배의 전체 그림
길이 400 m, 무게 20만 톤이 넘는 강철 구조물이 바다에 떠서 하루 1,000 km를 나아가고, 폭풍 속에서도 부러지지 않고, 지구 반대편 항구에 몇 분 단위로 맞춰 들어간다. 세계 교역 물동량의 대부분이 이렇게 움직인다. 이 장에서는 책 전체를 미리 훑는 지도로서, 배가 해야 하는 일과 배의 종류, 배를 재는 치수와 부위의 이름, 배가 바다에서 움직이는 여섯 가지 방식, 그리고 해운이 쓰는 단위를 시뮬레이터로 만져 본다.
- 배가 해야 하는 다섯 가지 일(뜨기·서기·나아가기·방향 잡기·버티기)과 그것을 다루는 장을 연결한다.
- 주요 선종의 모양과 대표 제원을 비교하고, 화물이 선형을 어떻게 결정하는지 설명한다.
- LOA, Lpp, B, D, T, 건현, AP/FP, 중앙단면의 정의를 그림에서 짚을 수 있다.
- 선체 각부(화물창, 기관실, 이중 선저, 밸러스트 탱크, 선교, 프로펠러, 타, 선수 벌브)의 위치와 역할을 안다.
- 6자유도 운동(surge, sway, heave, roll, pitch, yaw)을 구별하고 복원력이 있는 운동을 고른다.
- 톤-km당 에너지와 CO₂로 해운의 효율을 비교하고, 노트·해리·배수량·재화중량·총톤수를 구별한다.
배가 하는 다섯 가지 일
자동차는 땅이 무게를 받쳐 주고, 비행기는 날개가 공기를 아래로 밀어 떠 있다. 배는 둘 다 아니다. 배는 자기 무게만큼의 물을 밀어내서 뜬다. 그 위에 화물과 사람을 싣고, 기울어져도 다시 일어서고, 물의 저항을 이기며 나아가고, 원하는 방향으로 돌고, 파도가 선체를 휘게 해도 부러지지 않아야 한다. 이 다섯 가지 일이 조선해양공학의 큰 갈래이고, 이 책의 장 순서도 이를 따른다.
다섯 가지 일은 서로 얽혀 있다. 화물을 더 실으면(뜨기) 흘수가 깊어져 저항이 커지고(나아가기), 무게중심이 올라가 복원성이 나빠질 수 있으며(서기), 선체에 걸리는 굽힘 모멘트도 달라진다(버티기). 폭을 넓히면 복원성은 좋아지지만 저항과 구조 중량이 늘고 운하와 항만에 못 들어갈 수 있다. 배를 설계한다는 것은 이 맞바꿈 사이에서 균형점을 찾는 일이다.
화물이 배의 모양을 정한다: 선종 갤러리
상선의 모양은 거의 전적으로 무엇을 싣느냐로 정해진다. 상자를 쌓는 컨테이너선(Container Ship)은 갑판 위로 컨테이너를 높이 쌓고 빨리 달려야 하므로 길고 날씬하다. 철광석·석탄·곡물을 싣는 벌크선(Bulk Carrier)과 원유를 싣는 탱커(Tanker)는 무겁고 값싼 화물을 한 번에 많이 날라야 하므로 뚱뚱하고 느리다. 영하 162 °C의 액화천연가스를 싣는 LNG 운반선은 무게보다 부피가 문제여서 화물이 가볍고 선체가 물 위로 높이 솟는다. 자동차 운반선과 크루즈선은 아예 물 위에 거대한 상자를 얹은 모양이다.
선종마다 대표 속력도 다르다. 같은 길이라도 빨리 달리려면 선체가 날씬해야 하는데, 이 관계는 길이로 무차원화한 속력인 프루드 수(Froude Number) \(F_n = V/\sqrt{gL}\)로 정리된다(6장). 대부분의 상선은 \(F_n\)이 0.15~0.25 범위에 있고, 함정과 소형 고속선은 0.3을 훌쩍 넘는다.
