서울대학교 조선해양공학과

배가 뜨는 원리

배는 부력에 의해서 떠 있게 됩니다.
이런 부력은 고대 그리스 학자 아르키메데스에 의해 발견되었는데, 다음과 같은 일화가 전해져 내려오고 있습니다.

"은은 금보다 무게가 가볍기 때문에 예를 들어 똑같이 1Kg의 무게가 나가도록 하려면 금보다 은이 더 많은 양(부피)이 필요하다. 왕관과 같은 무게의 순금 덩어리를 준비하여 물 그릇에 담아서 넘쳐나는 물의 양을 비교하면 두 개의 부피가 같은지 혹은 다른지를 알 수 있는 것이다."

아주 먼 옛날 그리스의 왕 헤론은 순금으로 된 왕관을 만들게 하였고, 황금 왕관을 자랑스럽게 생각하고 있었습니다. 그런데, 얼마 후 그 왕관은 순금이 아니라는 소문이 돌았고 왕은 몹시 화를 냈습니다. 그래서 당시 유명한 수학자이자 물리학자인 아르키메데스를 불러 왕관이 순금인지 아닌지, 그리고 만약 불순물이 섞여 있다면 순금의 양은 얼마인지 알아내라고 하였습니다.

왕에게 약속한 날짜는 다가왔지만, 아르키메데스는 아무리 머리를 짜내도 좋은 생각을 떠올릴 수가 없었습니다. 아르키메데스는 머리를 식힐 겸해서 공중목욕탕에 갔습니다. 아르키메데스가 욕조 안에서 몸을 담그자 더운 물이 넘쳐 흘렀습니다. 순간, 아르키메데스는 "바로 이거야!(유레카~!)" 하고 벌거벗은 채로 목욕탕에서 뛰어나와 집까지 달려갔습니다. 벌거벗고 달리는 아르키메데스를 본 사람들은 아르키메데스가 미쳤다고 생각을 했지요.

다음날, 아르키메데스는 왕에게 왕관과 같은 무게의 순금덩어리를 만들어 달라고 했습니다. 그리고 왕관과 순금덩어리를 번갈아 물속에 넣어 보았습니다. 그런데, 넘친 물의 양은 같지 않았고 결국 왕관은 순금이 아니라는 것을 밝혀 냈습니다. 만약 왕관이 순금으로만 만들어졌다면 넘친 물의 양이 같았겠지요. 더군다나 아르키메데스는 왕관에 들어가 있는 순금의 양까지도 정확히 계산을 해냈습니다.

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아르키메데스가 발견한 것은 '물체를 물 속에 넣으면 그 물체와 같은 부피의 물의 무게만큼 가벼워진다'라는 부력의 원리였습니다. 이 부력의 원리를 '아르키메데스의 원리'라고도 합니다.

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이 원리는 배가 물에 뜨는 것에도 그대로 적용됩니다. 이 때 부력의 크기는 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같으며 물체가 잠긴 부분의 중심, 즉 부심(Center of buoyancy)을 통하여 중력과 반대 방향으로 작용하게 됩니다. 만약 물체의 무게가 같은 부피의 물 무게보다 작다면 그 물체는 가라앉지 않는데, 이는 부력이 물체의 무게보다 크기 때문입니다. 이 원리를 이용하여 배가 밀어내는 물의 무게-배가 가라앉은 부분의 물의 무게-보다 배의 무게를 더 가볍게 만들면 배는 물에 뜰 수 있게 되는 것입니다.

배가 밀어낸 해수의 무게를 그 배의 배수량이라고 하며, 그 부피를 배수 용적이라고 합니다. 부력 이외에 배 밑바닥의 경사진 면이 물 위를 미끄러질 때 양력을 받아 물에 뜨는 활주형 선박(planning boat)과 비행기가 양력을 받아 하늘을 나는 것과 같은 이치로 수중 날개에 의해 양력을 받아 물에 뜨는 수중익선(hydrofoil boat) 그리고 선체 바닥에서 압축공기를 분사하여 무게를 지지하는 공기부양선(air cushion vehicle) 등이 있습니다. 이런 선박들은 모두 소형 고속정들로서 주로 군용이나 여객용, 관광, 경주용으로 사용되고 있습니다.

