航海概论教学课件

航海概论教学课件第一章航海基础与帆船原理航海的起源与发展人类的航海史可追溯至公元前年，古埃及人使用芦苇船在尼罗河上航行随后腓尼基人、500001希腊人和罗马人将航海技术推向新高度，开辟了地中海贸易路线原始航海中国古代的航海技术同样发达，郑和下西洋展示了强大的造船与导航能力世纪的大航海15-16独木舟和筏时代，麦哲伦、哥伦布等探险家的壮举彻底改变了世界格局现代航运业的发展始于蒸汽动力的应用，而集装箱运输的革命则使全球贸易迅速扩张，航海业02成为推动全球化的关键力量帆船时代风力驱动03蒸汽时代机械动力现代航运帆船的动力来源揭秘风力直接推动白努利效应逆风航行风力直接作用于帆面，产生前进动力风从当风从侧面或前方吹来时，帆面形成类似飞帆船无法直接逆风航行，但可采用之字形帆的背面吹来时（顺风航行），风压直接推机机翼的曲面，使气流在帆的两侧形成流速航线，通过调整帆的角度，利用白努利效应动帆船前进，原理类似于人被风推动前行差，进而产生压力差，帆船借此获得前进动获得前进动力，通常可以实现与风向左45°力右角度的航行帆船的推进原理结合了流体力学与向量分解原理，通过精确控制帆面角度，可以在各种风向条件下获得最佳航行效果帆船逆风航行原理图中可见，当风向与帆船行进方向形成锐角时，帆面受风产生的合力可分解为前进分力和侧向分力前进分力推动帆船前行，而侧向分力则被龙骨抵消通过调整帆面角度和龙骨深度，帆船可以实现大约的逆风航行角度45°采用之字形航线（抢风航行）时，帆船交替改变航向，虽然路程增加，但可以最终到达上风处的目的地这一技术是航海历史上的重大突破，使帆船摆脱了对顺风的完全依赖白努利效应与帆船迎角白努利效应原理迎角控制的重要性根据白努利方程，流体速度越快，压力越小当风吹过帆面时，帆的凸面一侧气流速度更快，产生低压区；而帆的凹面一侧气流速度迎角是指帆面与风向之间的夹角过小的迎角会使白努利效应不明显；过大的迎角会导致气流分离，产生湍流，失去推动力较慢，形成高压区这种压力差产生的力推动帆船前进优秀的航海者能够根据风力大小、风向变化和帆船速度实时调整帆的迎角，通常保持在15°-25°之间，以获得最大的推进力这一原理与飞机机翼类似，只是帆船的机翼是垂直设置的，且可以根据风向调整角度帆船的静力平衡与压舱静力平衡的关键因素不同航向的平衡调整帆船航行时，风力除了产生推进力，还会产生使帆船倾斜的横向力矩为保持船顺风航行体平衡，需要通过以下方式抵消这一力矩帆面垂直于船体，横向力矩较小，重心保持在船中线附近船员体重移动船员向上风舷移动，利用重力产生反向力矩•压舱物调整调整压舱物位置，改变船舶重心•帆面积调整风力过大时减少帆面积，降低倾覆力矩•侧风航行产生较大横向力矩，需船员移至上风舷，压舱物向上风侧调整逆风航行横向力矩最大，需最大程度移动重心，或减小帆面积精确的平衡控制不仅能提高航行速度，还能确保航行安全，防止船体过度倾斜或倾覆船体结构基础术语1船首与船尾船首（艏）是船舶的前端，通常设计成尖形以减小水阻；船尾（艉）是船舶的后端，通常安装舵和推进系统2龙骨与舵龙骨是船底中央延伸的部分，提供侧向稳定性并防止船体漂移；舵位于船尾，用于控制航向，是船舶转向的主要控制装置3桅杆与帆装桅杆是支撑帆的垂直杆件，主桅、前桅和后桅各有不同功能；帆装系统包括主帆、前帆和其他辅助帆，根据风况可调整组合船体设计直接影响航行性能，如细长船体速度快但稳定性差；宽船体稳定性好但速度较慢；形船底抗风浪能力强但增加了水阻V第二章船舶操纵与航线规划本章将探讨船舶操纵的基本原理与技术，以及航线规划的科学方法掌握这些知识对于安全、高效地驾驶船舶至关重要，同时也是航海人员必备的专业技能船舶操纵的基本理论牛顿运动定律在船舶中的应用可控力与不可控力船舶作为大质量物体，其运动完全遵循牛顿运动定律船舶