משקלה של האונייה יוצר כוח - כוח כבידה - הפועל כלפי מטה, ואילו דחיקת המים מפני משקל האונייה יוצר כוח הפוך, כוח עילוי, הפועל כלפי מעלה. השוויון בין שני הכוחות הוא היוצר את הציפה. מרכזו הגאומטרי של גוף האונייה השקוע במים מוגדר מרכז הציפה, או מרכז העילוי של האונייה; לצורך חישוב כוחות העילוי של האונייה ניתן להניח שזוהי הנקודה שבה פועל כוח העילוי. מרכז זה ינוע מעלה ומטה לפי המידה שבה האונייה שקועה במים, וינוע ימינה ושמאלה על פי נטייתה של האונייה (בעקבות העמסה לא מאוזנת של האונייה, בגלל גלים, ומסיבות אחרות). כוח הכובד פועל במרכז הכובד של האונייה - מרכז המסה של האונייה. מיקום מרכז הכובד משתנה בעקבות שינויים בחלוקת המעמס על האונייה.
שתי הנקודות האמורות ממוקמות על הציר האנכי המרכזי של האונייה. המרחק ביניהן חשוב מאוד ליציבות האונייה. אם מרכז הכובד נמוך דיו, תוכל האונייה להתייצב במקרה של נטייה לאחד הצדדים: מרכז הציפה ומרכז הכובד ייצרו יחד מומנט שישאף לאזן את האונייה. ואולם, אם מרכז הכובד גבוה מדי, המומנט יהיה הפוך ויגביר את הנטייה של האונייה, עד כדי סכנה ליציבותה.
מידת יציבותה של אונייה נקבעת על ידי נקודה הנקראת מטא-סנטר (metacentre). לצורך חישוב המטא-סנטר מניחים שעבור זווית נטייה קטנה שגדלה בהדרגה, מרכז הציפה B נע בקירוב על פני קשת של מעגל. מרכז המעגל הוא המטא-סנטר. הוא מחושב תאורטית בעת תכנון האונייה, ולפעמים גם בניסוי בפועל על האונייה. המרחק בין מרכז הכובד של האונייה למטא-סנטר הוא הגובה המטא-סנטרי. כאשר גובה זה קצר, או אף שלילי (כלומר, המטא-סנטר נמצא מתחת למרכז הכובד) האונייה עלולה להתהפך בקלות. מאידך, אם המטא-סנטר גבוה מעל מרכז הכובד, האונייה תהיה יציבה מדי, כלומר ההתיישרות מנטייה תהיה מהירה וקצרה מאוד, ותגרום אי-נוחות רבה לצוות ולנוסעים. אוניות בעלות גובה מטא-סנטי נכון יהיו בעלות זווית גלגול נוחה יותר, שיאפשרו התיישרות איטית יחסית: אוניית נוסעים תתיישר מגלגול בתוך 8 עד 12 שניות, לעומת אוניות משא שיתיישרו תוך 6 - 8 שניות.
אוניות אינן מאבדות את יציבותן בדרך כלל, אלא אם כן חדרו אליהן מים כתוצאה מנזק שנגרם לגוף האונייה, או כתוצאה משינוי מרכז הכובד של האונייה, למשל כאשר אונייה מובילה נוזלים ונוצר אפקט המכל המלא חלקית. עם זאת, יכולים להתרחש אירועים דינמיים של אובדן יציבות, כמו בעת תנאי רוח עזה או גלים גבוהים. יכולתה של האונייה לשוב ליציבותה תלויה באנרגיה הדרושה לה לשוב לנקודת היציבות; זו נמדדת על פי השטח הכלול בעקומת היציבות הסטטית שלה, המשורטטת על פי תנועת המטא-סנטר שלה. כדי לשמור על בטיחותה של אונייה, גופי הרישוי של אוניות מציבים כללי בטיחות שונים, התלויים במבנה האונייה. הרגולציה של כללים אלה נעשית על ידי ארגון הימאות הבינלאומי (IMO), המסונף לאומות המאוחדות.