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배가 가는 원리

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배는 물에 뜰 수 있어야 하고(부양성), 화물을 실을 수 있어야 하고(적재성), 스스로의 힘에 의해 앞으로 나아갈 수 있어야 합니다(이동성). 이 세가지를 배의 3요소라 말합니다. 이중에서 배가 뜨는 것은 부력에 관련된 문제이고 배가 나아가는 힘에 대해서 알아봅시다.

초기의 배는 사람이 노를 젓는 것이었습니다. 하지만 인력선은 상당히 멀리 갈 수도 없었고 배의 속도도 빠르지 못하였기 때문에 돛을 달아 바람의 힘을 이용하게 되었습니다. 바람의 힘을 이용하면서 인간은 먼 거리도 어렵지 않게 이동할 수 있게 됩니다. 이집트에서는 수천 년 전에 이미 수십 개의 노와 큰 돛을 설치한 배가 출현하였고 로마, 페니키아, 그리스 등에서도 기원전에 노와 돛을 장치한 큰 배를 만들어 사용하게 되었습니다. 돛단배의 이용은 수천 년간 이어져 중세에는 대양을 항해하는 목조 범선이 출현하기에 이르렀습니다. 돛단배라면 지금은 작은 배에 속하나 19세기까지만 해도 가장 큰 배 중에 하나였습니다.
이와 같은 목조 범선은 19세기 철제 기선이 출현할 때까지 세계의 바다를 누비는 전성시대를 이루었습니다. 하지만 범선은 바람이 없는 무풍해역이나 바람이 심한 지역은 항해를 할 수 없었고, 특히 무풍 해역에 들어서면 그 배는 며칠이고 몇 달이고 바다 한가운데 머물러야 했고 식량이 떨어져 선원들은 모두 굶어 죽고 선박만 돌아다니는 유령선도 생겨나곤 하였습니다.

철 구조의 배와 증기기관을 장착한 배는 19세기 초 거의 동시에 출현하였습니다. 1807년 로버트 풀턴은 증기기관과 외륜수차(paddle wheel)를 장치한 Clement호를 뉴욕의 허드슨 강에서 운항하는 데 성공하였고, 최초의 철선은 1818년 영국에서 건조된 Vulcan호 입니다. 증기기관의 출현은 바람에만 의존하던 해상활동에 종막을 고하게 되었습니다.

초기의 기선은 모두 증기기관으로서 연료로는 석탄을 사용하였고 추진방식은 선체 좌우에 외륜수차를 설치하는 방식이었습니다. 외륜수차는 물레방아와 같이 증기기관의 힘으로 수차가 회전하면서 물을 밀어내는 힘으로 배를 움직이는데 수차의 회전방향을 바꾸면 배의 전,후진이 가능하였습니다. 외륜수차의 효율은 비교적 좋은 편이지만 파도가 있는 곳에서는 사용이 곤란하며 손상되기 쉬운 문제가 있었습니다. 그리고 항구에서 연료를 쉽게 얻어 싣기가 힘들고 무엇보다 증기기관은 무겁고 화재와 폭발의 위험이 있었기 때문에 그다지 많이 사용되지는 못하였습니다.

1836년 나선형의 스크루 프로펠러(screw propeller)가 발명되었습니다. 3-5개의 날개를 가진 프로펠러가 회전하면 프로펠러 날개의 나선 면이 물을 밀어내고 그 반동으로 생긴 추력을 받아 배가 전진하는 원리입니다. 이것은 20세기에 들어와 거의 모든 선박에 보급되었고 한 선박에 프로펠러를 2개, 3개, 4개를 설치하는 경우도 있습니다. 1884년에는 증기터빈, 1894년에는 액체연료를 사용하는 디젤기관이 발명되었고 이러한 고출력 엔진과 프로펠러의 사용에 따라 선박의 크기와 속도도 점차 고속 대형화 되었습니다. 근래에는 원자력기관을 사용하는 선박도 출현하고 있습니다.

현재는 디젤기관과 스크루 프로펠러를 사용하는 선박이 주종을 이루고 있지만 엔진에서 추진축 그리고 프로펠러로 이어지는 재래식의 추진방식이 아닌 새로운 개념의 추진방식도 사용되고 있습니다. 공기부양선이나 경주용 모터보트에 많이 사용되는 워터제트 추진방식이나 초대형 여객선에서 볼 수 있는 중간 동력전달축이 필요 없는 전기구동 방식이 그것입니다.