操纵需平衡两类力量惯性定律船舶具有保持原运动状态的趋势，这就是为什么大型船舶需要很长的制动距离加速度定律船舶受力与质量成反比，大型船舶需要更大的推力才能达到相同的加速度作用力与反作用力螺旋桨推水后水的反作用力推动船舶前进可控力推进器力、舵力、侧推器力等人为控制的力不可控力船舶操纵设备介绍螺旋桨舵艏侧推器船舶的主要推进装置，通过旋转产生推力不控制船舶航向的主要装置，位于船尾螺旋桨后安装在船首的横向推进器，产生垂直于船轴线同类型包括固定螺距桨和可调螺距桨转向方利用水流对舵面的作用力产生转向力矩的推力特别适用于低速或停泊时的船首控时，双螺旋桨船可差速或反向运行，增强操纵舵角越大，转向效果越明显，但水阻也越大制，在港口操作和狭窄水域航行中尤为重要性能操纵技巧船舶操纵是技术与经验的结合船长需根据船舶特性、环境条件和航行需求，综合运用各种操纵设备例如，在强侧风条件下靠泊时，需同时使用主机、舵和侧推器进行精确控制船舶操纵原理舵效原理回转性能舵效是指舵对船舶航向的控制效果影船舶回转性能由以下参数描述响舵效的因素包括战术直径船舶转向时横向位•90°船速速度越高，舵效越好移的距离•舵面积面积越大，舵效越强回转直径船舶完成转向时形••360°成圆的直径舵角通常最大舵角为，超过•35°此角度水流分离，舵效反而下降前进距离从开始转舵到船首转向•时的纵向距离船舶吃水吃水越深，转向半径越90°•大转移距离从开始转舵到船首转向•时的横向距离90°大型船舶的回转直径通常为船长的倍，因此在狭窄水域操纵时需提前规划并留有3-5足够安全余量航线规划的重要性航线规划的双重目标国际规范要求良好的航线规划应同时满足安全性与效率两大目标（国际海事组织）和（国际海上人命安全IMO SOLAS公约）对航线规划有明确规定安全性避开航行危险区域，如浅滩、礁石、沉船等；考虑天气因素，避开恶劣天气区域；满足交通分道通航制等规则要求所有船舶必须在航行前完成航线规划•效率选择最短或耗时最少的航线；考虑燃油经济性，利用有利洋流；优化到港时计划必须覆盖泊位至泊位的全程航行•间，降低港口等待成本航线必须考虑所有已知的航行风险•规划过程和结果必须有书面记录这两个目标有时会相互冲突，需要航海人员根据实际情况进行权衡与取舍•计划必须得到船长批准•不完善的航线规划是许多海难事故的根本原因，因此航线规划被视为航海安全的首要保障航线规划四大步骤计划制定情况评估根据评估结果制定详细航线收集并分析所有与航行相关的信息在海图上标绘航线•船舶性能和状态评估•确定航路点和转向点•海图和航行通告研究•计算航程、航向和预计时间•气象和海况预报分析•标注危险区域和安全水深•港口信息和潮汐数据收集•监控与调整计划执行持续监控航行进程实施已批准的航行计划定期确认船位和航向•向全体驾驶人员详细说明•监测天气变化和交通状况•准备导航设备和系统•评估计划执行情况•建立值班制度和应急程序•必要时调整航线计划•准备船舶系统和设备•案例从青岛港前往上海港的航线规划需考虑黄海交通密集区域、潮汐窗口期、渔业活动区域及恶劣天气可能性，综合这些因素确定最佳航线和时间航线规划中的关键因素船舶状态货物特性气象海况•船舶尺寸和吃水限制•危险品运输特殊要求•季风和风暴路径预测•操纵性能和转向能力•货物稳定性考量•海流和洋流利用•推进系统状态和燃油效率•温度敏感货物的航线选择•波浪高度和周期分析•导航设备可靠性•交付时间要求•能见度和冰况考量环境条件风、洋流、能见度和冰况航行限制航路深度、吃水和通航通道船舶技术参数尺寸、吃水、操纵与推进状态商业要求货期、货物特性与经济航速第三章船舶稳定性与海洋环境本章将深入探讨船舶浮力与稳定性原理，以及海洋环境对航行的影响理解这些知识对于确保船舶在各种海况下的安全至关重要，也是航海人员必备的专业素养船舶浮力与阿基米德原理阿基米德原理应用浮力与载重的平衡阿基米德原理指出，浸在流体中的物体所受到的浮力等于它排开的流体重量在船舶中的具体应用其中，为浮力，为水密度，为重力加速度，为排水体积FBρg V船舶的浮力等于排开水的重量，即等于船体浸水部分体积乘以水•的密度在海水与淡水中航行时，由于密度不同，船舶的吃水深度会有所变化海水密度约为，淡水密度为因此，同一当船舶处于平衡状态时，浮力大小等于船舶总重量

