111 一般警察特考四等 水上警察人員航海組 航海學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考船舶因貨物、結構重量、浮力及航行中波浪作用而產生的五種基本船體應力。作答時應掌握三個判斷方向：

1. 作用方向：縱向、橫向或局部。
2. 形成原因：靜態重量分布、浮力差異或波浪衝擊。
3. 受力部位與結果：船體梁整體受力、船側變形或船底局部撞擊。

船舶可視為浮在水面上的大型縱向梁。貨物與船體重量形成向下的載重，水的浮力形成向上的支承力；兩者沿船長方向分布不均時，便會產生剪力與彎曲力矩。

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解題方法

逐項以「定義—成因—作用部位—結構影響」說明：

• 剪力、彎曲力矩：屬船體縱向總體強度問題。
• 橫向變形應力：屬船體剖面受到橫向不均勻作用而變形。
• 拍擊應力：屬船首、船尾外板因水壓週期變化而產生的反覆應力。
• 拍底應力：屬船底因高速撞擊波面所產生的瞬間衝擊應力。

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（一）剪力 Shearing Force

1. 定義

剪力是船體某一橫剖面兩側的外力，企圖使該剖面上下或前後相對錯動的內力。

將船舶視為船體梁，在任一位置 $x$ 截開後，截面上的垂直內力即為剪力 $V(x)$。其基本關係為：

$$\frac{dM(x)}{dx}=V(x)$$

其中：

• $M(x)$：該位置的彎曲力矩
• $V(x)$：該位置的剪力

2. 形成原因

船舶各處的重量與浮力不相等。某一段船體若承受較大的向下重量，而鄰近水域提供的浮力較小，便會在該截面形成剪力。

常見來源包括：

• 貨物集中裝載於某一艙段；
• 燃油、淡水及壓艙水分布不均；
• 船體自重與貨物重量分布不均；
• 波浪造成局部浮力增減。

3. 結構影響

剪力主要作用於船體的橫剖面，會使船體上下部分產生相對錯動趨勢。若剪力過大，可能造成：

• 船側外板及內骨材受剪；
• 艙壁、甲板及船底結構產生剪切變形；
• 船體縱向結構連接處承受過大剪應力；
• 局部結構裂縫或永久變形。

4. 判斷重點

剪力的重點是「截面兩側有相對錯動趨勢」，屬於內力，不是單純指貨物重量本身。

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（二）彎曲力矩 Bending Moment

1. 定義

彎曲力矩是船體各段重量與浮力對某一截面所形成的力矩總和，會使船體產生縱向彎曲。

船體如同一根浮在水上的長梁，當各段所受向下重量與向上浮力的分布不一致時，船體便會彎曲。

2. 形成原因

彎曲力矩主要來自：

• 船體重量分布不均；
• 貨物集中於船首、船中或船尾；
• 浮力沿船長分布不均；
• 船舶處於波峰或波谷位置；
• 船舶吃水及裝載狀態改變。

3. 主要型態

（1）中拱 Hogging

船中位於波峰、船首與船尾位於波谷時，船中浮力較大、首尾重量作用較強，船體中部向上彎曲，形狀近似：

$$\text{船首下垂，船中上拱，船尾下垂}$$

此時：

• 上甲板縱向結構通常受拉；
• 船底縱向結構通常受壓。

（2）中垂 Sagging

船中位於波谷、船首與船尾位於波峰時，船中浮力較小，船中部因重量作用向下彎曲，形狀近似：

$$\text{船首上翹，船中下垂，船尾上翹}$$

此時：

• 上甲板縱向結構通常受壓；
• 船底縱向結構通常受拉。

4. 與剪力的關係

剪力是造成彎曲力矩變化的重要內力：

$$\frac{dM}{dx}=V$$

當某位置的剪力由正值變為負值，或由負值變為正值時，該處常為彎曲力矩的極大值或極小值位置。

5. 結構影響

彎曲力矩過大會使船體產生縱向彎曲，嚴重時可能導致：

• 甲板或船底縱材屈曲；
• 船體外板裂損；