לא ניתן לבנות אונייה שתהיה חסינה מטביעה. ואולם, תכנון נכון של האונייה יכול להביא לכך שהאונייה תוכל לשרוד נזק עד רמה מסוימת, ותטבע באיטיות במקרה של נזק כבד; זאת, כדי לאפשר את היחלצות הצוות והנוסעים. כדי למנוע את טביעת האונייה כתוצאה מנזק לגוף האונייה מחולק החלל הפנימי על ידי מחיצות אטימות למים, היוצרות תאים. התקינה הנקבעת על ידי ארגון הימאות הבין-לאומי קובעת את רמת החלוקה הנדרשת באוניות: אוניות נוסעים, שבהן נדרשת רמה גבוהה של שרידות, חייבת לעמוד בתקן של תא אחד, כלומר: על האונייה להמשיך ולצוף גם אם תא שלם הוצף במים. אוניות נוסעים גדולות יותר נדרשות לעמוד בתקן של שני תאים, כלומר עליהן להיות מסוגלות להמשיך ולצוף גם כאשר שני תאים הוצפו. במקרה של נזק כבד יסייעו התאים להאטת קצב הטביעה, ולמניעת התהפכות, כדי להשיג זמן רב ככל האפשר להצלת הצוות והנוסעים.
מאידך, יש גבול לחלוקה הפנימית של האונייה ולמספר התאים שניתן ליצור בה, שכן הדבר לא יאפשר ניצול יעיל של החלל הפנימי של האונייה. תנאי נוסף לחלוקת התאים הוא שאלה יהיו לרוחב האונייה; אם תא אחד יוצף בצד אחד בלבד של האונייה, עלולים המים להטות את האונייה עד להתהפכותה. בשל כך, תכנון האונייה מאפשר את הצפת התא לרוחב האונייה, כדי לחלק באופן שווה את משקל המים.
הידרודינמיקה.
התקדמותה של אונייה נתקלת בהתנגדות המים. ישנן כמה מרכיבים בהתנגדות זו, העיקרי שבהם הוא החיכוך של המים בגוף האונייה. מרכיבים נוספים הם האנרגיה המתבזבזת ביצירת הגלים בעת מעבר האונייה; האנרגיה המתבזבזת עם היווצרותן של מערבולות הנגרמות על ידי גוף האונייה, הגה הכיוון, וחלקים נוספים הבולטים ממנה; והתנגדות האוויר למעבר חלקי האונייה שמעל המים. מרכיב החיכוך בהתנגדות הוא יחסי לצפיפות המים, שטח המגע בין גוף האונייה למים, חזקה של מהירות המים יחסית לאונייה, ומקדם חיכוך ידוע, שהוא פונקציה של מספר ריינולדס (גודל חסר ממד הנקבע על ידי הכפלת צפיפות המים במהירות האונייה, כפול אורכה, חלקי צמיגות המים). בתכנון האונייה קשה מאוד לשלוט על מקדם זה, מכיוון שצפיפות המים וצמיגותם אינם ניתנים לשליטה ואורך האונייה ומהירותה מוכתבים בדרך כלל על ידי דרישות שונות.
כדי להקטין את ההתנגדות, וכך להגדיל את מהירות האונייה ואת יעילותה, יש צורך בהקטנת התנגדות זו. ניתן לעשות זאת על ידי צמצום שטח הגוף הפוגש במים, ותכנון טוב יותר של צורת הגוף השקועה במים, כך שתיצור גלים במשרעת קטנה יותר. אוניות שנועדו להפליג במהירות גבוהה הן בדרך כלל צרות יותר, וגופן חלק וללא תוספות כלשהן. בניית חרטום בולבוסי (פקעתי) מסייעת להתגברות על היווצרותו של גל החרטום, כפי שיפורט להלן.
דרך פשוטה להבנת התנגדות המים היוצרת גלים, היא בחינת הגוף ביחס לשובל שמותירה אחריה האונייה בעת ההפלגה. כאשר כלי השיט מפליג במהירות נמוכה, חרטום האונייה יוצר בעת מעברו במים גל, המתפשט במהירות רבה יותר מזו של האונייה, ומתפוגג כמעט בלי להשאיר שובל. כשגוף האונייה מתקרב למהירות התפשטות הגלים, מתחיל להיבנות גל חרטום שאינו מתפזר, והמשרעת שלו גדלה. במילים פשוטות, "המים אינם מצליחים לחמוק מגוף האונייה בזמן", ולפיכך על הגוף למעשה "לטפס" על הגל המתהווה, או לפלס את דרכו בתוך הגל. בשל כך, התנגדות המים מתחילה לעלות בקצב מעריכי עם עליית מהירות האונייה. כאשר היחס בין המהירות לאורך הגוף (שהוא מהירות האונייה במיילים לשעה, חלקי השורש הריבועי של אורך האונייה ברגליים) עולה על 0.94, עולה מהירות האונייה על מהירותו של גל החרטום; וכאשר היחס בין מהירות האונייה לאורכה עולה על 1.34 אורך הגל של גל החרטום ארוך יותר מאורכה של האונייה (ראו גם מהירות קער): הירכתיים אינן נתמכות יותר בשובל של גל החרטום והן מתחילות לשקוע, והחרטום מתחיל לטפס על גל החרטום. ביחס כזה ההתנגדות גבוהה מאד; ניתן אמנם להניע אונייה במהירות שתביא אותה ליחס גבוה יותר, אך השקעת האנרגיה הדרושה לכך גבוהה מאוד ולגמרי לא כלכלית. רוב כלי השיט הגדולים פועלים ביחס מהירות/אורך נמוך בהרבה, פחות מ-1.0.