1.025g/cm³

1.000g/cm³•船舶在淡水中吃水会增加约

2.5%船舶的排水量表示船体排开水的体积或重量•轻排水量指船体空载时的重量，重排水量指满载时的重量二者之差为船舶的载重量1海水密度2淡水密度3平均吃水差异船舶稳定性的定义与表现稳定性的基本概念恢复力矩计算船舶稳定性是指船舶受到外力倾斜后恢复到原平衡状态的能力稳定性主要由以下因素决定重心G船舶及其载荷的重心位置其中，M恢复为恢复力矩，Δ为排水量，GZ为恢复力臂浮心B船体排水体积的几何中心元稳心M决定船舶稳定性的关键点恢复力臂GZ随倾斜角度增加先增大后减小，最大值通常出现在30°-40°倾斜角度正确装载货物对维持适当的稳定性至关重要重货应放置在低处，轻货放在高处；避免甲板上堆放过多货物；液体货物应避免自由液面稳定性可分为三种状态效应正稳性G点位于M点下方，船舶有返回直立状态的趋势中性稳定G点与M点重合，船舶保持在任何倾斜状态负稳性G点位于M点上方，船舶倾覆趋势增强船舶稳定性原理上图展示了船舶稳定性的核心概念当船舶倾斜时，浮心会向倾斜方向移动，形成B一个新的浮心此时，船舶重力作用线（通过重心）与浮力作用线（通过浮心B G）不再重合，产生一个力偶，即恢复力矩B恢复力矩的大小由排水量和恢复力臂决定恢复力臂又取决于元稳心高度GZ GZGM和倾斜角度当倾斜角度较小时，因此，值越大，船舶的初φGZ≈GM·sinφGM稳性越好然而，过大的值会导致船舶摇晃过快，使乘客不适；而过小的值则会使船舶GM GM反应迟缓，容易造成危险船舶设计和装载时需要平衡这些因素船体结构与舱室设计水密舱壁系统货物装载与稳定性现代船舶通过水密舱壁系统提高安全性合理的货物装载对稳定性至关重要横向水密舱壁将船体分为多个独立舱室•重量分布纵向舱壁提供额外隔离，特别是在油轮和散货船中•双层底舱设计增强抗破损能力重心过高会降低稳定性；重心过低会导致过快摇晃•根据规定，客船需要能在任何两个相邻舱室进水的情况下保持浮力SOLAS和稳定性这一两舱标准是泰坦尼克号事故后制定的重要安全标准自由液面效应部分装载的液体货舱会产生自由液面效应，严重降低稳定性货物移动散装货物可能在航行中移动，称为货物走动，危及船舶安全船舶设计师需平衡结构强度、舱室布置与航行效率现代船舶通常采用计算机辅助设计，结合有限元分析技术，优化船体结构，确保足够的安全冗余海洋环流基础知识海流的定义与分类海流的驱动力海流是海洋中大规模、持续性的水平运海洋环流由多种力量共同驱动动，根据成因可分为风应力大气环流对海面的摩擦力，是风生流由风应力驱动的海流，如赤道表层环流的主要驱动力洋流密度梯度由温度和盐度差异引起的压密度流由水体密度差异引起的海流，力差，驱动热盐环流如深层环流科氏力地球自转产生的偏转力，使北地转流受地球自转影响形成的海流，半球洋流向右偏转，南半球向左偏转如墨西哥湾流地形导向海底地形和大陆边界对洋流根据温度特性又可分为暖流（如黑潮）的引导作用和冷流（如秘鲁寒流）理解海洋环流对航海具有重要意义合理利用洋流可节省燃料，缩短航程；避开强洋流区可减少船舶偏航；洋流与气象系统密切相关，影响天气预报准确性科氏力与海水运动科氏力的产生机制埃克曼输送与上升流科氏力（Coriolis Force）是一种由地球自转引起的视在力，不是真实的力，而是观察者处于旋转参考系中的感受科氏力导致海水运动方向与风向产生偏角，形成埃克曼螺旋科氏力大小与以下因素有关•北半球表层水向风向右偏45°•物体运动速度速度越大，科氏力越大•南半球表层水向风向左偏45°•纬度在赤道处为零，在极点处最大•深度增加，偏角增大，速度减小•地球自转角速度固定值