• 船艙及艙口周圍結構變形；
• 船體縱向總體強度不足。

6. 判斷重點

彎曲力矩的重點是「整個船體像長梁一樣縱向彎曲」，而剪力重點是「截面兩側相對錯動」。

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（三）橫向變形應力 Racking Stress

1. 定義

橫向變形應力是船體受到不對稱橫向作用力時，船體橫剖面產生菱形化或側向變形所形成的應力。

理想船體橫剖面通常保持矩形或接近原設計形狀；當左右兩舷受力不均，甲板、船底及兩舷便會產生相對位移，使橫剖面扭斜。

2. 形成原因

常見原因包括：

• 船舶橫搖時，貨物、液體及壓艙水產生慣性力；
• 左右兩舷所受水壓不同；
• 貨物偏載或裝載不對稱；
• 波浪斜向作用於船體；
• 橫向加速度使船體結構承受不均勻側向力。

3. 受力與變形部位

橫向變形主要涉及：

• 船側外板；
• 甲板；
• 船底；
• 橫向肋骨；
• 橫樑；
• 艙壁及其他橫向支撐結構。

船體可能產生的變形包括：

• 船側向外鼓出；
• 甲板與船底發生相對橫向位移；
• 橫剖面由矩形變成平行四邊形或菱形；
• 肋骨與橫樑連接處承受額外應力。

4. 防止方式

船舶通常藉由下列結構提高抵抗橫向變形的能力：

核心觀念

本題考查船舶在水流影響下的「航行向量合成」：

$$\text{船舶對水航速向量}+\text{水流向量} =\text{船舶對地航速向量}$$

船舶須於 $3$ 小時後抵達 K 港，因此船舶對地的航向必須直接指向 K 港，對地速率為：

$$V_g=\frac{36}{3}=12\text{ 節}$$

方位均以真北為 $000^\circ$，順時針量至 $360^\circ$。

題目所述「某船在 K 港 $240^\circ$ 方位」，表示由 K 港觀測該船位於 $240^\circ$ 方位。因此由船舶指向 K 港的方位為其反方位：

$$240^\circ-180^\circ=060^\circ$$

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解題方法與向量圖

船舶必須以對地航向 $060^\circ$、對地速率 $12$ 節航向 K 港。當地水流為 $310^\circ$、流速 $3$ 節，因此船舶本身對水的航行向量，必須抵銷水流所造成的偏移。

向量關係如下：

$$\vec V_s+\vec V_c=\vec V_g$$

因此：

$$\vec V_s=\vec V_g-\vec V_c$$

其中：

• $\vec V_s$：船舶對水航速向量
• $\vec V_c$：水流向量
• $\vec V_g$：船舶對地航速向量

示意圖：

 N
 ↑
 船舶對水航速 Vs
 ↗ 約072.2°
 /
 /
 ●────────→ E
 ↗
 水流 Vc 310° /
 /
 ● 船舶對地航速 Vg
 060°，12節

實際作圖時，以同一比例畫出：

1. 船舶對地航速 $12$ 節，方向 $060^\circ$；
2. 水流速度 $3$ 節，方向 $310^\circ$；
3. 由「水流向量終點」連至「對地航速向量終點」，即為船舶對水航速向量。

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分量計算

採用東向為 $x$ 軸、北向為 $y$ 軸。方位角換算分量公式為：

$$V_E=V\sin C$$ $$V_N=V\cos C$$

一、船舶對地航速分量

船舶對地航向為 $060^\circ$，速率為 $12$ 節：

$$V_{gE}=12\sin60^\circ$$ $$V_{gE}=12(0.8660)=10.392\text{ 節}$$ $$V_{gN}=12\cos60^\circ$$ $$V_{gN}=12(0.5)=6.000\text{ 節}$$

