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為什麽坐豪華遊輪不容易暈船?

遊輪旅遊在歐美發達國家十分流行,現在在我國的天津和上海也有了遊輪港,並且壹些著名的遊輪公司也把上海天津作為母港了。遊輪不同於普通客輪,它以提供遊客享樂為目的,體驗包括航線以及遊輪本身設施兩個部分。遊輪相當於海上酒店,為了提供更好的服務,遊輪上的船員要遠比普通客輪多,而且在壹些豪華遊輪上船員的數量甚至會多於客人的數量。既然要在豪華遊輪上體驗高級酒店般的生活,暈船是不能讓遊客感受到的,這樣才能在海上吃得香,睡得美,玩得瀟灑!那麽為何在遊輪上體驗不到普通客輪那種暈船感呢?

什麽是暈船?

暈船是壹種最常見的航海疾病。乘坐交通工具發生顯著顛簸或劇烈升降、旋轉時,人體位置的頻繁變化,當這些變化超過某些人平衡器官的適應能力或超過內耳前庭系統的耐受閾限時,前庭神經功能暫時紊亂,再加上旅途中視覺、嗅覺受到不良刺激以及內臟的顛動等因素,有些人便可能發生暈車、暈船或暈機,醫學上統稱為暈動病,是壹種平衡失調的疾病。

如在海上航行時,遊輪顛簸致異常運動常產生各種加速度刺激,當刺激過強或刺激時間過長,超過前庭系統的耐受閾限時(每個人的耐受閾限不同),即會發生運動癥。運動病的癥狀,開始時出現頭暈眼花、頭脹、頭痛、惡心、嘔吐,繼而面色蒼白、心慌、胸悶、出冷汗、手腳發涼、四肢無力。嚴重時可昏倒,脈搏減慢,血壓下降。如果嘔吐頻繁,可能出現輕度脫水、眼窩下陷、渾身無力。頭暈,疲憊和惡心是暈動病的典型癥狀。表現為疲倦和勞累的昏睡綜合癥也被認為和暈動病有關。如果由於船體晃動導致的惡心感覺沒有被緩解,患者就會頻繁地嘔吐,不過和壹般的病癥不同,暈動病導致的惡心並不會在嘔吐後得到緩解。

人為什麽會暈船?

我們的耳朵能幫助我們保持平衡。在人類內耳的構造中,像蝸牛觸角壹樣的三個半圓形管道,叫半規管。在半規管裏亦有內淋巴,而半規管的兩個骨腳裏邊也有毛細胞。所以內淋巴流動的時候亦會帶動毛細胞彎曲傾倒,產生壹種運動的感覺。半規管主要是感受正負腳加速度的刺激,就是受旋轉運動的變化。由於三個半規管所在平面互相垂直,所以可以感受四面八方旋轉運動的刺激。當頭部運動時,液體流動,感受器向腦發送關於頭部位置改變的信號。於是大腦發出指令,確保身體平衡。

耳朵結構

人體維持平衡主要依靠內耳的前庭部、視覺、肌肉和關節等三個系統的相互協調來完成。其中內耳的前庭系統最重要,它的功能結構上其實就象眼睛壹樣,是壹種特殊分化的感受器,主要感知頭位及其變化。如果人做前後左右直來直去的運動是靠什麽感覺到的呢?是靠內耳的前庭部裏的球囊和橢圓囊。球囊和橢圓囊亦有內淋巴和毛細胞,另外還有耳石膜。當人做直線加速運動時,耳石膜裏的位覺砂會向相反的方向運動,道理和瓶子裏的石子壹樣,當向右晃動瓶子的時候,石子會滾動到瓶子左邊,向左晃動瓶子的時候,石子會滾動到瓶子右邊,從而刺激毛細胞產生平衡感覺。

人體感應器官都存在壹個感受範圍,例如人耳能聽到的音頻範圍是20HZ~20KHZ,低於20HZ或者超過20KHZ人耳就很難感覺到,而且長時間生活在超頻的環境下,人體極易產生煩躁情緒。同樣,內耳前庭系統為主的平衡系統也有能承受刺激的最大限度,即閾值。不同人或者壹個人的不同時期,根據身體狀況閾值都不同,超過人體所能承受的閾值就會造成平衡系統紊亂,也就產生了暈船。

為什麽乘坐豪華遊輪不容易暈船?