7.29×10-5rad/s埃克曼输送导致沿岸上升流现象•北半球风向平行岸线，岸在左侧时产生上升流•南半球风向平行岸线，岸在右侧时产生上升流其中，Fc为科氏力，m为质量，Ω为地球角速度，v为物体速度，φ为纬度上升流区域通常富含营养物质，是重要渔场极区影响北极附近偏转南极附近偏转科氏力作用海洋气象对航行的影响风波浪潮汐风对船舶的影响包括波浪对船舶的影响包括潮汐对航行的影响包括风压力导致船舶漂移，称为风压差船舶在波浪中产生六自由度运动影响港口和浅水区的可通航性•••强风增加船舶阻力，降低航速颠簸、横摇和纵摇影响舒适度和安全性潮流改变船舶实际航向和航速•••阵风和突变风可能导致船舶摇晃，影响稳定波浪对船体的冲击可能导致结构损伤潮汐窗口决定大型船舶进出港时间•••性大浪可能导致船舶失速或追浪现象潮差大的区域需要特别注意系泊安排••风向变化需要调整航向和帆装•气象航线与安全管理气象航线是根据气象预报优化航线，以提高安全性和效率现代船舶可利用以下技术降低气象风险气象路由服务（）提供的专业航线建议•Weather RoutingService船载气象接收系统实时获取天气图和预警信息•气象导航软件模拟不同航线的天气条件和船舶性能•卫星通信系统接收全球气象数据和热带气旋警报•船舶安全航行要点船舶设备检查与维护船员培训与应急准备定期检查和维护是确保航行安全的基础人为因素是海上事故的主要原因，提高船员素质至关重要推进系统主机、辅机、轴系和螺旋桨的定期检查01导航设备雷达、GPS、电子海图系统的校准与测试资质认证通信设备无线电、GMDSS系统的功能测试按STCW公约要求获取适任证书救生设备救生艇、救生圈、消防设备的完好性检查维护工作应按照制造商建议和国际海事组织规定进行，并保持详细记录02专业培训针对特定船型和设备的专业训练03应急演练定期进行消防、弃船、人员落水等演习04安全文化建立并强化船上安全文化和意识安全管理体系SMS根据国际安全管理规则ISM Code，每艘船舶都必须建立并实施安全管理体系，包括安全政策、责任划分、程序文件、应急计划、内部审核等内容有效的SMS是预防事故和减少人为错误的关键航海现代技术应用电子海图显示系统船舶自动识别系统集成桥楼系统ECDIS AISIBS整合了电子海图、定位和信通过频道自动广播和接收船舶信息，将导航、推进控制、通信等系统集成到统ECDIS GPSAIS AISVHF IBS息，显示船舶实时位置和周围环境系统可自包括身份、位置、航向、航速等系统有助于一界面，减少船员工作负荷，提高操作效率动规划航线、检测危险区域、记录航行数据避免碰撞，提高交通管理效率，并协助搜救行高级系统具备航线跟踪、动态定位等功能，并自年起，规定所有国际航行船舶动所有总吨以上的国际航行船舶必须配提供决策支持这种一体化设计代表了现代船2018SOLAS300必须配备备舶控制的发展方向ECDIS AIS这些现代技术极大提高了航行安全性和效率，但也对船员提出了更高的技术要求航海教育必须跟上技术发展，培养既懂传统航海技能又精通现代设备的复合型人才现代船桥系统图中展示的是典型的现代船舶综合导航系统，集成了多种电子设备中央屏幕显示电子海图，实时标注船位和周围船舶；左侧为雷达显示器，用于探测周围物ECDIS标；右侧为航行参数显示器，提供航速、航向、风速等信息现代船桥采用人机工程学设计，确保驾驶员在各种条件下都能高效操作夜间模式采用特殊颜色方案，减少对夜视的影响；警报系统按优先级分类，避免信息过载；备用系统确保关键