所以：

$$\vec V_g=(10.392,\ 6.000)$$

二、水流分量

水流方向為 $310^\circ$，流速為 $3$ 節：

$$V_{cE}=3\sin310^\circ$$ $$V_{cE}=3(-0.7660)=-2.298\text{ 節}$$ $$V_{cN}=3\cos310^\circ$$ $$V_{cN}=3(0.6428)=1.928\text{ 節}$$

所以：

核心觀念

本題考查「中緯航法（Middle Latitude Sailing）」：

1. 緯度差 $\Delta L$ 以海里表示時，$1'$ 緯度等於 $1$ 海里。
2. 經度差必須依平均緯度換算為東西向航程，即「Departure」： $\text{Departure}=\Delta\lambda\cos L_m$
3. 將緯差與 Departure 視為直角三角形兩股，求真航向與航程： $\tan C=\frac{\text{Departure}}{\Delta L}$ $D=\frac{\Delta L}{\cos C}$

其中：

• $L_m$：平均緯度
• $C$：由南北線量起的航向角
• $D$：航程
• $\Delta\lambda$：經度差，以分表示

解題方法與計算過程

一、判定航行方向

甲地：

$L_1=22^\circ30'.0\text{N},\qquad \lambda_1=130^\circ\text{E}$

乙地：

$L_2=25^\circ00'.0\text{N},\qquad \lambda_2=122^\circ30'.0\text{E}$

緯度由 $22^\circ30'\text{N}$ 增加至 $25^\circ\text{N}$，所以向北航行。

經度由 $130^\circ\text{E}$ 減少至 $122^\circ30'\text{E}$，所以向西航行。

因此航向位於西北象限，形式為：

$\text{N }C\text{ W}$

二、求緯度差

$\Delta L=25^\circ00'-22^\circ30'=2^\circ30'$

換算為分：

$\Delta L=2^\circ30'\times60=150'$

故南北向距離為：

$\Delta L=150\text{ 海里}$

三、求經度差

$\Delta\lambda=130^\circ00'-122^\circ30'=7^\circ30'$

換算為分：

$\Delta\lambda=7^\circ30'\times60=450'$

四、求平均緯度

中緯航法採用起、迄兩地的平均緯度：

$L_m=\frac{L_1+L_2}{2}$

$L_m=\frac{22^\circ30'+25^\circ00'}{2}=23^\circ45'$

五、求 Departure

中緯航法公式為：

$\text{Departure}=\Delta\lambda\cos L_m$

代入：

核心觀念

本題考查五種常見助航設備（Aids to Navigation）的英文名稱及其基本功能。作答時應掌握各設備所使用的「標示媒介」：

• 浮標：以漂浮物體標示航道、危險物或界線。
• 燈：以光學訊號供船舶在夜間或能見度良好時辨認位置。
• 疊標：以兩個標誌物的垂直排列及重疊關係表示航向。
• 霧號：以聲音訊號在霧、雨、雪等低能見度情況下警示船舶。
• 雷達示標：以雷達回波或編碼訊號協助船舶辨認位置。

解題方法

依「設備名稱—英文名稱—作用方式—主要用途」逐項作答。功能說明須指出該設備如何提供航海定位或避碰資訊，以及主要適用的環境。

各助航設備詳解

（一）浮標：Buoy

英文名稱： Buoy

功能：

浮標是漂浮於水面上的助航設備，用以標示航道界線、航道入口、危險物、沉船、淺水區、錨地、禁航區或其他特殊水域。船舶可依浮標的顏色、形狀、頂標及燈光特徵，判斷航道位置與安全通航方向。

