107 高普考高考三級 航海技術 船藝學 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗考生對船舶靜力學（Ship Statics）最基礎平衡原理的理解，核心在於將阿基米德浮力原理串聯至船體重量結構與船體幾何尺度。

1. 阿基米德浮力原理（Archimedes' Principle）： 浸在流體中的物體受一垂直向上的浮力（$F_B$），其大小等於該物體所排開流體的重量。 $F_B = \rho \cdot g \cdot \nabla$ 其中 $\rho$ 為流體密度，$g$ 為重力加速度，$\nabla$ 為物體排開流體的體積（排水體積）。
2. 浮態平衡條件： 在靜水中漂浮的船舶，處於垂直力平衡狀態，即船舶總重力（$W$）等於總浮力（$F_B$）。在航海工程上，常直接以質量（公噸, $t$）表示重量，故船舶總重量即為排水量（$\Delta$）。
3. 名詞定義與符號：

• 排水量（Displacement, $\Delta$）：船舶漂浮於水中時所排開水的總重量（即此時船舶的總重量）。
• 輕船重量（Lightship Weight, $W_L$ 或 $LDT$）：船體結構、主副機、設備與管路等固定裝備完全齊全，但完全未裝載任何貨物、燃油、壓載水、淡水、船員與備品時的空船重量。
• 載重量（Deadweight, $DWT$）：船舶所裝載的貨物、燃油、淡水、物料、人員、行李及壓載水等全部可變動載荷之總和。
• 排水體積（Volume of Displacement, $\nabla$）：船舶浸入水中部分船體外殼所包圍的幾何體積（單位：$m^3$）。
• 吃水（Draft, $d$）：自龍骨基線（Baseline）至水線面（Waterline）的垂直距離（單位：$m$）。

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解題方法

本題採「物理平衡 $\to$ 重量拆解 $\to$ 容積轉換 $\to$ 幾何吃水」四層邏輯切入，推導各物理量之間的數學與因果關係。

1. 浮力平衡與排水量、輕船重量、載重量的關係

依據阿基米德浮力原理，船舶漂浮於水面時，總浮力等於總重量。此總重量即為排水量 $\Delta$。 船舶總重量由「固定不變的船體」與「可變的裝載物」兩部分構成： $\Delta = W_L + DWT$

• 輕船重量（$W_L$）為固定常數（建造完成時由傾斜試驗測定）。
• 載重量（$DWT$）隨航次裝載情況改變。
• 故載重量增加，將直接導致排水量等量增加： $\Delta(DWT) = W_L + DWT \implies \Delta \propto DWT \quad (\text{線性遞增})$

2. 排水量與排水體積的物理關係

依據阿基米德浮力原理，排水量等於排開水的質量，兩者透過周圍水域之密度（$\rho$）建立轉換關係： $\Delta = \rho \cdot \nabla \iff \nabla = \frac{\Delta}{\rho} = \frac{W_L + DWT}{\rho}$

• 在標準海水（$\rho = 1.025 \text{ t/m}^3$）中：$\nabla = \frac{\Delta}{1.025}$。
• 在標準淡水（$\rho = 1.000 \text{ t/m}^3$）中：$\nabla = \frac{\Delta}{1.000}$。
• 當排水量（$\Delta$）固定時，水密度（$\rho$）越小，所需排開的水體積（$\nabla$）越大。

3. 排水體積與吃水間的幾何關係

排水體積 $\nabla$ 是船體浸水幾何形狀對吃水 $d$ 的積分結果。若水線面面積為 $A_w(z)$，則： $\nabla(d) = \int_0^d A_w(z) \, dz$ 在工程應用上，通常引進方塊係數（Block Coefficient, $C_b$）描述船體與主尺度（垂標間長 $L_{pp}$、模寬 $B$、吃水 $d$）之關係：

核心觀念

本題考查船舶穩度學中之初始穩度（Initial Stability）​與貨物橫向移動所致之橫傾（List caused by transverse shift of weight），為航海人員考驗與公職考試之經典基礎計算。

1. 重心橫向位移定理： 當船上已知重量為 $w$ 之物體，沿橫向（正橫方向）平移距離 $d$ 時，全船總重心 $G$ 將沿平行於該位移方向移動至 $G_1$，其橫向位移量 $GG_1$ 為： $GG_1 = \frac{w \times d}{W}$ 式中，$w$ 為移動貨物重量（噸）、$d$ 為橫移距離（公尺）、$W$（或以 $\Delta$ 表示）為船舶總排水量（噸）。

