核心概念：速度、航速与对地航速
在讨论公式之前,首先要理解几个关键概念：
- 速度：一个通用物理概念,指单位时间内移动的距离。
- 航速：在航海领域，特指船舶在水中相对于水流的速度，它反映了船舶主机功率推进能力的强弱,与船体和水流的相互作用有关。
- 对地航速：指船舶在地面（或海底）上实际前进的速度,这是船舶从A点到B点所需时间计算的真实依据。
- 流速：指水流本身的速度。
它们之间的关系是： 对地航速 = 航速 ± 流速
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- 顺流而下：水流方向与船舶前进方向相同,航速加上流速。
- 逆流而上：水流方向与船舶前进方向相反,航速减去流速。
实际航行中的航速计算
这是船舶驾驶员和运营者最关心的,它直接关系到航行时间和成本。
对地航速
这是船舶在航行图上规划航线、估算到达时间所使用的最终速度。
公式： $$ V_{OG} = V_s + V_c $$
- VOG (Over Ground Speed)：对地航速，单位通常是 节。
- Vs (Speed through Water)：航速（相对于水），单位是 节,这个速度通常由船舶的计程仪测量。
- Vc (Current Speed)：流速，单位是 节，需要根据海图、潮汐表或实时水文数据确定，注意方向（顺流为正，逆流为负）。
举例： 一艘船的航速（Vs）为15节，在顺流中航行，流速（Vc）为2节。 它的对地航速 VOG = 15 + 2 = 17节。 这意味着，在1小时内,船相对于地面实际移动了17海里。
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航速的测量与估算
船舶的航速（Vs）通常通过两种方式获得：
- 计程仪：安装在船底的设备，通过测量水对船体的作用力来计算相对于水的速度,直接读数就是航速。
- 主机转速 估算：在没有计程仪或需要粗略估算时,可以根据主机转速和经验数据来估算航速。
公式（估算）： $$ V_s \approx k \times N $$
- Vs：估算的航速。
- N：主机转速，单位是 转/分钟。
- k：主机转速与航速的转换系数，这个系数每艘船都不同，并且会随着船舶载重、吃水、船体清洁度、海况等因素变化，需要通过多次“海上试航”来标定。
理论设计中的航速计算
船舶在设计阶段，工程师会使用一些理论公式来估算船舶能达到的最大速度,这主要与船舶的推进功率和阻力有关。
基于主机功率的估算
船舶的速度与其主机提供的功率密切相关,一个简化的经验公式是：
公式： $$ P_s = \frac{R \times V_s}{C} $$
- Ps (Shaft Power)：主机轴功率，单位是 千瓦 或 马力,这是衡量船舶主机能力的核心指标。
- R (Resistance)：船舶总阻力，单位是 千牛，船舶在水中前进时受到的总阻力，包括摩擦阻力、兴波阻力等。
- Vs (Speed)：航速。
- C (Propulsion Coefficient)：推进系数，这是一个综合了螺旋桨效率、船身效率等因素的修正系数,通常由船厂提供。
这个公式表明，要获得更高的航速,需要主机提供更大的功率来克服增大的阻力。
更复杂的理论模型
对于船舶设计师,他们会使用更复杂的流体力学模型来计算航速，
- 傅汝德数：这是一个无量纲数，用来表征船舶兴波阻力与总阻力的关系,是船舶设计的关键参数。
- 船模试验：将按比例缩小的船模在水池中进行拖曳试验，测量不同速度下的阻力，然后通过换算公式（如傅汝德换算）来预测实船的性能。
这些复杂的计算是船舶设计和建造的基础,但日常运营中并不直接使用。
日常单位换算
在航运业，最常用的速度单位是 节。
- 1 节 = 1 海里/小时
- 1 海里 = 1852 米（国际标准定义）
- 1 节 ≈ 1.852 公里/小时 ≈ 0.5144 米/秒
举例换算： 一艘船的对地航速为20节。
- 换算成公里/小时：20 节 × 1.852 公里/节 = 04 公里/小时
- 换算成米/秒：20 节 × 0.5144 米/秒/节 ≈ 29 米/秒
| 计算场景 | 核心公式 | 关键变量 | 应用者 |
|---|---|---|---|
| 实际航行 | VOG = Vs ± Vc | 对地航速、航速（计程仪读数）、流速 | 船长、驾驶员、调度员 |
| 航速估算 | Vs ≈ k × N | 航速、主机转速、转换系数 | 轮机员、驾驶员（粗略估算） |
| 设计/分析 | Ps = (R × Vs) / C | 主机功率、船舶阻力、航速、推进系数 | 船舶设计师、工程师 |
对于非专业人士，记住最核心的公式 对地航速 = 航速 ± 水流速度 就足以理解船舶航行速度的基本原理了。