선종 갤러리: 옆모습과 대표 제원
| 선종 | 화물 | 대표 Cb | 설계를 좌우하는 것 |
|---|---|---|---|
| 컨테이너선 | 규격 상자(TEU) | 0.60~0.68 | 속력, 갑판 적재 높이와 시야, 복원성 |
| 벌크선 | 철광석·석탄·곡물 | 0.82~0.87 | 재화중량, 화물창 강도, 하역 속도 |
| 탱커(VLCC) | 원유 | 0.80~0.84 | 재화중량, 이중 선체(유출 방지), 화물 펌프 |
| LNG 운반선 | −162 °C 액화가스 | 0.72~0.78 | 화물창 부피, 단열, 증발가스 처리 |
| 자동차 운반선 | 차량(자력 승하선) | 0.55~0.62 | 갑판 면적, 풍압, 복원성 |
| 크루즈선·카페리 | 사람(+차량) | 0.60~0.68 | 안전(구획·피난), 쾌적성, 흘수 제한 |
배를 재는 법: 방향 용어와 주요 치수
배에는 고유한 방향 이름이 있다. 앞은 선수(Bow), 뒤는 선미(Stern), 선수를 바라보고 오른쪽이 우현(Starboard), 왼쪽이 좌현(Port)이다. 배가 어느 쪽으로 가든, 누가 어디서 보든 변하지 않는 이름이라 혼동이 없다. 밤에는 좌현에 빨간 등, 우현에 초록 등을 켜서 다른 배가 상대의 진행 방향을 알아볼 수 있게 한다(21장).
배의 크기는 몇 개의 치수로 요약된다. 설계와 계산의 기준이 되는 길이는 수선간 길이(Lpp, Length between Perpendiculars)로, 선미의 AP(After Perpendicular, 보통 타두재 중심)에서 선수의 FP(Forward Perpendicular, 계획 흘수선과 선수재가 만나는 점)까지다. 항만과 운하가 따지는 길이는 끝에서 끝까지 잰 전장(LOA, Length Overall)이다. Lpp의 한가운데가 중앙단면(Midship Section, ⊗)의 위치다.
- 형폭 B(Moulded Breadth): 선체 가장 넓은 곳의 폭. 외판 안쪽 면(형 치수, moulded) 기준이다.
- 형깊이 D(Moulded Depth): 용골 윗면에서 선측의 상갑판까지 높이.
- 흘수 T(Draft, Draught): 용골에서 수면까지 깊이. 배가 얼마나 잠겼는지를 나타내며 싣는 무게에 따라 변한다.
- 건현 f(Freeboard): 수면에서 갑판까지 높이, \(f = D - T\)(갑판 판 두께를 무시한 근사). 건현은 파도가 갑판을 덮치지 않게 하고 기울었을 때의 여유 부력이 된다. 최소 건현은 국제 만재 흘수선 협약이 정한다(2장).
주요 치수 도해: 고르면 강조된다
선체 각부의 이름: 3D 투시도
대형 상선은 대체로 같은 순서로 나뉜다. 맨 뒤에 기관실(Engine Room)과 그 위의 거주구·선교(Accommodation, Bridge), 가운데 대부분을 차지하는 화물창(Cargo Hold), 맨 앞의 선수 피크 탱크(Fore Peak Tank). 이 구역들은 수밀 격벽(Watertight Bulkhead)으로 나뉘어 한 구획이 침수돼도 배 전체가 가라앉지 않게 한다(5장).
기관을 뒤에 두는 이유는 프로펠러까지 축을 짧게 하고, 화물창을 길게 하나로 이어 쓰기 위해서다. 바닥과 옆이 두 겹인 공간에는 바닷물을 넣었다 뺐다 하는 밸러스트 탱크(Ballast Tank)가 있다. 화물을 내린 빈 배는 너무 떠올라 프로펠러가 물 밖으로 나오고 바람에 밀리므로, 밸러스트로 흘수와 트림을 맞춘다(4장).
