Ｑ、を加える（着力点は何処でもよいが
、後の計算の為には重心Ｍがよい。なはθが変ればＭの
位置も変るが、前記の様に、その位置は直ちに得られる
。だからθ１にこだわらず、θを少しづつ変えてＱを測
定し、両者の関係を図表化乃至数式化、これからθ、・
Ｑ、を選んでもよい）。釣合状態ではＱ　＋　ｈ−Ｗ　
ｅ　　　（ｈは重心と浮心の高度差）だから、これから
ｈが求められ、ｈとｅとで浮心の位置が定まる（Ｗが変
らなければ、傾斜角の如何に拘らずＶは一定である。ま
たＶとθが決まれば水の比重に関係なく浮心の位置は定
まる。

比重が異なれば同じ排水容積Ｖにする為の錘の重さ、従
って浮力も変って来る訳だが、その時は同じ傾斜角θま
で傾けるに要する力Ｑがこれに応じて変って来るので、
上式から得られる結果に比重は影響しない）。従って傾
斜角がθ１・θ、・−・・−・・・−になる様にＱを変
えてその都度浮心の位置（ｈとｅの組合せ）を算出し、
これを実物大に換算し、成る排水容積に於ける傾斜角と
浮心の位置の関係を表す図表や式を作る事が出来る。モ
してＶを少しづつ変えながらこれ等の手順を繰返す事で
得られるデータを演算機に記憶させて置けば、実際上の
Ｖとθから瞬時に浮心の位置が求められる。

この時の演算は、ｅ及びｈを２変数Ｖ１θの函数とする
ｅ＝ｆ（Ｖ、θ）或はｈ−φ（Ｖ、θ）を作って演算機
に設定して置くか、ｌ変数の函数ｅ−ｆ、（θ）或はｈ
−φバθ）をＶ、、Ｖ、、Ｖ、　　　毎に用意して設定
（この場合Ｖは不連続）、例えばＶの実測値がｖｎとｖ
７．１の間にあって傾斜角がθ、であった場合には、ｖ
ｔ、に於けるｆ、、（θｋ）とＶ　、、に於けるｆ　、
、、（θ８）を案分比例してｅを求めるなどする（ｈに
ついても同様）。

先に、吃水から排水容積を知る方法を説明したが、実際
上、船腹の水線を一々観察したり、測定したりは難しい
し、システムの効果を殺ぐ。

そこで次の様な手段を提供する。即ち、船底に孔を明け
、その周りを水線より高い壁で囲み、その水位を静電容
量・音波・超音波・放射線等適宜な検出機構り、によっ
て自動的に測定（第６・７図参照）、その結果を演算機
に送る。演算機には前記の様な、設計値から、或は模型
実験から得た吃水と排水容積の函数が記憶させてあり、
瞬時に排水容量を出力する。（これと水の比重とで船の
総重量も得られる）。

次に重心位置だが、浮心位置が排水容積と傾斜角で定ま
るのに対し、重心位置は総重量が変らなくても積荷の位
置が変れば変って来る。例えば、積荷が船底部にあるか
高所にあるかで異なるのである。その代り船の姿勢が変
ってもそのま−で、移動しない。

設計上で空船時の重心位置は分るから、積荷の増減毎に
その重量と位置で補正して行けばよい訳だが、大変な労
力だし、計算洩れや間違いも起こし易いから、こ＼で実
際の積荷の状嘘で実験的ζこ知る方法を示す。

一般に、船が傾く様な積み方はしないから、船の中心線
上に重心があるものとする。

前記の様に、船を旋回させると重心に遠心力力（働いて
船が傾くが、線速度や旋回半径が変らなければ遠心力に
よる横転のモーメントと浮力による復元のモーメントが
釣合って、それに応じた角度で傾きは安定する。その時
（１）式が成立し、またそのαは（４）式で示される。

そして重心と重心との距離をＳとすれば Ｄ　＝　Ｓ　ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　　　　（
５）Ｈ＝　ｈ　−Ｓ　ｃｏｓθ　　　　　　　　　　　
　（６）であり、θは傾斜角検出機構から刻々送られて
来るし、前記の様にＶとθからｈも瞬時に得られるので
、これ等４式からＤ　、Ｈ、Ｓが求められ、重心Ｇの位
置も定まる（船底と重心との距＠Ｈ，＝Ｈ。

Ｓはθの変化に拘わらず一定）。

所で、以上の説明から分る様に、排水容積と重心位置が
与えられ＼ば、その排水容積、その重心位置に於ける傾
斜角θのとり得る種々の値に対応するＤ／Ｈの変化が総
て、予め机上で求め得られ（θの変化に伴ってＨ，も変
るが、Ｈ５が一定だからその都度のＳが求められ、式（
５）（６）からθ毎のＤ／Ｈが得られる）、これ等から
（Ｄ　／ＨＬ、、も容易に得られる。だから、重心位置
を少しづつ変えて同様の計算を行えば、それぞれの重心
位置の場合に対応する（Ｄ　／Ｈ１，、、が求められる
。更に排水容積を変えて同様の計算を行って、排水容積
・重心位置・（Ｄ　／Ｈ）、、、等王者の関係を演算機
に記憶させて置けば、船上ではＶと重心位置の入力で直
ちに（Ｄ　／ＨＬ、、が得られるのである（勿論、ＤＰ
とＨｌの入力で、θを種々に変えてＤ／Ｈの演算を行う
事で（Ｄ　／ＨＬ、、を得る様にしてもよい）。