浮標通常固定於海床或河床上的錨碇系統，因此會隨風浪及潮流產生一定程度的擺動。其主要作用是提供船舶目視辨認及航道引導，不是供船舶繫泊使用。

（二）燈：Light

英文名稱： Light

功能：

燈是利用光源提供夜間或低能見度情況下之目視助航訊號，使船舶能辨認燈標、燈塔、港口入口、航道轉向點、危險物及其他重要位置。

各燈標可藉由不同的：

• 發光顏色；
• 發光週期；
• 明暗節奏；
• 閃光方式；
• 發光射程；

形成特定的燈質（light characteristic），供航海人員依航海圖及燈標表辨認其種類與位置。燈的主要功能是「夜間識別與定位」，並非單純提供照明。

（三）疊標：Leading Marks／Range Marks

英文名稱： Leading Marks 或 Range Marks

功能：

疊標是由前、後兩個標誌物組成的導引設備，通常設置在同一直線上，並具有不同高度。當船舶航行在正確的導引線上時，前後兩標會呈現上下重疊或對準的狀態。

船舶駕駛人員藉由調整航向，使兩個疊標保持重疊，即可沿著該導引線航行，進入或通過狹窄航道、港口入口、河道及淺水航路。若前後標發生左右分離，即表示船舶偏離導引線，應修正航向。

夜間使用時，疊標也可設置導引燈，稱為 leading lights 或 range lights。

（四）霧號：Fog Signal

英文名稱： Fog Signal

功能：

霧號是以聲音作為訊號的助航設備，供船舶在霧、雨、雪或其他能見度不良情況下，警示附近船舶並表示助航設施或危險物的大致位置。

核心觀念

本題考查航行電傳（NAVTEX）英文氣象報告的格式、縮寫與海事氣象用語，重點包括：

• UTC、GMT：世界協調時間、格林威治時間。
• $N$、$E$：北緯、東經。
• $HPA$：百帕，氣壓單位。
• $KT$：節，$1$ 節等於每小時 $1$ 海里，約為 $1.852$ 公里。
• 風向以「風來自的方向」表示，例如 $E$ 為東風，$NE$ 為東北風。
• $OCNL$：occasionally，偶有、間歇性達到。
• $INTST$：intensity，強度。
• $NC$：no change，無變化。
• $WKN$：weaken，減弱。
• $Swell$：長浪、湧浪，不等同於當時的風浪。
• $Fine$：天氣晴朗或良好。
• $At first ... becoming ...$：起初……，後來轉為……。

解題方法

翻譯時依照原文順序處理：

1. 先辨認報告發布時間及電台名稱。
2. 判讀警報區域。
3. 讀取一般天氣情況，包括高壓、熱帶氣旋的位置、中心氣壓、移動方向、移動速度及強度變化。
4. 依各海域分別翻譯風向、蒲福風級、天氣、海況、長浪及氣溫。
5. 風級數字不可翻成風速數字，應表達為「蒲福風級」；方向則須翻成風的來源方向。

逐行翻譯

1. 010009 UTC NOV 94 民國 83 年 11 月 1 日 0009 UTC（世界協調時間）。

2. HONGKONG RADIO VRX 香港海岸電台 VRX。

3. GALE WARNING AREAS TAIWAN STRAIT AND NORTH TAIWAN 強風警報區：臺灣海峽及臺灣北部。

4. GENERAL SITUATION AT 312100 GMT 31 日 2100 GMT（格林威治時間）的一般天氣情況。

5. HIGH 1028 HPA 36N 102E SE 10KT INTST NC 高壓中心氣壓為 1028 百帕，位於北緯 36 度、東經 102 度，向東南方向以每小時 10 節移動，強度無變化。

6. TROPICAL STORM VERNE (9431) 992 HPA 27.8N 142.9E ENE 15KT WKN 熱帶風暴 VERNE（編號 9431），中心氣壓 992 百帕，位於北緯 27.8 度、東經 142.9 度，向東北偏東方向以每小時 15 節移動，強度減弱。

7. MARINE FORECAST FOR 24 HOURS FROM 010100 GMT 自 1 日 0100 GMT 起 24 小時的海上預報。