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“船舶稳性好,不怕风和浪”:浅析我国古代对造船原理的认识

来源:芳谈历史  2020-01-17  我要评论  

导读:

船既是工程技术的产品,又象是宏伟而精巧的艺术品,它包含着丰富的科学原理。这些原理是古代劳动人民在数千年的造船与航行实践中逐步认识和掌握的。

船既是工程技术的产品,又象是宏伟而精巧的艺术品,它包含着丰富的科学原理。这些原理是古代劳动人民在数千年的造船与航行实践中逐步认识和掌握的。

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一、浮沉有规律,排水知重量

船,首先要能在水上浮,就是潜水艇,也是有“潜”有“浮”。船在水中,受到水的向上的浮力,浮力的大小等于船体所排开水的重量(即排水量)。万吨轮能浮于水,是因为它体积大,内部空,只要一部分没入水中,产生的浮力就可以和整个船的重量相等。小小的一根针,放到水中就下沉,这是因为针小,体积有限,排水量小,产生的浮力小于针的重量。

我国古代劳动人民在长期的航运实践中,看到船上多装一些货物,船就下沉一些;货物卸下后,船又上浮了,从而逐步掌握了船的浮性以及船的重量与排水量之间的关系。

公元3世纪时的三国时期,孙权送给曹操一只大象,曹操想知道它的重量,无奈象体庞大,哪有这样大的秤来称它呢?这时,曹操的小儿子曹冲提出一个建议:把象拉到船上,刻下船的吃水记号,再把象拉到岸上来,然后把别的物品装到船上,直装到所刻的吃水线为止,这样,称出这些物品的总重量就可知道象的重量了。

这个故事固然很有趣,但称象所根据的原理决不是一个小孩的新发现。根据船的吃水确定载重量早已是船工们的常识,称象的故事正说明这种常识在当时已达到了童稚也可以知道的地步。

古代劳动人民应用船的浮性原理,从水中打捞重物的故事更是光彩照人。八百多年前,山西蒲州(潼关附近)有一座横跨黄河的浮桥,它是用大铁链系在八只大铁牛身上加以固定的。有一年黄河大水,浮桥被冲垮,有只大铁牛也沉到了河底。有什么办法把一条数万斤重的铁牛捞上来呢?这可真是个难题。当时贴出榜文,征求解决难题的办法。前来应征的却是一个家庭很贫困,从小出家做和尚的人,名叫怀丙。

他用什么办法呢?说来也简单,他将两只装满了砂土的大船,夹在铁牛两旁,把大木横搁在两条船上,用粗大的缆索把它与船系紧,再在大木上缚一根结实的缆索,缆索下端挂了钩子,钩住铁牛,然后卸去船上的砂土,砂土越卸越少,船就愈来愈向上浮,铁牛也就逐渐“浮”起来,最后船上砂土卸完,铁牛就捞起来了。这个事例可以说是我国近代和现代打捞工程的先声,它比“称象”的难度更大,水平更高。

“称象”也好,“捞铁牛”也好,都是对船的浮沉规律、船的重量与排水量之间关系的正确认识。与此相关,我国古代造船工人和船员对船的容积和载重量也早就有了比较确切的量度。古书上记载着:唐代海船可载万斛;宋代往返中国与朝鲜之间的客舟可载二千斛。明代的一些造船专著记载有二千料的大黄船、二百料的巡沙船、一千料的海船等等。“斛”和“料”,都是古代度量单位,相当于今天的担。

二、船舶稳性好,不怕风和浪

船在水上不仅要能浮,还要在航行中经得起风吹浪涌,不会倾覆。有的船更要求在风浪中平稳地进行作业。

早在使用独木舟时,人们就发现:在舟中站立起来活动就有翻船的危险,而坐下来就稳当得多。这类现象反复多次以后,就使人们认识到,重心的高低是船舶稳性的一个重要因素。独木舟之所以容易翻,还因为它宽度较小。如果把两只独木舟并联起来,就稳得多。舫船的使用,一个重要目的就是为了提高船的稳性。后来,这种形式的船应用相当广泛。宋代有一幅《并舟举网图》就是一例。

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并舟固然可以提高稳性。单体船加宽同样可以达到这个要求。有些较为狭长的船只,为了提高稳性,也可以采取一些临时措施。例如长期以来在我国沿海航行的福州运木船,船体狭长,航速快,但稳性较差。所以在它满载木材的时候,两舷外侧绑扎许多木材。这样,当船受到侧向强风吹袭,恶浪扑打,船体倾侧,但由于这时舷侧所挂木材没入水中,等于增大了船宽,得到了补充的浮力,稳性大大提高了。这的确是劳动人民在实践中的一个创造。

重心低,宽度大,船的稳性就好。这个道理在造船中有广泛的应用。双体的勘探船在风浪中较顺利地工作,不正是船宽大、稳性好的缘故吗?

