海上的天气就像孩子的脸,变幻莫测,那么船只航行在大海上,为什么不会翻呢?
当然,翻船的情况也是存在的,不过这算是小概率事件,大多数的情况下,船只都不会因风浪而翻覆,否则就没有人敢坐船了。如果我们注意观察一些小型船只,就会发现,它们总是会随着海水的波动而左右晃动,有时晃得大,有时晃得小,但无论大晃还是小晃,最终它们都能重新归正,而不会翻覆,为什么会如此呢?奥秘还要在船体上找。任何两个具有质量的物体都具有相互的引力作用,对于所有存在于地球上的事物而言,它们都受到来自地球的引力作用,方向指向地球的中心。
一个物体所受到的地心引力是作用于这个物体上的每一个点的,而每一个点所受的引力的合力就是这个物体的重量,每一个点所受的引力合力的作用点就被称之为物体的“重心”。
任何一个物体都有一个重心,无论它的形状是否规则,而且物体的重心也并不一定就要在物体之上。回到船的问题上来,很显然,船是一种比较规则的形状,所以一艘船的重心大概就位于这艘船中心靠下的位置,这与船的大小和高矮没有太大的关系,因为即便是高度达到了64米的“海洋绿洲号”巨型邮轮,它的重心依旧在船体的中心靠下位置。因为即使船体再高,一艘船最重的部分依旧是位于船只底部的。
重力将船只向下拉,但船并没有沉入水中,为什么呢?
因为有一个力在与重力对抗,它就是浮力,海水的浮力。浮力是竖直向上的,它与重力的方向恰好相反,但不同的是,重力是作用于整个船体的,而浮力是作用于没入海水内部的船体部分的,所以我们常说一个物体的排水体积越大,它所受到的浮力也就越大。浮力还有一点与重力相似的地方,就是它也是作用于没入水中船体的每个点上的,所以每个点所受的浮力的合力也就会汇聚在一个点之上,这个点就被称之为“浮心”。对于一艘在水面上平稳航行的船只来说,浮心的位置位于重心之下,两者位于同一条垂直于水面的直线之上。
正是因为浮心位于重心之下,所以船只才可以漂浮在水面之上。
然而,船只并不可能永远平稳地航行在水面上,事实上每时每刻船只都在晃动。当一艘船因海面的波浪而向右倾斜时,船的重心位置是不会发生任何变化的,因为只要物体的体积和形状不发生改变,重心也就不会变化。可浮心就不一样了,当船体向右倾斜,右侧的排水体积就会大于左侧,而浮力是作用于排水部分的船体的,所以此时浮心也会向右移动,这个时候,重心与浮心可就不在一条垂直于睡眠的直线上了,于是这两个方向相反的力就会产生一个扭力,把船体从向右倾斜的状态扭回来。
被扶正的船体会因为矫枉过正而开始向左倾斜,于是相同的故事又上演了,重心与浮心的合力又再一次将船体从左斜的状态扶正,而重力与浮力的合力所产生的力矩就被称之为“扶正力矩”。
于是在扶正力矩的作用下,船只左晃右晃,就是不翻。船虽然不会翻,但总是左晃右晃也受不了啊,小船还好说,如果是大型邮轮,上面的货物还不全都晃到海里去,船舱里的物品还不全都摔个稀碎。所以,为了让船能够始终平稳航行而不晃动,人们就在船底两侧安装了一个叫做“舭龙骨”的部件,这东西不管是大船还是小船,基本都有。
在船体发生晃动的时候,舭龙骨的两侧会产生与晃动方向相反的湍流,如此便能够有效降低船体的晃动幅度。
但对于大型邮轮来说,只靠舭龙骨还是不够,它们还装有一种形似鱼鳍的部件,这个部件就叫做“减摇鳍”,减摇鳍有被动式的,也有主动式的,主动式减摇鳍可以认为控制进行活动,能够有针对性地减缓船只摇晃的趋势,对于船只来讲,这算是一种高大上的配置,所以小船肯定是没有的。如果有了舭龙骨,又安装了减摇鳍,船只的晃动幅度还是不能令人满意,那也有办法,可以在船体内部安装减摇水舱,通过位于船体两次并相互连通的水舱来产生与晃动方向相反的力,从而起到平稳船身的目的。