선체 투시도: 부위를 눌러 보자
바다에서 배가 움직이는 여섯 가지 방식
강체는 공간에서 세 방향으로 움직이고(병진) 세 축을 중심으로 돌 수 있다(회전). 그래서 배의 운동에는 6자유도(6 Degrees of Freedom)가 있다. 축은 보통 배에 붙여서 정한다. x축은 선수 방향, y축은 좌현(또는 우현) 방향, z축은 위(또는 아래) 방향이다. 문헌마다 부호 규약이 조금씩 다르므로 그림을 함께 확인하는 습관이 필요하다.
| 운동 | 우리말 | 축 | 정수압 복원력 | 다루는 장 |
|---|---|---|---|---|
| Surge | 전후 동요 | x 병진 | 없음 | 저항·추진 6~8장 |
| Sway | 좌우 동요 | y 병진 | 없음 | 조종 12장 |
| Heave | 상하 동요 | z 병진 | 있음(수선면 면적) | 부력 2장 · 내항성 11장 |
| Roll | 횡동요 | x 회전 | 있음(GM) | 복원성 3장 · 11장 |
| Pitch | 종동요 | y 회전 | 있음(GML) | 트림 4장 · 11장 |
| Yaw | 선수 동요 | z 회전 | 없음 | 조종 12장 |
표의 넷째 열이 중요하다. 상하·횡·종 운동은 물에 더 잠기거나 덜 잠기면서 생기는 부력 변화가 배를 원래 자리로 되돌리므로, 스프링에 매달린 추처럼 고유 주기를 가지고 흔들린다. 반면 전후·좌우·선수 동요는 되돌리는 힘이 없어, 한번 밀리면 그만큼 떠내려가고 돌아간 만큼 돌아간 채로 남는다. 그래서 바람에 밀리는 배를 붙잡는 일은 앵커와 계류, 또는 스러스터로 위치를 유지하는 DP 시스템(22장)의 몫이다.
6자유도 운동 보기
얼마나 큰가: 크기 비교
숫자로 "길이 400 m"라고 하면 감이 잘 오지 않는다. 축구장(105 m)을 네 개 가까이 이어 붙인 길이이고, 에펠탑(약 330 m)을 눕힌 것보다 길다. 이런 배의 갑판을 한 바퀴 걷는 데만 10분이 넘게 걸린다. 반대로 항구에서 대형선을 밀고 끄는 예인선은 길이 30 m 남짓이지만, 수천 마력의 엔진으로 자기 무게의 수백 배인 배를 움직인다.
배를 눕히고 세워 보기
왜 배인가: 세계 교역과 에너지
세계 교역 물동량(무게 기준)의 약 80~90%가 바다로 움직인다. 원유, 철광석, 석탄, 곡물, LNG, 그리고 우리가 쓰는 공산품 대부분이 컨테이너에 실려 배로 온다. 배가 이렇게 쓰이는 이유는 물에 뜬 물체를 수평으로 미는 데 드는 힘이 매우 작기 때문이다. 무게는 부력이 받쳐 주므로 엔진은 물과 공기의 저항만 이기면 된다. 게다가 저항은 속력의 제곱 이상으로 늘어나므로, 천천히 가면 에너지가 크게 줄어든다.
운송 수단의 효율은 화물 1톤을 1 km 옮기는 데 드는 에너지와 CO₂, 즉 톤-킬로미터(t·km)당 값으로 비교한다.
