2.4 船要儲備“糧草”，怎么還要儲備浮力？

我們現在都知道，公元前兩百多年的阿基米德在洗澡時發現了浮力原理。不過，在想明白這規律之前，人們就懂得借助大自然中的浮性去渡水了：

我國的《易經》中有一句卦辭是：“包荒，用馮河”，意思就是“抱著空心葫蘆去渡河”。這種用來渡水的浮具，后來迭代出浮力更大的版本：把很多葫蘆用繩子綁在一起，可以捆在背上或扎在腰間，也叫“腰舟”。后來人們開始飼養牲畜，有些地區的人會用獸皮充氣后制成皮質的浮具。

從物理學的角度看，一艘萬噸的鋼鐵巨輪浮在海上，和古人抱著葫蘆浮在水面本質上并無不同——

不過，鋼鐵畢竟是鋼鐵，密度遠大于水的鋼鐵巨輪具體是如何做到穩定地浮在海面，以及，在什么情況下這種穩定狀態會被打破呢？

船是怎么浮起來的？

船要能航行，首先要能穩定地浮在水面或水上。浮性，就是指在一定的裝載情況下，船浮于一定水面或者水中位置的能力。如果浮性不足，船就會下沉，甚至沉沒。

和水中的任何物體一樣，當船漂浮在靜止水面時會受到兩種力的作用：一個是重力，一個是浮力。

先看重力。在這里，重力大小不僅僅是船體本身的重量，還包括機電設備、武器裝備、彈藥、人員以及各種載荷的重量，這些重量形成一個垂直向下的合力，重心的位置則取決于全船重量的分布情況。

再就是水作用于船體的浮力。一張鋼板會沉入水底，但鋼板制成的船舶為什么能漂浮于水面？因為它是一個中空而水密（指在一定的水壓作用下，船體內部保持不透水的密閉性能）的殼體，能排開相當數量的水而獲得很大的浮力。

圖片說明：根據牛頓第三定律，艦船的平衡條件包括：一是重力與浮力的大小相等，方向相反；二是重心與浮心在同一鉛垂線上。

浮力是豎直向上的，作用點通過船的浮心。浮力是怎么產生的呢？如圖所示，浸在水中的船體表面上每一部分都受到水的壓力，這些壓力都和船體表面垂直，力的大小則和水的深度成正比。不論物體或船體是什么形狀，從水平方向來看，來自水的壓力都是互相抵消的；而從垂直方向來看，則會形成一個垂直向上的合力，這個合力就是船受到的浮力。

所以，當船舶靜止漂浮在水面一定位置時，它就處于平衡狀態，此時，重力就和浮力大小相等，方向相反。

排水量是個什么量？

行業內的人在交流一艘船時，常會先問：“多少噸？”指的就是船的排水量，因為排開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噸位。

即使是萬噸級別的巨輪，要計算排水量也脫不開這個簡單的物理公式：Δ=ρV，其中，V指船排開水的體積，ρ指水的密度，淡水密度為1.000kg/m3，海水密度為1.025kg/m3，計算的結果Δ就是船的排水量，也就是“船的噸位”。

不過，在實際使用過程中，船的載重量往往會發生變化，特別是在裝卸時體現最為明顯。當載重減少時，船的重力小于浮力，船舶就會上浮一些，排水體積減少，這個過程中浮力減小，而當浮力減小到與重力相等時，又會達到新的平衡；反之亦然。所以，貨船和軍艦在裝卸貨物或裝備的過程中，船也會隨著吃水量的變化而浮浮沉沉。

船的載重基本上分兩類：不變重量（A）和可變重量（B）。其中，不變重量是船使用過程中，重量和重心位置固定不變的載重，比如船體、武器裝備、動力裝置，各種裝置設備和固定壓載，等等。而可變重量就是指，在使用過程中重量和重心位置會發生變化的載重，其中，燃油、滑油和備用鍋爐水屬于B2，余下的都是B1，包括人員，以及食品、淡水和彈藥等。

隨著可變重量裝載情況的不同，船的排水量又可以分為：空載排水量、標準排水量、正常排水量、滿載排水量和最大排水量。

其中，空載排水量是指艦船裝備齊全，但沒有可變重量時的排水量，這是艦艇建造之后可能達到的最輕裝載狀況，也就是說，只有完整的船和裝備。

標準排水量是指空載排水量加上全額的B1，但不包括B2，相當于艦艇上燃油、滑油和備用鍋爐水全部消耗完時的裝載狀況——這時候，人可以在船上正常生活，但船沒法開走。

正常排水量在標準排水量基礎上再加一半的B2，這也是我們習慣上所指的艦船排水量，通常作為艦艇設計時的指標。

滿載排水量是指空載排水量加上百分百可變載重時的排水量，這是一般情況下艦艇出航時的裝載狀況，裝滿了人員、食品、淡水和彈藥，以及滿滿的燃油和鍋爐用水。

最大排水量指艦艇滿載狀態下，再加上超額的燃油、滑油、鍋爐水、彈藥以及超編的人員、糧食、淡水等，這也是這是艦艇可能達到的最大的裝載情況。

浮力還要儲備？

近距離觀看的話，你會看到船體上有一道刻度尺似的標記，那就是船的吃水線。在預期的設計中，當船自由地浮在靜水上時，船體表面和水面的交線對應的刻度，就是此時船體浸在水中的深度。

通過吃水線也可以查看船的裝載狀態。船上的載重越多，吃水線也就越深，如果超過了一定的刻度，可能意味著“船需要卸掉一些載重”。

吃水線是怎么來的？掃碼看一段吃水線的小歷史

為了保證航行安全，水線上會有個安全刻度，只要保證水面在這個安全刻度以下，就意味著排水量足夠，浮力“達標”——

但僅僅達標還不夠，還需要多留出一些份額。所以，水線之上的空間也會設計成不透、不進水的封閉空間，作為船的水密體積，必要時產生儲備浮力。2017年，美國軍艦“菲茨杰拉德”與民船相撞，艦體受損嚴重，艙底進水，但船并沒有沉，就是因為艙底上方還有一些水密空間，可以產生儲備浮力。

保證規定的儲備浮力，也是保證船浮性的主要措施。船舶的儲備浮力通常用“干舷”表示，也就是船舶中部由滿載吃水線到甲板上緣的垂直距離，干舷越大，儲備浮力就越大。

儲備浮力的大小通常以正常排水量的百分數來表示。水面戰斗艦船從作戰的安全性考慮，一般都會預留出自身排水量一倍的儲備浮力，具體數值隨艦種而不同。例如，驅逐艦通常儲備浮力為100％-150％，巡洋艦為80％-130％，潛艇則相對較小，一般為16％-50％。

與軍艦相比，民船的儲備浮力較小，其大小根據船舶的類型、航海區域以及載運貨物的種類而定，內河駁船的儲備浮力為10％-15％，海船為20％-50％。

儲備浮力有多重要呢？要知道，很多海上沉船事故源自船舶超載，就是因為，超載除了會降低船舶的操縱性，還會使得干舷降低，儲備浮力減少。所以，作為船舶預留的抵抗外界不利條件的水密空間，儲備浮力十分重要——

要保證航行的安全，方方面面都要做到儲備的保障，不管是看得見的“糧草”，還是看不見的“浮力”。

來源: 海軍大連艦艇學院

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