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배가 가는 원리 2

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이제 선박이 어떻게 앞으로 나아가고, 정지하고, 방향을 조절하는 지 알아봅시다.
디젤기관과 같은 동력추진 장치를 갖춘 선박이라면 압축공기를 엔진 내의 실린더에 직접 공급해 시동을 걸게 됩니다. 선박도 자동차와 마찬가지로 변속기어가 있어 전진할 수도 있고 후진할 수도 있으나 추진축계의 규모가 매우 크기 때문에 변속기어를 통해 전진, 후진을 바꾸는 것은 매우 비효율적입니다. 따라서 변속기어를 장치하는 것은 소형 선박에서만 통용되고 있습니다.
스크루 프로펠러의 도입은 선박의 추진방식에 있어서 대단한 변화를 가져왔습니다. 프로펠러 추진방식은 경사진 날개가 회전하면서 물을 배 뒤로 밀어내 그 반작용으로 추진력을 얻는 것입니다. 프로펠러가 빨리 돌수록 많은 양의 물을 배 뒤로 밀어낼 수 있어서 추진력도 강하게 됩니다. 프로펠러의 회전방향을 전진 방향과 반대로 하면 후진이 됩니다. 평상시에 시계방향으로 돌아가는 프로펠러를 뒤로 갈 때는 시계 반대방향으로 돌리면 후진이 되는 것입니다. 그러나 엔진이 작동 중에는 반대방향으로 돌릴 수 없기 때문에 먼저 엔진을 정지시킨 뒤 역회전을 시켜 프로펠러의 회전방향을 반대로 해야 합니다.

짧은 시간 동안에 엔진을 역회전 시키는 일은 엔진에 상당한 무리가 갈 수 있으며 특히 엄청난 크기의 선박을 뒤로 움직이게 하는 것은 아주 비효율적인 일입니다. 선박은 자동차와 달리 매우 큰 덩치를 움직여야 하기 때문에 주로 대형 저속엔진을 사용하게 되고 이런 대형 저속엔진에서 순간적으로 속도를 낮추거나 높이는 것은 엔진에 치명적인 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 큰 선박들이 부두에 접안할 때는 예인선이 앞뒤에서 끌고 당기면서 접안시킵니다. 예인선이 없다면 부두와 상당한 거리를 두고 엔진을 끈 상태에서 달리던 추력만으로 서서히 부두에 접안합니다. 선박이 후진기어를 넣고 프로펠러를 반대방향으로 돌리면서 후진하려는 것은 엔진에 무리를 주더라도 충돌을 피하려는 긴급한 상화에서만 시도될 뿐입니다.

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선박은 엔진의 회전수를 조절하는 것으로 속도를 조절합니다. 자동차의 가속페달과 같은 역할을 하는 연료유 가감핸들을 조정해 엔진의 회전속도를 조절하게 되는데, 속도를 높이려면 연료분사를 많이 하고 줄이기 위해서는 분사량을 줄이면 됩니다. 정상적으로 선박을 세우는 방법은 엔진을 정지시킨 뒤 유체의 저항으로 스스로 멈출 때까지 그대로 전진시키는 것입니다. 답답해 보이지만 이것이 현재는 가장 널리 사용되는 방법입니다. 큰 선박들이 전속력으로 움직이다가 엔진을 정지시킨 후 멈출 때까지의 정지거리는 보통 5~6Km에 달합니다. 이러한 제약이 넓고 넓은 바다에서 간혹 항해 사고를 일으키기도 합니다. 만약 마주 오는 배가 서로 1.8Km 이내에 접근하게 되면 이미 충돌은 피할 수 없는 상황이 옵니다.

비상시에 선박을 세우는 방법은 프로펠러를 역회전 시키는 것이 있습니다. 이 방법은 엔진에 큰 무리가 따르기 때문에 선장의 정확한 상황판단에 따라서 결정할 문제입니다. 최근에는 가변피치 프로펠러(controllable pitch propeller)라 하여 엔진이 정상적으로 회전하는 중에도 프로펠러의 날개각도를 앞뒤로 조절하여 전진, 후진과 정지를 마음대로 선택할 수 있는 장치도 보급되고 있습니다. 고가이긴 하지만 프로펠러 날개의 각도를 마음대로 조절할 수 있어서 엔진을 역전시키지 않고도 최대속력으로 전진하다가 후진할 수 있는 장점이 있습니다.