운송 수단별 에너지·CO₂·시간
해운의 단위: 노트, 해리, 그리고 세 가지 '톤'
바다에서는 거리를 해리(Nautical Mile, nm)로 잰다. 1해리는 지구 자오선을 따라 위도 1분(1/60도)에 해당하는 길이로, 국제적으로 1,852 m로 정했다. 위도 1도는 60해리다. 그래서 해도에서 위도 눈금을 그대로 자로 쓸 수 있다(20장). 속력 단위 노트(Knot, kn)는 시간당 1해리, 즉 1.852 km/h = 0.5144 m/s다.
위도와 해리, 노트 변환기
'톤'은 더 헷갈린다. 해운에서는 성격이 전혀 다른 세 가지 톤을 쓴다.
- 배수량(Displacement, Δ): 배가 밀어낸 물의 질량 = 배 전체의 질량(t). 물리적인 무게다. 함정의 크기는 보통 배수량으로 말한다.
- 재화중량(Deadweight, DWT): 배가 실을 수 있는 무게(화물 + 연료 + 청수 + 선용품 + 선원). 상선의 '돈 버는 능력'이다. 빈 배의 무게인 경하중량(Lightweight, LWT)에 재화중량을 더하면 만재 배수량이 된다.
- 총톤수(Gross Tonnage, GT): 무게가 아니라 밀폐된 내부 부피로 계산하는 무단위 지표. 항만 이용료, 등록, 각종 규정 적용 기준이 된다. 크루즈선은 재화중량은 작지만 총톤수는 매우 크다.
무게 쌓기: 경하중량 + 재화중량 = 배수량
핵심 정리
- 배는 뜨고(부력), 서고(복원성), 나아가고(저항·추진), 방향을 잡고(조종), 버텨야(구조) 한다. 이 다섯 요구는 서로 맞물려 있어 하나를 바꾸면 다른 것이 변한다.
- 상선의 모양은 화물이 정한다. 컨테이너선은 날씬하고 빠르며(Cb 약 0.65), 벌크선·탱커는 뚱뚱하고 느리다(Cb 0.8 이상). 크루즈선·자동차 운반선은 물 위 부피가 크다.
- Lpp는 AP에서 FP까지, LOA는 끝에서 끝까지 길이다. B는 형폭, D는 형깊이, T는 흘수, 건현은 D − T이며 무게를 실을수록 줄어든다.
- 대형 상선은 선미에 기관실과 선교, 가운데 화물창, 선수에 피크 탱크를 두고 수밀 격벽으로 나눈다. 이중 선저와 날개 탱크는 밸러스트 공간이자 좌초 시 보호층이다.
- 6자유도 중 heave·roll·pitch는 정수압 복원력이 있어 고유 주기로 흔들리고, surge·sway·yaw는 복원력이 없다.
- 선박은 t·km당 에너지와 CO₂가 트럭의 약 1/7~1/15, 항공의 약 1/50 이하로, 세계 물동량의 80~90%를 나른다.
- 1해리 = 1,852 m = 위도 1′, 1노트 = 1해리/시. 배수량(무게) = 경하중량 + 재화중량이며, 총톤수는 무게가 아닌 부피 지표다.
확인 퀴즈
Q1. 배가 선수를 보고 섰을 때 왼쪽을 무엇이라 하고, 밤에 그쪽에 켜는 등의 색은?
Q2. 형깊이 D = 18 m인 배가 흘수 T = 11 m로 떠 있다. 화물을 더 실어 흘수가 13 m가 되면 건현은?
Q3. 다음 중 정수압 복원력이 없는 운동끼리 짝지은 것은?
Q4. 대형 상선의 기관실을 대개 선미에 두는 가장 큰 이유는?
Q5. 20노트로 위도 2° 떨어진 곳까지 자오선을 따라 가는 데 걸리는 시간은?
Q6. 재화중량(DWT)에 대한 설명으로 옳은 것은?
Q7. 같은 화물을 같은 거리로 옮길 때 CO₂가 가장 적은 수단은(대표값 기준)?
Q8. 크루즈선이 재화중량은 작은데 총톤수는 매우 큰 이유는?