设备故障时仍能维持基本导航功能尽管技术先进，良好的瞭望和传统航海技能仍然是安全航行的基础电子设备故障、网络攻击或信号干扰等情况下，船员必须能够使用传统方法导航GPS航海案例分析成功与事故教训埃克森瓦尔迪兹号石油泄漏事故歌诗达协和号搁浅事故·年月，埃克森瓦尔迪兹号油轮在阿拉斯加搁浅，造成大规模石年月，歌诗达协和号邮轮在意大利海岸搁浅并倾覆19893·20121油泄漏直接原因船长擅自改变航线，过于靠近海岸•直接原因驾驶员疲劳和操作失误，船舶偏离航道•深层原因指挥链断裂，应急程序执行不力•深层原因船员配备不足，疲劳管理不当，安全文化缺失•影响人死亡，船舶全损，环境污染•32影响百万加仑原油泄漏，污染英里海岸线•111300教训强化船长责任，完善应急管理，提高客船安全标准•教训加强船员值班管理，完善疲劳控制措施，建立双船壳设计•标准航行计划偏差控制驾驶台资源管理安全文化建设严格遵循已批准的航线计划，任何偏离必推广将安全置于效率和便利之上，建立正面的BRMBridge Resource须经过正式评估和批准程序建立明确的理念，鼓励团队合作和开安全报告文化鼓励未遂事件报告，从Management航线偏差管理流程，确保安全余量放沟通消除权力梯度，确保每位船员都小错误中学习，防止大事故发生能提出安全顾虑环境保护与可持续航海船舶排放控制绿色航运技术国际海事组织制定了严格的排放标准IMO替代燃料硫排放限制自年起，全球船用燃油硫含量上限降至；在排放控制区内限制更严

20200.5%ECA、甲醇、氢燃料电池等清洁能源应用LNG格，为

0.1%氮氧化物控制根据附则，新建船舶必须符合第三阶段氮氧化物排放标准MARPOL VITier III电气化温室气体减排目标到年将航运业温室气体排放量较年水平减少IMO2050200850%岸电技术、混合动力和全电推进系统风能辅助旋筒帆、风帆辅助和风力能量回收船舶压载水管理压载水管理公约于年生效，要求所有国际航行船舶BWM Convention2017安装经认可的压载水处理系统，防止生物入侵•制定压载水管理计划，详细记录压载水操作•定期对处理系统进行检查和维护•这些环保措施虽然增加了船舶运营成本，但对保护海洋环境和实现航运业可持续发展至关重要未来航海趋势展望自动化与远程控制（近期）1船舶自动化程度不断提高，部分操作实现远程控制高级自动导航系统能够在复杂环境中自主决策，减少人为干预岸基控制中心可远程监控和指导多艘船舶航行2半自主航行（中期）船舶配备高级传感器和人工智能系统，能够在大部分情况下自主航行，仅在复杂场景需人工干预船员数量减少，职责转向系统监督和紧急情况处理完全自主船舶（远期）3沿海和内河航线率先实现常态化半自主航行无人船舶在特定航线实现常态化运营，依靠人工智能、机器学习和先进传感器系统完成全部航行任务国际法律框架完善，明确自主船舶的责任归属和安全标准岸基控制中心成为航运业新的就业增长点绿色技术与新材料未来船舶将采用更多环保技术和创新材料动力系统船体设计智能系统氢燃料电池推进仿生学设计预测性维护•••全电动船舶打印部件实时优化航线••3D•太阳能辅助系统自修复复合材料增强现实导航•••结语航海的艺术与科学航海不仅是一门科学，更是一门艺术它需要扎实的理论知识，更需要对自然的理解与尊重从古代航海家依靠星象导航，到现代船长操作先进电子设备，航海精神始终未变谨慎、勇敢、责任和对海洋的敬畏当代航海人员面临着技术变革与传统技能传承的双重任务在拥抱新技术的同时，不应忘记航海的基本原则和传统智慧无论技术如何发展，安全永远是航海的首要考虑希望各位学员通过本课程，不仅掌握航海知识和技能，更能培养航海人特有的品质冷静应对挑战，团队协作解决问题，尊重自然规律，热爱航海事业愿你们成为新时代优秀的航海人，在蔚蓝的海洋中创造自己的传奇。