2. 小角度傾斜穩度公式： 在微小橫傾角（通常 $\theta \le 10^\circ \sim 15^\circ$）範圍內，定傾中心 $M$ 可視為固定點。此時，傾斜後的重力線通過 $G_1$ 且與船舶中心線交於 $M$ 點，形成直角三角形 $\triangle GG_1M$。橫傾角 $\theta$、重心橫向位移 $GG_1$ 與橫定傾高度 $GM$ 之幾何關係為： $\tan\theta = \frac{GG_1}{GM} = \frac{w \times d}{W \times GM}$

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解題方法

一、整理已知條件

• 船舶排水量 $W = 10{,}000\text{ 噸}$
• 移動貨物重量 $w = 50\text{ 噸}$
• 貨物正橫移動距離 $d = 16\text{ 公尺}$
• 船舶橫定傾高度 $GM = 0.8\text{ 公尺}$

二、計算橫傾力矩與重心位移量

貨物橫移產生的橫傾力矩為： $M_{\text{list}} = w \times d = 50 \times 16 = 800\text{ 噸}\cdot\text{公尺}$

船舶總重心 $G$ 之橫向移動距離 $GG_1$ 為： $GG_1 = \frac{w \times d}{W} = \frac{800}{10{,}000} = 0.08\text{ 公尺}$

三、代入正切公式求橫傾角 $\theta$

依據小角度橫傾幾何關係： $\tan\theta = \frac{GG_1}{GM} = \frac{0.08}{0.8} = 0.1$

四、求得角度值

• 精確反三角函數值： $\theta = \arctan(0.1) \approx 5.7106^\circ$ 若換算為度、分表示法： $0.7106^\circ \times 60'/\text{度} \approx 42.6' \approx 43' \implies \theta \approx 5^\circ 43'$

核心觀念

本題考核航海技術之核心單元「受限水域操船」（Handling Ships in Shallow and Restricted Waters）中的船舶下坐效應（Squat Effect）。

1. 下坐效應成因（Bernoulli's Principle）： 當船舶在淺水域或受限航道航行時，被船體排開的水流受限於水底與兩岸，船體周邊與底部的回流流速（Relative water velocity, $V$）顯著增大。依伯努利定律： $P + \frac{1}{2}\rho V^2 + \rho gh = \text{常數}$ 流速增大導致船底水壓下降，產生向下抽吸力量，造成船體相對於靜態水面的整體下沉（Bodily Sinkage）​與縱傾改變（Trim Change），此二者之合成即為下坐量（Squat）。
2. 艉部下坐之判定標準： 縱傾之變化方向主要取決於船舶的方形係數（Block Coefficient, $C_b$）：

• 當 $C_b > 0.70$（肥大型船，如油輪、散裝船）：下坐中心偏前，產生艏部下坐（Trim by the bow）。
• 當 $C_b < 0.70$（瘦長型船，如現代高速貨櫃船、客輪、PCTC）：下坐中心偏後，產生艉部下坐（Trim by the stern）。
• 當 $C_b \approx 0.70$：大致維持等吃水均勻下沉。

3. 下坐量估算經驗公式（Dr. C.B. Barrass 公式）：

• 開放淺水域（Open Shallow Water）： $\text{Squat}_{\max} = \frac{C_b \times V^2}{100} \quad (\text{公尺})$
• 受限航道／運河（Confined Channel）： $\text{Squat}_{\max} = \frac{C_b \times V^2}{50} \quad (\text{公尺})$ （式中 $V$ 為對水航速，單位為節；$C_b$ 為方形係數）

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解題方法

本題為標準的航海學申論題，解題切入點應採「流體力學機制 $\to$ 實務危險與操控影響 $\to$ 航行安全因應對策」三層架構開展：

1. 先界定「艉部下坐」的好發船型（$C_b < 0.70$）及物理現象。
2. 逐項深入論述對進出港航行安全（UKC、艉部吃水）、操舵性能（舵壓與追從性）、推進系統（螺旋槳負載與震動）及受限水域交互作用（岸壁效應）之衝擊。
3. 提出進出港實務上的操控與預防措施，使作答完整兼具理論與現場實務深度。