선박의 방향은 선미의 키(舵,rudder)를 가지고 조종합니다. 모터보트나 요트 정도의 선박은 사람이 키 손잡이(tiller)나 조타륜(steering wheel)을 직접 잡고 움직일 수 있겠지만 배가 조금만 커져도 사람의 힘으로 키를 조정할 수 없습니다. 따라서 전기제어식 혹은 전동유압장치를 이용하여 원격으로 키를 조종할 수 있게 합니다. 이와 함께 선수부에 작은 프로펠러(thruster라 한다)를 옆으로 장치하여 선박의 좌우이동을 손쉽게 하는 경우도 있습니다.

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조선소

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조선소는 선박을 새로 건조하고 수리하는 공장입니다. 조선소는 수심이 비교적 깊은 해안가에 주로 건설되며 만들어진 선박을 진수하기에 적합한 장소이어야 합니다. 조선소를 건설하기에 적합한 곳이란 철판을 포함한 주요 기자재의 입수가 편하고 선박이 집결하는 큰 항구 근처로서 부근에 조선관련 산업체가 발달된 곳이어야 합니다. 그리고 간만의 차가 적고 조류가 심하지 않으며 무엇보다도 선박의 건조에 지장이 없을 정도로 부지가 넓고 지반이 단단한 곳이어야 하고, 또한 동력과 용수공급이 풍부하고 노동력 확보가 원활한 곳이기도 합니다. 우리나라에서 이런 조건을 만족하는 곳은 부산을 중심으로 주로 동남부 해안으로서 여기에 대형 조선소들이 자리잡고 있습니다.

조선공업은 많은 관련 산업을 기반으로 하기 때문에 조선소에는 선박을 조립하는 데 꼭 필요한 선각공장이나 의장공장뿐 아니라 엔진, 보일러, 터빈, 프로펠러 제작 등에 필요한 많은 계열공장을 갖추어야 했습니다. 실제로 역사가 오래된 조선소는 공업수준이 낮은 시대에 건설되었기 때문에 많은 계열공장을 조선소 내에 함께 가지고 있지만, 운반수단이 발달하고 공업수준이 높아진 요즈음은 대부분의 조선소에서 기본적인 조립공정을 수행할 선각공장과 의장공장을 위주로 설비를 갖추고 많은 작업을 외부에 주문하여 작업을 수행하는 체계를 갖추고 있습니다. 선박건조에 필요한 상세한 도면 등 모든 기술적인 준비는 설계실과 기술연구소에서 마련하고 있습니다. 조선소에서 선박이 건조되는 순서는 먼저 제철소에서 철판이 강재적치장으로 들어와 가공된 후, 소조립, 대조립 과정을 거쳐 선대나 도크(dock)에서 최종 탑재되는 순서를 거치게 되는데 조선소의 공장설비도 이 순서에 맞추어 설치되는 것이 당연한데, 이러한 기자재와 작업의 흐름이 중간에 끊기거나 한 군데서 적체되지 않고 물 흐르듯 진행되는 것이 근대 조선소의 효율과 생산성을 결정하는 중요한 요소가 되고 있습니다.

조선소의 공장설비는 다음과 같은 것이 있습니다. 우선 선박이 최종적으로 만들어지는 선대와 드라이도크 시설을 중심으로 선각공장, 기계공장, 의장공장 및 야외 조립장 등이 배치되어 있습니다.

선대(船臺)는 선체 블록을 쌓아 올려 중량이 수천~수만 톤에 이르는 선체를 최종적으로 조립하는 장소로 선대의 크기에 의해 건조선박의 최대 길이나 폭이 결정되므로 선대는 조선소의 선박건조능력을 정하는 기준이 됩니다. 과거에는 육상에 설치된 경사진 선대에서 완성된 배를 해안으로 밀어서 진수시키는 방법을 많이 썼으나 근래에는 선박이 대형화되고 경사진 선대보다는 평평한 곳에서의 작업을 선호하는 추세에 따라 수문을 설치해 건조 시에는 물을 뺀 상태에서 작업하고 진수 시에는 물을 들여보내 배를 띄우는 드라이도크(drydock) 시설을 설치하고 있습니다. 선대와 드라이도크는 말뚝으로 지반을 견고히 다진 후 콘크리트로 만들어지고 주위에는 중량물을 운반하기 위한 크레인들이 설치됩니다. 선대나 드라이도크 작업은 대부분 고공에서 이루어지므로 위험하고 작업효율도 많이 떨어지는데 크레인의 용량이 크면 많은 작업을 육상에서 끝낸 후 한꺼번에 무거운 블록을 들어올려 탑재가 가능하므로 생산성을 향상시킬 수 있습니다.
강재적치장(steel stock yard)에서는 해상으로부터 들어온 철판을 치수 별로 구분하고 부식방지를 위해 페인트로 도장을 한 후 가공공장으로 보내는 일을 합니다. 강재적치장에서는 5-20톤 정도의 크레인을 이용하고 가공공장으로 반입을 위해 콘베이어를 쓰기도 합니다.