התופעות ההידרודינמיות של אונייה ניתנות לבחינה מוקדמת באמצעות ניסוי בדגמים בבריכות מים המדמות מצבי ים שונים, או באמצעות דגמים ממוחשבים. ניסויים אלה ממחישים את ההתנגדות שתיצור תנועת האונייה במים, ועל פי הנתונים הללו ניתן להעריך את אופי ועוצמת מערכת ההנעה הנדרשת לכלי השיט.
בעת הפלגה מושפעות אוניות מגלי ים, נחשולים, וכן מרוחות ומזג אוויר סוער. תנועות חדות של האונייה עלולות לגרום לפגיעות בנוסעים ובציוד, ולפיכך יש לנסות לייצב את האונייה מולן. תנועת הגלגול ניתנת לשליטה עד גבול מסוים על ידי שימוש ב או בסנפירי ייצוב. טלטול בציר האורך של האונייה מסוכן בהרבה וניתן הרבה פחות לשליטה; במצב זה החרטום עלול לשקוע במים, ולעיתים אין מנוס משינוי בנתיב האונייה או במהירותה כדי להימנע מטלטולים וגלגולים עזים.
אפיון נוסף של היציבות ההידרודינמית של אונייה היא היציבות הכיוונית. אונייה שסוטה ממסלולה רק על ידי הפעלת כוח חיצוני היא אונייה בעלת יציבות כיוונית; אונייה שסוטה ממסלולה גם ללא הפעלת כוח כזה היא חסרת יציבות כיוונית. אונייה חסרת יציבות כיוונית נוחה לתמרון, מאחר שקל לשנות את נתיבה. לעומתה, אונייה בעלת יציבות כיוונית שומרת טוב יותר על נתיב ההפלגה שלה, ויש צורך בפחות אנרגיה כדי לשמור על כיוונה. בשל שיקולים אלה מנסים מתכנני אוניות למצוא את השילוב הנכון בין שני הקצוות, וליצור אונייה שתהיה נוחה לתמרון אך שתדרוש אנרגיה מועטה יחסית כדי לשמור על נתיבה. עיקר המאמץ במציאת הפשרה הנכונה מושקע בתכנון גוף האונייה, בפרט בחלק השקוע במים.
חלקי האונייה.
בכל כלי שיט, יהיו גודלו ומטרתו אשר יהיו, קיימים כמה מרכיבים משותפים: לכל כלי שיט יש גוף, מסוג כלשהו (ממגוון רחב של חומרים, בתצורות רבות ומגוונות); לכל כלי שיט ישנו אמצעי הנעה (החל במוט וכלה בכור גרעיני); לרוב כלי השיט ישנה מערכת היגוי מסוג כלשהו. ישנם מאפיינים המשותפים לרוב כלי השיט, אם כי לא לכולם, ובהם מדורים, סַפְנוֹת, מבנה עילי, וכן מערכות שונות כמו עוגנים, מנופים, כננות, ועוד.
צד ימין של הספינה מכונה starboard וצד שמאל מכונה port side. בימין ושמאל הכוונה היא יחסית לחרטום, משל הספינה הייתה אדם והחרטום היה פני האדם - ימין ושמאל בכלי שיט.
גוף.
במאות קודמות נבנו אוניות מעץ, וכיום נבנות רוב האוניות מפלדה. השימוש באלומיניום בכלי שיט מהירים נפוץ, וכן הולך ומתפשט השימוש בחומרים מרוכבים לספינות מפרש וליאכטות.