海军建筑

当我第一次听到造船学这个词时，我认为这是设计漂亮船只的艺术实践。事实证明，这是一门专门用于船舶工程的科学学科。在本文中，我们将讨论造船学的不同方面。我将解释船舶是如何推进的，是什么让它们保持漂浮状态，以及它们如何精心设计，即使在动态条件下也不会倾覆：要了解为什么船舶在波浪形的海水中左右摇晃，我们首先必须明白，是水本身对船舶的所有行为负责。我们将从一个简单的设备开始——一个充满水的注射器。你以前可能见过注射器。当按下其柱塞时，注射器的内容物从另一端出来。在下面的演示中，我们将注射器通过细软管连接到另一个装有弹簧的容器。整个系统都充满了水。当您增加柱塞上的力时，观察软管另一端的小弹簧被压缩：通过对柱塞施加力，我们增加了流体中的压力，从而推动小活塞并压缩弹簧。我们可以使用压力表测量该压力。在下面的演示中，滑块允许您控制施加的力和柱塞的面积：观察压力表上的压力 P 与垂直输入力 F 成正比，但与面积 A 成反比。我们可以将它们联系起来三个值使用以下公式： 在公制系统中，压力以帕斯卡 (Pa) 表示，以 Blaise Pascal 命名，而在英制系统中，通常使用磅每平方英寸 (psi)。

请注意，我们不再有任何弹簧可以压缩。即使我们施加了一个力，柱塞也不会移动，因为与空气不同，水的可压缩性最小。挤压一个空的、拧紧的塑料瓶很容易，但是当装满水时，瓶子不会移动太多。在我们在这里施加的压力下，水实际上不会改变其体积。使用注射器，我们通过推动柱塞直接施加力，但是，我们可以通过将沉重的、紧密配合的重物放在容器中的水面上来重新进行该实验。在下面的演示中，您可以控制砝码的重量，以查看它如何影响仪表的压力读数：请注意，即使我们移除砝码，压力计也会显示非零读数。水本身也有重量，因此其高于测量点的质量也有助于读数。让我们尝试量化水施加的力。首先，注意测量上方的水的形状形成一个高度为 h 的圆柱体，底面积为 A：该圆柱体的质量 m 只是其体积 V 乘以所含水的密度 ρ：突出显示的体积然而，V 也可以表示为底面积 A 乘以高度 h，我们可以将其代入质量 m 的方程中： 作用在水面上的重力 F 等于其质量 m 乘以重力加速度 g ：

如果我们现在将所有这些值代入压力 P = F / A 的方程，我们得到： 我们可以通过减少面积 A 来简化，以获得密度为 ρ 在表面下深度 h 处的液体压力 P 的最终方程：产生的压力 P 与底面积无关，它只受上面水的高度 h 和密度 ρ 的影响：通常，水的密度 ρ 不是恒定的，取决于温度和盐度，但在尺度上我们'感兴趣我们可以假设它的值不会改变。如果您还记得我们第一次演示装载注射器时，您可能还记得施加在柱塞上的压力通过软管“移动”以作用于距离注射器本身很远的弹簧。完全相同的规则适用于此。观察此 L 形容器的两个不同位置的压力表显示的压力：即使在某些情况下，右侧的压力表“直接”上方的水较少，但始终显示相同的压力。这似乎有点令人惊讶，但您可能会同意，如果我们从装满容器的容器中取下绿色塞子，由于该区域的压力非零，水会从开口流出。不可压缩流体中的压力行为被称为帕斯卡定律。它指出施加到液体任何部分的压力都会向各个方向传递。因此，连接的水体中的压力在自由表面下的每一层都是相同的。

值得强调的是，在这些静态情况下，给定水平的压力完全取决于水体的高度。这可能会产生一些意想不到的后果。例如，这两个容器底部的压力完全相同：请注意，与宽容器相比，细吸管中的水少了多少。这种情况被称为帕斯卡桶。通过将吸管加长并装满水，我们可以使桶内的压力任意大，使其爆炸。虽然帕斯卡本人可能从未进行过该实验，但一些现代娱乐活动取得了成功。压力本身没有任何方向——它是一个标量值，就像温度一样。然而，压力施加的力作用在法线方向，即局部垂直于物体表面的方向。我们可以用小箭头想象压力产生的局部力：事实上，这些力不仅作用于容器本身，而且作用于任何放置在水中的物体。在下面的演示中，一根红砖挂在一根绳子上。您可以使用滑块将其浸入水中：从这一点开始，我将取消容器的限制，而是搬到户外，在那里我们将事物淹没在广阔而宁静的海水中。在这种新环境中，压力规则保持不变——毕竟，我们仍在与水打交道。砖块现在挂在一根绳子上，绳子上连着一个秤，我们将把它放低。请注意，随着砖块的大部分浸入水下，刻度显示的重量会减小：虽然水压力的水平箭头相互平衡，但垂直箭头不会，并且压力施加了向上推的净正力在砖上。所有的小箭头加起来就是被称为浮力的累积力。在这个例子中，浮力不足以完全克服作用在砖块上的重力，但它设法在一定程度上减少了它，这减少了由秤测量的重量：

