자유표면효과 (Free Surface Effect)
쉽게 풀면
탱크 안의 물이나 기름이 반쯤 차 있으면 배가 기울 때 출렁여서 배를 더 잘 넘어지게 만드는 효과이다.
왜 중요한가
자유표면효과는 겉으로 드러나지 않으면서 GM을 깎아먹는 대표적 원인이므로, 탱크 적재 계획과 소방수 사용, 침수 사고 대응에서 가장 먼저 점검하는 항목입니다. 실무에서는 부분 적재된 탱크 수를 최소화하고 탱크를 종방향으로 분할하는 설계 규칙으로 대응하며, 어선이나 로로 여객선의 전복 사고 조사에서 갑판 위 물의 자유표면이 결정적 원인으로 지목된 사례가 많습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
연료탱크가 반유상태일 때 자유표면수정량을 계산하여 실효 GM이 최소 기준을 만족하는지 확인한다.
탱크 안 칸막이 위치를 바꾸면 액체가 이동하며 배가 기울어지는 정도가 어떻게 달라지는지 시뮬레이션했다는 뜻이다.
조금 더 깊게 보면
자유표면효과의 크기는 액체의 양이 아니라 액체 표면의 관성 모멘트, 즉 탱크 폭의 세제곱에 비례하므로 넓은 탱크에 액체가 조금만 있어도 효과가 큽니다. 이 때문에 탱크를 가득 채우거나 완전히 비우는 것이 부분 적재보다 안전하며, 탱크 중앙에 종격벽을 세우면 효과가 4분의 1로 줄어듭니다. 또한 이 효과는 무게중심이 실제로 올라간 것과 같은 결과를 내므로 GZ곡선 전체가 낮아지지 소각도에만 영향을 주는 것이 아닙니다. 자유표면수정량(FSC)은 각 탱크별로 독립적으로 계산해 합산하므로, 같은 폭을 여러 탱크로 나누면 총 수정량은 줄어들지만 반유 상태인 탱크 수가 늘어날수록 수정량이 계속 쌓이므로 탱크 사용 순서를 계획해 반유 탱크 수를 최소화해야 한다. 탱크 폭의 세제곱에 비례해 효과가 커지므로, 폭이 넓은 화물창 중앙에 종방향 격벽 하나만 세워도 자유표면효과가 4분의 1 수준으로 줄어드는 것으로 알려져 있다.
주의할 점
다수의 탱크가 동시에 반유상태이면 자유표면효과가 누적되어 복원성이 크게 저하될 수 있어 적하계획에서 관리가 필요하다. 다수의 탱크가 동시에 반유상태이면 자유표면효과가 누적되어 복원성이 크게 저하될 수 있어 적하계획에서 관리가 필요하다. 소방수를 갑판 위에 대량으로 뿌리는 상황도 넓은 자유표면을 만들어 복원성을 급격히 낮출 수 있어, 화재 진압 절차에서 배수 관리가 함께 고려된다.