三、设置水密舱,抗沉能力强

1912年4月14日,英国46000吨级的豪华大客船“巨人”号,在初次航行中,船体碰到了潜浮的冰山,舷侧被划开了10多米长的裂缝,顷刻之间,船内大量进水,船的浮态和稳性很快丧失,“巨人”迅速沉没,1360人死于非命。这一“冰海沉船”的事件,当时轰动了世界。

我国早在八世纪的唐代以前,就已经采用了设置水密舱壁,把船体内部分隔成许多部分的措施。这种保证船的抗沉性的构造形式,早已成为我国木船建造的常规。所以,古代各国人民都认为中国船只安全可靠,乐于搭乘。

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欧洲人到了17世纪也开始仿照我国帆船的这种构造形式,造出了有水密隔舱的船,可是为了降低造船成本,增大装载容积,获得高额利润,直到本世纪初,还有许多船不设或少设水密隔舱,以致遭到了“巨人”号同样的命运。

四、船形求合理,快速有保障

船在水上运动,航速也是个重要性能。特别是战船,攻击时要迅速接近敌船,必要时要迅速回避敌船。船的快速性成了关系胜数的因素之一。船前进的过程,也就是克服各种阻力的过程。要船航行得快,就要减少水对船的阻力。我国劳动人民根据船在航行中产生的各种不同阻力,逐步设计了相应的合理船形。

船在低速航行时,兴起的水面波浪很小,船受到的主要是水对船体表面的摩擦阻力,以及由于船形突变而产生的旋涡阻力,因此低速大型货船做得都较宽较深,以求在同等载重量情况下减小船体表面面积。同时,注意把船体做得光顺平滑。我国古代的货船很多是按这个原则建造的。

船在中速航行时,会从头尾兴起波浪,并向两旁和船后散开。因此,船的头尾应做得尖瘦些,便于破浪而行。过去人们一般认为,船宽就走不快。这种说法是有一定道理的,但不太全面。如果说头尾宽了,当然走不快,而头尾尖瘦,中部宽大,对航速影响并不大。现代船舶阻力试验结果证明:在中等速度时,船身宽狭不是航速的决定因素,而船头尾部的肥瘦才是关键所在。泉州湾宋代古船长约30米,宽度在10米以上,相比之下是很宽的,但它的头尾却做得比较瘦削,这证明宋代造船工人对船舶阻力原理的认识是很深刻的。更高速航行的船,整个长度都会兴起波浪。船必须造得又长又轻,这样排水量小些,船所兴起的波浪也就小些。

我国古代有许多快速战舰,都是按这个原则造的。例如汉代水战时有用于冲锋的“先登”,有速度快捷、能攻击敌船的“艚艨艟”,有船舷上装置女墙掩蔽士兵的“斗舰”;有船体赤色的轻型战船“赤马”;侦察敌阵用的“斥侯”;有船身较长船体较小的“艇”,等等,都属于这一类。南朝梁元帝时,有种称为“鹅的战船,船型狭长,两旁各有八十支浆。水手们驾驶着这种战船,“去来趣袭,捷过风电”,可见其速度之快。

五、江海能适航,操纵亦优良

航行江河的船舶不一定适用于海洋。海洋上水面宽阔,风急浪高,船的升沉摇晃比在江河中激烈得多。这不仅对船体结构和船用设备的坚固性提出了很高的要求,而且也要求船体形状适应海浪的情况,在浪涛上航行得平稳一些。

在宋朝《宋会要辑稿》一书中,说到当时曾造过一种战船,“其船系湖船底,战船盖,海船头尾……江海淮河无往不可。”很明显,这是一艘江海两用船。“湖船底”较宽大,利于装货。但值得注意的是“海船头尾”一句,说明当时的造船工人已深知船的头尾形状在波翻浪涌的海面上对适航性有重要的影响。而现代对船舶适航性的研究结果完全一致,同样认为尖楔形船首的船在波浪上的航行性能较好。泉州湾宋代海船是一艘尖底船,首部正是尖楔形的,可见当时造船工匠对海船首部线型的特点认识是明确的。

为了改善船舶的适航性,我国南方自古以来在许多木帆船首部或尾部左右舷设有一对“开式减摇水舱”。在涌浪中当船尾下倾时,水舱进水,水的重量使船尾上昂的速度减慢。这种水舱对缓和船的前后摇晃十分有用。另外,对减缓横摇也有一定作用。它也是我国劳动人民的独特创造。

船,还要能按照驾驶人员的意志向前行驶或调头等。约在两千多年前我国船上已装设了舵,这是操纵航向的主要设备。古书《魏略》说到三国时,孙权乘了大船去观察曹操的营寨,曹操命令用箭来射,一时万弩齐发,箭如飞蝗,船的一侧中箭很多,倾斜严重,有翻掉的危险。孙权就沉着地命令把船掉过头来,继续受箭,等到船两边重量平衡时,就把船驶回去了。这段故事不仅说明了孙权在船产生危险的倾斜时能采取对称加重的办法,消除倾斜,更表现了当时的船已能敏捷地回转调头,保持航向,具有优良的操纵性能。

六、结语

浮性、稳性、抗沉性、快速性、适航性、操纵性………建造船舶的原理是何等的丰富多彩,而我国古代劳动人民认识和利用这些原理的事例又是多么发人深省。在祖国的造船史上,正是千百万劳动人民的双手和智慧造出了船,同时也是他们发展了造船科学。

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