请注意，为了清楚起见，我将箭头稍微分开了一点，但在这个简单的场景中，浮力和重力实际上位于同一条垂直线上。如果我们用木块代替砖块，情况会有所改变。随着木块轻轻下降，它会达到水能够将其保持在表面上的程度，并且绳子会松弛：如果我们移除绳子并手动将木块推入水下，浮力会变得更高比块的重量。当我们放开方块时，水会将它向上推：一旦方块获得一定的速度，它甚至可能会超过其稳定位置，结果又被重力拉下。一段时间后，水阻力减慢了摆动运动，足以让块找到其稳定的平衡。让我们尝试量化压力产生的浮力。自然地，这里的力是三维的，但是，观察到所有水平分量都在相反的一侧匹配并且它们相互抵消。只有顶部和底部的压力不平衡。你可以拖动方块来查看作用在它上面的所有压力： 作用在顶面区域 A 上的砖块顶部的压力 PT 所施加的力 FT 等于： 向上方向的浮力 F 的合力为两者的区别：

F = FB − FT = ρ × g × ( h B − h T) × A 高度 h 和底面积 A 的乘积是水下物体的体积 V，这给出了将浮力与密度为 ρ 的流体的置换体积 V：置换体积是通常占据空间的流体体积，而该空间现在已被物体填充。我们还可以观察到密度 ρ 乘以体积 V 就是质量 m：这就是力就是被置换流体的重量。这个一般规则称为阿基米德原理，它指出浮力等于物体排开的流体的重量。请注意，浮力不取决于物体本身的重量，它仅受该物体浸入水中的体积影响。您可能想知道相同的规则是否适用于任意形状。毕竟，我已经方便地使用了一个普通的木块来简化体积和力的计算。但是，我们甚至可以通过将平滑形状细分为任意小的矩形棱柱来使用相同的方法。在下面的演示中，您可以使用越来越小的棱镜来近似球体的形状。为清楚起见，我只为顶部和底部表面着色。您可以四处拖动模拟以从不同角度查看它：请注意一组块开始类似于球体的平滑形状的速度。

现在我们知道浮力取决于淹没的体积，我们还可以分析当木块用力倾斜时会发生什么：压力施加的局部力不再对称，因此它们最终对身体产生不均匀的影响。乍一看，可能很难弄清楚所有这些小箭头的累积效应是什么。然而，就像我们可以将构成物体的所有粒子的重量简化为作用在其重心上的单一重力一样，我们也可以将作用在物体表面的局部压力简化为通过浮力中心，我用蓝色的小圆圈形象化了：事实证明，浮力中心就是排开水的重心。请注意，浮力可能与物体的重力不一致。这种力的错位会产生扭矩，导致物体旋转，直到它找到平衡，当重力和浮力对齐时就会发生这种情况。从某种意义上说，我们目前看到的漂浮的木块形成了一艘非常简单的船——木筏。它不是一艘非常实用的船只，因为它的载货量很小。我们还希望确保一艘船可以保留这些元素，因此理想情况下我们会使用更坚固的材料。一块实心钢块不会自行漂浮，因为它的重量远大于作用在其中的浮力。然而，如果我们将块的内部挖空，我们将在保持体积的同时显着减少它的质量：我们在这里看到的是一个非常简单的船体——船的主体。尽管由钢制成，但这种类似浴缸的身体现在能够漂浮。请注意，这艘船的行为与木块非常相似：这就是船最终漂浮的方式。它可以排开的水的重量大于船本身的重量，从而使重力和浮力相互平衡。虽然这种船体形状用于驳船上，但典型的现代船舶的船体看起来更像下面演示中的船体。你可以拖动它来改变视角：这个船体覆盖着一层甲板，但一些较小的船可能有一个敞开的顶部。船的前部称为船首。这艘船体有一个球状的船头，它是前底部的“鼻子”——对于较大的船舶，它可以改善船体周围的流动，减少阻力。船的后部称为船尾。船的左侧和右侧分别称为左舷和右舷。后部的鳍状物体称为舵，用于操纵船舶。旁边的扇形装置是螺旋桨，当它由发动机旋转时，推动船前进。