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選項分析

本題為高考三級申論題，無選擇題選項。答題得分關鍵在於論述是否層次分明、有無掌握流體力學數值與實務操船專業術語。

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解題技巧

1. 記憶口訣：「瘦艉肥艏，速方成比」。

• $C_b < 0.7$ 之高速瘦長船（貨櫃船）進出港易發生「艉下坐」；$C_b > 0.7$（散裝船、油輪）則為「艏下坐」。
• 下坐量與對水航速之平方（$V^2$）成正比，減速永遠是抑制下坐效應最立即有效的手段。

2. 常見陷阱：

• 誤以為下坐效應一律造成艏部下沉；本題特別強調「艉部下坐」，必須特別針對貨櫃船等瘦長船型及艉部特徵（螺旋槳、舵、軸系、艉吃水）作答。

核心觀念

本題考查航海技術類科《船藝學》之「船體結構保養與金屬防蝕工程」。核心在於掌握鋼質船體長期暴露於海洋惡劣環境（海水電解質、高濕度、高鹽霧、海流衝擊及海洋生物）時所發生的劣化機制，以及工程上所採取的被動隔離（塗裝）與主動電化學保護（陰極防蝕）原理。

• 化學反應與電化學腐蝕機制： 陽極氧化反應（鋼板溶解）： $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$ 陰極還原反應（中性或鹼性含氧海水）： $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$ 生成鐵鏽沉澱： $Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2 \xrightarrow{O_2, H_2O} Fe_2O_3 \cdot nH_2O$
• 法規與規範標準：以命題當年（民國 107 年）有效之國際海事組織（IMO）《船舶保護塗層性能標準》（PSPC，依 SOLAS 公約第 II-1 章規定專用海水壓載艙及散裝貨船雙舷側空間塗層標準）為防蝕工程基準。

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解題方法

本題為標準的「機制＋對策」二段式申論題型，作答切入點如下：

1. 侵害種類（自然力成因）：依照破壞本質分類論述，由微觀到宏觀，依序探討「化學腐蝕」、「電化學腐蝕（海洋中最主要形態）」、「物理沖刷與空蝕（機械與流體複合作用）」及「生物侵蝕」。
2. 防蝕方法（工程應對技術）：採取對應策略，分類為「塗料保護（隔絕屏蔽）」、「電化學保護（陰極防蝕法）」以及「船舶結構設計與日常營運保養」。

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選項分析

本題為高考三級之申論題，非選擇題，故無選項。評分標準著重於：

• 是否能精準區分「純化學腐蝕」與「電化學腐蝕」之差異。
• 陰極防蝕是否完整列出「犧牲陽極法（SACP）」與「外加電流法（ICCP）」，並說明兩者原理。
• 內容結構層次分明，專業名詞（如電偶腐蝕、空蝕、富鋅底漆）使用精準。

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解題技巧

1. 答題結構化（二大主標、四小項對三小項）：

• 侵害記「化、電、物、生」（化學、電化學、物理磨蝕、生物侵蝕）。
• 防蝕記「塗、電、管」（塗裝隔絕、電化學防蝕、管理與設計）。

2. 常見失分陷阱：

• 陷阱一：僅回答「生銹」，未指出海水身為強電解質引發的「電化學微電池」腐蝕本質。
• 陷阱二：防蝕僅寫「油漆與鋅塊」，漏掉大型商船普遍配置的「外加電流陰極防蝕系統（ICCP）」。
• 陷阱三：混淆陽極與陰極；保護船體時，船體鋼板必須為「陰極（受保護極）」，消耗極為「陽極」。

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【答案】

一、自然力對船體鋼板之侵害種類

自然力對暴露於大氣與海水環境中之船體鋼板造成的侵害，依物理、化學及生物機制可分為以下四類：

1. 電化學腐蝕（Electrochemical Corrosion） 海水富含氯化鈉等離子，為優良電解質。船體鋼板表面微觀組織不均勻，極易形成微電池反應；此外，當鋼板與不同電位之金屬接觸（如青銅螺槳與鋼質船尾構件）時，即引發強烈的「電偶腐蝕（Galvanic Corrosion）」，鋼板作為電位較負之陽極迅速釋出電子而溶解生銹。局部通氣不良處（如水線帶、污泥堆積處）亦會形成濃差電池，引發嚴重的點蝕（Pitting）與縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）。