船舶搖晃是暈船發生最主要的因素,在預防暈動病方面也是對遊輪最大的考驗。目前,遊輪船體設計除了在速度上投入之外,最重要的是在抵抗復雜的海況,制造搖晃最小、舒適度最高的船舶。在船舶動平衡的狀態下,增加船寬,增加幹舷高度,降低重心高度,減小風壓側力臂,增大進水角,減小橫搖角。

船體穩性示意圖

船體本身是處於壹種動平衡的狀態,設計考慮的穩性及時船舶在外力作用下離開平衡位置而傾斜,船舶在外力作用下離開平衡位置而傾斜,當外力消除後船舶能自行地恢復到原來平衡位置的能力稱為船舶穩性。其基本原理如上圖所示,當船舶受到壹個橫傾力矩Mh作用後,正浮向壹側傾斜壹個角度θ(θ≤100~150),水線面由WL移至W1L1,傾斜後:

1. 力W大小不變,因為在傾斜過程中沒有重物的增減;

2. 重心G位置不變,因為在傾斜過程中沒有重物移動;

3. 浮力D大小不變,因為重量不變,所以排水量也不變;

4. 只有浮心B的位置因排水體積形狀變化而改變,由原來的B向傾斜壹側移至B斜壹側移至B1。

由於水的浮力作用,會產生壹個和橫傾力矩Mh相反的扶正力矩Ma,使船舶回到平衡位置。

穩性按照按傾斜狀態不同劃分為橫穩性和縱穩性;按傾斜角度大小不同劃分為初穩性和大傾角穩性;按傾斜時有無角加速度劃分靜穩性和動穩性;按照船艙是否破損劃分完整穩性和破艙穩性。貨船的穩性隨著貨物裝卸重心和浮心位置發生較大變化,穩性也隨之變化。遊輪壹般其重心、浮心發生變化較小,認為其穩性基本穩定。

船身搖晃是暈船發生最主要的因素,在預防暈動病方面也是對遊輪最大的考驗。目前,遊輪船身設計除了在速度上投入之外,最重要的是在抵抗復雜的海況,制造搖晃最小、舒適度最高的遊輪。在船身動平衡的狀態下,增加船寬 ,增加幹舷高度,降低重心高度,減小風壓側力臂,增大進水角,減小橫搖角等都能起到改善船身耐波性的作用。

耐波性是指船舶在波浪上克服搖擺等運動的性能。為改善船舶的耐波性,以達到減小搖晃幅度和改變搖晃周期是達到船舶舒適度的關鍵目的,通常在船上裝設減搖設備:

1. 雙體船設計

大家看到的很多高速遊輪很多才有雙體船設計,通俗來講即是將兩個船體連接起來,壹般裝有雙槳雙舵,操控性能良好。雙體船設計大大提高了船舶浮心,降低了重心,前文述浮心和重心間的距離決定船舶的穩性,因此該類船舶穩定性大大提高,搖擺性比單體船少,進而增加了整體船員的乘坐舒適度及減少了暈船的機率。同時還不需要安裝“平穩器”類的設備,也減少了購置成本。

雙體船設計(新西蘭海事及技術有限公司10.6m雙體船設計)

2. 裝設舭龍骨

舭龍骨是應用最廣泛,最簡單的減搖裝置,它沿著船長方向安裝在船的舭部,在橫搖時擾動船體周圍的流場,使船產生附加阻尼,借以增加橫搖阻尼從而達到減搖目的的被動式減搖裝置,在任何海況情況下都有效,尤其是當船舶的周期性搖擺與波浪的周期性作用發生***振搖擺時效果最顯著。唯壹的缺點是裝上舭龍骨會使船舶阻力略有增加。由於它結構簡單,建造成本低和對航速影響小等優點,幾乎在所有海船上都毫無例外地裝有舭龍骨,它已成為海船船體的壹部分。所以,在壹般情況下,所謂減搖裝置是指舭龍骨以外的減搖措施和設備。

海洋綠洲號

3. 裝設減搖鰭

減搖鰭裝置是目前世界各國裝船最多的壹種減搖裝置,船舶在搖擺過程中,通過控制機構自動調整減搖鰭機翼相對於水流的角度,使左右兩個減搖鰭產生最大的與搖擺方向相反的力矩,達到減搖的效果。這種減搖裝置效果較好,對航速較高的客船尤為顯著。它是壹種主動式減搖裝置,減搖效果高,使用廣泛,減搖鰭最早出現在1889年,被JohnI.Thomeyeroft申請了專利。1923年,日本的元良信太郎設計了第壹套減搖鰭,經裝船試驗得到了良好的減搖效果。1935年,英國的布朗兄弟公司設計的減搖鰭成功應用於壹艘2200噸的海峽渡輪,從此,減搖鰭得到了廣泛的應用。減搖鰭的工作原理是:

船舶的劇烈搖擺是由六種運動狀態的矢量合成:橫搖、縱搖、升沈、首搖、橫漂和縱漂。其中對船舶穩定航行影響最大的是橫搖,減搖鰭的作用就是減小船舶在大風浪中航行時產生的搖擺,達到有效地控制船舶的航行姿態。減搖鰭是目前唯壹得到廣泛應用的主動式減搖裝置。它的工作部分是伸出舷外的壹對或數對翼形鰭片,按照其鰭片的可收縮性,又可以分為可縮式和固定式兩種。工作時繞自己的軸轉動。從流體力學理論可知,在鰭與水流作相對運動時,會產生垂直翼表面的力,這就是減搖鰭的基本原理。減搖鰭之所以能夠發揮減搖作用,正是由於它可以通過壹對或數對受控轉動的鰭片在水流中獲得的穩定力矩,以抵抗波浪的沖擊力距來減小船舶的橫搖,從而改善船舶的適航性。

隨著近幾年來控制技術的飛速發展,減搖鰭演變成目前最常用且成功的減搖裝置,但是減搖鰭的減搖效果與航速的平方成正比,只有在船舶的航速較高時,減搖鰭才可以有效地減小橫搖,當船舶工作在零航速或低航速時,減搖鰭就不能有效地減搖。

中國國家海洋局的“海監51”號

4. 裝設減搖水艙

相比減搖鰭需要高速度才能發揮作用,減搖水艙不受船速影響,其工作原理是在船體內部設有壹個左右連通的水艙,當船舶發生橫搖時,該水艙裏的水也隨之從壹舷移到另壹舷來回振蕩運動;通過連通管道截面尺寸的設計和配以調節裝置控制兩側的水位差,使左右水艙中水的重量差產生與搖擺方向相反的力矩,達到減搖的目的。

減搖水艙按照其工作方式上可分為被動式、可控被動式和主動式3種。被動式減搖水艙按照雙***振的原理進行工作,在諧搖區域具有良好的減搖效果,它具有結構簡單、造價低廉、便於維護保養等特點,得到了廣泛的應用。可控被動式減搖水艙是隨著控制技術的飛速發展而興起的減搖裝置,是對被動式減搖水艙的壹個重要改進,它綜合考慮了昂貴的減搖鰭裝置和被動式減搖水艙之間的關系,控制系統所需功率較小,具有自動化、占空間小、操作簡單及高可靠等特點,另外可控被動式減搖水艙可用來抗橫傾和檢測穩性,是目前減搖水艙的發展方向,具有廣泛的應用前景和研究價值。被動式減搖水艙是依靠水艙本身的橫搖固有周期而工作,當實際海浪周期與水艙固有周期相差較大時,水艙往往達不到預期的減搖效果,在某些海情下還可能發生增搖,缺點是占據了船體中相當大的體積,並且它的自由液面總是要降低船舶定傾中心高度,使得橫搖初穩性減小。主動式減搖水艙具有響應快,速度快的優點,但是它的造價較高,系統復雜,消耗功率大,因此己經很少被使用。

自動平衡調控系統(註)

5. 舵阻搖技術運用

舵阻搖是壹項新的減搖技術。船的橫搖實際上是由風、浪等外部作用力對船體施加變化的力和力矩產生的,但是操舵時,也會使船身產生橫搖,即操舵不僅能產生首搖力矩,而且同時產生橫搖力矩。因此,大部分豪華遊輪都裝有船首側推器,或者如果能夠正確地控制舵所產生的橫搖力矩與波浪擾動力矩之間的關系,那麽,舵也就可以作為壹種減搖裝置來減少船舶的橫搖。

舵阻搖裝置與減搖鰭、減搖水艙相比具有許多優點,在許多國家受到了不同程度的重視。它可以利用船上現存的舵和操舵系統,不僅可以在大中型的軍用船、特種船舶和民用船上應用,也適用於小船。舵阻搖對操縱系統的動態特性和船的流體動力特性的要求壹般也是容易得到滿足的,因此它擁有極其廣闊的應用前景。

6. 心理因素控制

除了以上船舶減搖裝置的設計,為了保證遊客的舒適性,在客房裏絕對不可有噪音,不可有振動,不可有大幅度的搖動。為此,壹些遊輪采用了電力推進,以避免主機的激振和噪音;通過對遊輪艙內空間尺度的合理規劃,使人能夠更加舒適地座、臥,可降低暈船的程度;精心設計空調系統,確保室內無空調噪音,確保新鮮空氣輸入船內各個角落;通過艙內色調的協調設計從心理上舒緩乘客情緒等措施都可以在壹定程度上緩解引發人體暈船的因素。

遊輪作為日後海上旅客旅遊休閑的主要交通工具,人們對豪華遊輪舒適性的需求也越來越強烈,因此對應遊輪設計來說,也逐步考慮到如何通過現代化技術從遊輪自身減少暈船因素。

註:許安靜、譚躍,《船舶平衡控制系統的自動控制設計方案研究》,《中國修船》2005年第三期