가공공장은 강재적치장에서 들어온 철판을 조립장으로 보내기 전 작업을 하는 곳으로 철판과 형강재의 대부분이 여기서 가공됩니다. 여기서는 설계도면에 따라 직선 및 곡선 절단, 판굽힘 작업을 주로 하며 자동가스절단기, 컴퓨터를 이용한 NC제어절단기, 열가공굽힘기(flame planer) 등이 설치되어 있습니다.

조립장(fabrication shop)은 제 2차 세계대전 이후 용접기술이 진보함에 따라 생긴 것으로 가공공장에서 절단되어 나온 많은 부재들을 조립하는 작업을 하고 있습니다. 가공공장의 출구에는 바로 소조립 공장이 위치하는데 소조립이란 철판에 간단한 보강재(stiffener)나 브래킷(bracket) 등을 붙이는 작업으로서 조선소에서 가장 많은 자동화 용접이 이루어진 곳입니다. 반면 대조립 공장은 주로 야외에서 이루어지며 소조립을 통해 만들어진 10톤 이내의 블록을 모아 입체적인 대형 블록으로 만드는 곳입니다. 요즘에는 우천시에 관계없이 작업효율을 높이기 위하여 지붕으로 가려진 실내공장에서 대조립을 수행하는 경우도 많습니다. 대조립 공장을 통해서 만들어진 블록은 무게가 수십-수백 톤에 달하게 됩니다.
대조립에서 만들어진 대형 선체블럭은 선대나 드라이도크로 옮겨지고 여기서 대형 크레인이 동원되어 선체로 탑재됩니다. 선대나 드라이도크에 배치된 크레인의 용량은 50-100톤 규모의 지브크레인(jib crane)에서 800톤 규모의 거대한 골리앗크레인(goliath crane)까지 다양하며 선체블럭을 들고 도크 주변을 이동할 수도 있게 되어 있습니다.

선대나 드라이도크에서 완성된 선박은 진수식(launching ceremony)을 거쳐 물에 띄워져 마지막 의장공사를 위해 안벽에 계류시킨 상태로 의장작업을 수행합니다. 많은 의장작업은 앞서 대조립 과정에서 선체에 설치된 상태이므로 여기서는 빠진 부분만 작업하면 되므로 안벽에서의 의장에 드는 시간은 그다지 길지 않습니다. 의장작업을 통해 각종 기계, 계기, 조달품 등이 선박에 설치되고 최종적으로 시운전(sea trial)을 거쳐 선주에게 인도되면 선박의 건조작업이 모두 끝나게 됩니다.

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선박건조과정

선박의 건조과정에서는 선주가 지으려고 하는 선박이 조선소에 발주되어 설계부터 준공에 이르기 그리고 시운전을 거쳐 선주에게 인도되기까지의 과정을 소개하였습니다.

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1.선박 건조계약을 체결한다. 2.컴퓨터를 이용해 설계도면을 작성한다. 3.생산제품별로 강재를 적치한다. 4.선박건조를 위한 첫 강재절단을 한다.
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5.컴퓨터 프로그램에 의해 강재를 절단한다. 6.철판을 곡면가공한다. 7.선미 부분의 평면블록을 조립한다. 8.선수, 선미 부분의 곡면블록을 조립한다.
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9.특수운반차량으로 완성블록을 도크로 이동한다. 10.선체조립을 위한 기공식을 한다. 11.도크에서 선체를 조립한다. 12.선박의 주동력 장치인 엔진을 탑재한다.
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13.선체조립 작업이 완료된 모습. 14.선체외판을 도장한다. 15.프로펠러와 러더를 탑재한다. 16.진수.
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17.명명. 18.시운전/선주사에 인도.

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이 내용들은 다음 사이트들을 참고하였습니다.

부산해양박물관 삼성중공업

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