从钢铁巨轮的“吃水线”说开去

■张志友  黎明宇

吃水线是怎么来的？点击或扫码看吃水线的历史。

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”。