我国古典名著《易经》中,有一句卦辞是:“包荒,用冯河”。这句话的意思是,抱着空心葫芦去渡河。在阿基米德发现浮力定律之前,人们已经懂得利用大自然中的浮体去渡水了。
后来,类似空心葫芦这种用来渡水的浮体,迭代出浮力更大的浮具:把很多葫芦用绳子绑在一起,捆在背上或扎在腰间,这也被称为“腰舟”。人们开始饲养牲畜后,有些地区的人会用兽皮充气后制成皮质的浮具来渡水。
从物理学的角度看,一艘万吨钢铁巨轮浮在海上,和古人抱着葫芦浮在水面在原理上并无不同。不过,钢铁毕竟是钢铁,密度远大于水。那么,钢铁巨轮究竟是如何做到稳定地浮在海面上呢?这种稳定状态又会在什么情况下被打破呢?
“中国海监1001”号船上的“吃水线”。图片由作者提供
船是怎么浮起来的
如果一个人走近一艘船仔细观察,就会看到船体上有一道刻度尺似的标记,这个就是船的吃水线。在预期的设计中,当船自由地浮在静水上时,船体表面和水面的交线对应的刻度,就是此时船体浸在水中的深度。
船要想航行,首先要能稳定地浮在水上。浮性,就是指在一定装载情况下,船浮于一定水面或者水中位置的能力。如果浮性不足,船就会下沉,甚至沉没。
和水中任何物体一样,船漂浮在静止水面时会受到两种力的作用:一个是重力,一个是浮力。
在这里,重力大小不仅仅是船体本身的重量,比如军舰,还包括机电设备、武器装备、弹药、人员以及各种载荷的重量。这些重量形成一个垂直向下的合力,重心的位置则取决于全船重量的分布情况。
一张钢板会沉入水底,但钢板制成的船为什么能漂浮于水面?因为它是一个中空而水密(指在一定的水压作用下,船体内部保持不透水的密闭性能)的壳体,能排开相当重量的水而获得很大的浮力。
浮力是竖直向上的,作用点通过船的浮心。船漂浮在静止水面时,浸在水中的船体表面上每一部分都受到水的压力,这些压力都和船体表面垂直,力的大小则和水的深度成正比。不论物体或船体是什么形状,从水平方向来看,来自水的压力都是互相抵消的;而从垂直方向来看,则会形成一个垂直向上的合力,这个合力就是船受到的浮力。
所以,当船舶静止漂浮在水面一定位置时,就处于平衡状态。此时,重力和浮力大小相等,方向相反。
排水量是什么
行业内的人在交流一艘船的基本信息时,常会先问:“多少吨?”这个“多少吨”,指的就是船的排水量。因为排开水的重量也就是船受到的浮力,所以排水量也可以理解成船本身的重量吨位。
即使是万吨级别的巨轮,要计算排水量也脱不开这个简单的物理公式:Δ=ρV。其中,V指船排开水的体积,ρ指水的密度,淡水密度为1.000g/cm³,海水密度为1.025g/cm³,计算的结果Δ就是船的排水量,也就是“船的吨位”。
不过,在实际使用过程中,船的载重量往往会发生变化,特别是在装卸时体现得最为明显。当载重减少时,船的重力小于浮力,船舶就会上浮一些,排水体积减小,这个过程中浮力减小,而当浮力减小到与重力相等时,又会达到新的平衡;反之亦然。所以,货船和军舰在装卸货物或装备的过程中,船也会随着吃水量的变化而浮浮沉沉。
船的载重基本上分两类:不变重量(A)和可变重量(B)。其中,不变重量是船使用过程中,重量和重心位置固定不变的载重,比如船体、武器装备、各种装置设备和固定压载等。可变重量则是指,在使用过程中重量和重心位置会发生变化的载重,其中,燃油、滑油和备用锅炉水属于B2,余下的都是B1,包括人员、食品、淡水和弹药等。
随着可变重量装载情况的不同,船的排水量又可以分为:空载排水量、标准排水量、正常排水量、满载排水量和最大排水量。
其中,空载排水量是指舰船装备齐全,但没有可变重量时的排水量。这是舰船建造之后可能达到的最轻装载状况,也就是说,只有完整的船和装备。
标准排水量是指空载排水量加上全额的B1,但不包括B2。这相当于舰船上燃油、滑油和备用锅炉水全部消耗完时的装载状况——这时候,人可以在船上正常生活,但船没法开走。
正常排水量是在标准排水量基础上再加一半的B2,也是我们通常所指的舰船排水量。正常排水量常常作为舰船设计时的指标。
满载排水量是指空载排水量加上百分百可变载重(B)的排水量。这是一般情况下舰船出航时的装载状况,装满了人员、食品、淡水、弹药以及满满的燃油和锅炉用水。
最大排水量指舰船满载状态下,再加上超额的燃油、滑油、锅炉水、弹药以及超编的人员、粮食、淡水等。这也是舰船可能达到的最大的装载情况。
船为什么要储备浮力
船的吃水线反映了船的装载状态。船上的载重越多,吃水线也就越深。如果超过了一定的刻度,可能意味着“船需要卸掉一些载重”。
为了保证航行安全,吃水线上会有个安全刻度,只要保证水面在这个安全刻度以下,就意味着排水量足够,浮力“达标”。
但仅仅达标还不够,设计师往往会多留出一些份额。所以,吃水线之上的空间也会设计成不透水、不进水的密闭空间,作为船的水密体积,必要时产生储备浮力。2017年,美国军舰“菲茨杰拉德”与民船相撞,舰体受损严重,舱底进水,但船并没有沉,就是因为舱底上方还有一些水密空间,可以产生储备浮力。
保证规定的储备浮力,是保证船浮性的主要措施。船舶的储备浮力通常用“干舷”表示,也就是船舶中部由满载吃水线到甲板上缘的垂直距离。干舷越大,储备浮力就越大。
储备浮力的大小通常以正常排水量的百分数来表示。军舰从作战的安全性考虑,一般都会预留出自身排水量一倍的储备浮力,具体数值随舰种的不同而有所区别。例如,驱逐舰通常储备浮力为100%~150%,巡洋舰为80%~130%,潜艇相对较小,一般为16%~50%。
与军舰相比,民船的储备浮力较小,其大小根据船舶的类型、航海区域以及载运货物的种类而定。内河驳船的储备浮力为10%~15%,海船为20%~50%。
储备浮力有多重要呢?要知道,很多海上沉船事故源自船舶超载。超载除了会降低船舶的操纵性,还会使得干舷降低,储备浮力减少。所以,作为船舶预留的抵抗外界不利条件的水密空间,储备浮力十分重要。
要保证航行的安全,方方面面都要做储备保障,不管是看得见的“粮草”,还是看不见的“浮力”。(张志友 黎明宇)