大多数船舶具有流线型的形状，这减少了航行时的运动阻力，因为船头可以更容易地分开水。除了阻力考虑之外，船体的形状似乎或多或少是任意的。然而，造船工程师必须考虑另一个非常重要的因素——船舶的稳定性。到目前为止，所有的砖块和木块都在原始条件下漂浮，但在实践中，开阔的水域很少完全平静。波浪和风引起的扰动通常会使船体左右摇晃：如果您从前面看船，您可以看到所谓的横倾角，它定义了船舶偏离垂直方向的程度。这个前视图对我们的考虑非常重要。首先，让我们看看在施加外力时，船体的比例如何影响船舶的行为。在下面的演示中，第一个滑块控制风，这将使船以一种或另一种方式倾斜。第二个滑块改变船体的比例：对于相对较宽的形状，船会因风而倾斜一点，但它会找到稳定的位置，并在风停止时恢复垂直。然而，对于更垂直的形状，即使风停止，船也会倾斜和倾覆。对于大多数船舶来说，这是一种灾难性的情况。为了理解发生了什么，我们需要看看重力和浮力是如何作用在倾斜的船体上的。正如我们之前看到的，当船倾斜时，两个力分开一定的距离，如下白色所示：那条白线是扶正臂，这是两个力之间的水平距离。通过该臂作用的浮力在船舶上施加旋转扭矩。顶部的卷曲箭头显示了转弯的方向。对于船体的短而宽的横截面，浮力作用于船的倾斜，有助于将其拉直。然而，对于更垂直的形状，浮力会随着船的倾斜而起作用，使其旋转得更远！

我们可以使用下图可视化船体不同横倾角的扶正臂的长度。当横倾角在绿色区域时，浮力有助于拉直船。但是，如果船的角度在红色区域内，浮力会试图使船倾斜更多：某些船体形状本质上是不稳定的。与原始垂直平衡的最轻微偏差都会使船翻转。然而，即使在某些角度最初稳定的船体形状也达到了极限。所有这些例子都假设甲板是完全密封的，水不会进入船体。此外，影响船体稳定性的不仅仅是矩形比例。船舶的安全性还受其横截面形状的影响：乍一看，矩形越细，形状越细越好。然而，出于对乘客和货物安全的考虑，预计许多船舶只能以合理的横倾角运行。在该范围内，稳定性是可比的。此外，笨重的矩形船体允许更高的货物装载能力。另一种看待稳定性的方法是考虑元中心，它位于原始浮力中心的垂线与后跟浮力中心的垂线的交点处。我用一个白点形象化了那个交叉点：只要元中心保持在重心上方，那么倾斜的船就会尝试恢复垂直。设计船体的海军建筑师必须确保船舶在预期的角度范围内保持稳定。一些船舶，例如帆船，设计用于处理更高的横倾临界角，但它们的结构还采用了通过使用附加在船体下方的附加重量来降低重心的技巧。这确保了超中心可以在更大的角度范围内保持在重心上方。

虽然一艘船及其机械具有相对固定的质量和位置，但不幸的是不能说它承载的货物。大多数在海洋水域航行的船只都携带某种货物，通常装在标准化的集装箱中。让我们分析一下装载时这艘船会发生什么。在下面的演示中，我们正在查看船的内部。您可以控制集装箱的数量和垂直位置：随着集装箱的增加，船会下沉一点并增加其吃水——船体底部和吃水线之间的距离。在因货物而增加的重量和因水下部分体积较大而增加的浮力之间建立了新的平衡。但是，如果将重货放置得太高，一段时间后船舶会自发倾覆。让我们来分析一下大型船舶上集装箱垂直位置的变化如何影响其重心以及稳定性曲线：如果货物放置相对较低，实际上可以显着增加船舶的稳定性。然而，对于某些货物位置，船舶的稳定位置偏向一侧或另一侧，即使船体的几何形状和承载的载荷是完全对称的——这个角度被称为低倾角。当货物放置得非常高时，这艘船变得完全不稳定。自然，当货物本身没有水平平衡时，船也会找到一个稳定的倾斜位置，您可以在下面的演示中看到这一点。滑块控制重箱的水平位置：再次，船舶将在某个角度找到其静态平衡，称为倾斜角，这次是由横向不平衡引起的。当您靠在小划艇或皮划艇的一侧时，您可能会体验到倾斜。

到目前为止，我们一直在将货物固定在适当的位置，要么锁定在插槽中，要么捆绑起来以自行运输。然而，如果我们让这个沉重的箱子滑动，结果可能真的是灾难性的：当船在某个时候倾斜时，货物和地板之间的摩擦力不足以将箱子固定到位，它开始滑动。这反过来又将船的重心移到更远的一侧，从而导致更大的倾斜。即使风停了，船也不会恢复垂直。我们可以清楚地看到问题在图表上变得多么不可避免：船上的重型货物必须锁定就位，以免改变船的平衡。虽然处理箱子、板条箱和集装箱相对容易，但某些形式的货物更难驯服。油轮可用于运输化学品、原油，甚至橙汁。注意这艘油轮随风倾斜时会发生什么。您还可以更改水箱中的液位：一旦船开始倾斜，里面的液体也会向一侧移动，这会改变船的重心，从而导致进一步倾斜。即使风停了，船也不会回到直线位置。然而，相反的风或许能够将船推向另一个极端。值得指出的是，无论是空罐还是满罐都不会出现这个问题。这种自由表面效应对船舶的稳定性非常危险。即使不是故意载运液体货物的船舶仍然必须在船上保留燃料和压载水。此外，像沙子、砾石和谷物这样的小块状材料也表现出流动性……