次に重心点での加速度であるが、前記の様に、加速度検
出装置の設置位置を重心点に合せる事は至難である。積
荷の増減毎に重心位置が移動する事を考えれば尚更であ
る。そこで次の様にして重心点での加速度を得る。

重心点を含む鉛直線上に間隔を置いて２基の検出機構　
Ｄ　、、Ｄ　、を設置する（鉛直線上でなくても高低差
が判然していればよい）。此の位置関係を第５図の様に
示し、Ｄ　、、Ｄ　、、Ｇ　　を通る平行線を弓き、Ｄ
　、、Ｄ　、を頭とする線分の長さをそれぞれでの加速
度検出値　α１σ、に比例してとってその端末を結ぶ。

Ｇを通る平行線が切られて残る線分がＧ点での加速度α
。を表す。この関係は相似関係から簡単に演算式が立て
られるのでα０、α、を入力として演算機により容易に
α。が求められる。

以上で何時でも（３）式の演算が行える訳だが、実際の
場では安全性をより確実にする為に安全率を考慮に入れ
るのが望ましい。同式でｇは一定と見てよいから、これ
を含めて安全率をｋとすれば、同式は α＞　ｋ　（Ｄ／Ｈ）、、、　　　　　　　　　　　　
（７）となる。

以上の演算装置の機能構成の１例を第８図にブロックダ
イヤグラムで示す。説明は上記で自明だから省略する。

なは、以上の間に於いて、各入力の単位は同一歩調を取
る様整合されねばならないのは勿論である。また、演算
機は対応機能を適宜分割或は集約してよいし、各式を等
価で変換（例えば移項するなど）して、これに合せて演
算機の内容や組合わせを変えてもよい。

安全措置は減速、旋回の弱化（旋回半径を大きくする）
等を自動的に行わせたり、安全機構を働かせたり、警報
を発したりなどがある。

安全機構の１例として第６・７図にスタビライザーによ
る例を示す。

船底にキールに沿って孔を明け、その周りを水線より高
い壁で囲み（前記の水位検出機構と兼用にしてもよい）
、中に板状のスタビライザーを適宜な方法で支持して置
き（例えば磁力・楔・チェノ等で）、（４）式が成立っ
た瞬間に支持を断ってスタビライザーを落下又は降下さ
せるのである。

ハ０発明の効果 以上に例示した様に、本発明によれば、従来は操縦者の
勘のみが頼りであった横転事故防止が自動的になされる
訳で、事故による損失を未然に防げるばかりでなく、操
縦者の疲労を軽減出来、それがまた事故防止効果を高め
るなど、社会生活上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は直立状態に於ける船の、重心点を含む横垂直断
面図。細部を省略して示す。第２図は同上から傾いた状
態を示す図。第３図は船の外殻のみで成る縮尺模型に水
を入れて傾けた状態を示す図。釣合条件から浮心・重心
の位置を求める為の実験の説明図。重心点を含む横垂直
断面図。第４図は同模型を水に浮かべて傾けた状態を示
す図。 釣合条件から浮心の位置（垂直方向）を求める実験の説
明図。第５図は重心点での加速度算出法の説明図。第６
図は安全機構（水位検出機構兼用）の１例を示す第７図
Ｂ−Ｂ矢視の横垂直断面図。 船底の孔を明示する為断面部のみを示す。第７図は同上
の第６図Ａ−Ａ矢視の図。第８図は本発明の機能構成の
１例を示すブロックダイヤグラム。 １：船体。２二船底に設けた孔。３：孔を囲む壁。４ニ
スタビライザー。５：水位検出機構。Ｉｆ、　１２．　
１３゜１４、１５．１６．１７．１８．１９．２０．２
１はそれぞれ演算機。３１．３２．３３．３４．３５．
３６はそれぞれ検出機構。３７は設定機構。４１は安全
機構。Ｇ：重心。Ｃ：浮心。Ｍ：重心。Ｄ、、Ｄ、はそ
れぞれ加速度検出機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）船体の水線面下に孔をあけ、その周囲を水線面より
   高い壁で囲み、内部の水位を適宜な検出機構によって検
   出し、この検出値と船形から排水容積を求める事を特徴
   とする船舶の排水容積算出方式。 ２）船舶が、旋回によって生ずる遠心力又は横波・横風
   等側方から働く力によって傾く時、演算機により、これ
   らの力によって生ずる重心点に於ける加速度αを算出し
   、傾斜角検出値θと排水容積算出値Ｖとから得られる浮
   心の位置と、別に求めた重心位置とから、両者の間の距
   離の水平方向成分Ｄ、鉛直方向成分Ｈを得て、これらと
   、重力加速度ｇを含めて適宜に定めた安全率ｋとの間で
   α＞ｋ（Ｄ／Ｈ）＿ｍ＿ａ＿ｘ 又はこれと等価な算式が成立する場合には直ちに安全装
   置が働く様にした事を特徴とする横転防止装置。