我國古典名著《易經》中，有一句卦辭是：“包荒，用馮河”。這句話的意思是，抱着空心葫蘆去渡河。在阿基米德發現浮力定律之前，人們已經懂得利用大自然中的浮體去渡水了。

  後來，類似空心葫蘆這種用來渡水的浮體，迭代出浮力更大的浮具：把很多葫蘆用繩子綁在一起，捆在背上或紮在腰間，這也被稱為“腰舟”。人們開始飼養牲畜後，有些地區的人會用獸皮充氣後製成皮質的浮具來渡水。

  從物理學的角度看，一艘萬噸鋼鐵巨輪浮在海上，和古人抱着葫蘆浮在水面在原理上並無不同。不過，鋼鐵畢竟是鋼鐵，密度遠大於水。那麼，鋼鐵巨輪究竟是如何做到穩定地浮在海面上呢？這種穩定狀態又會在什麼情況下被打破呢？

  “中國海監1001”號船上的“吃水線”。圖片由作者提供

  船是怎麼浮起來的

  如果一個人走近一艘船仔細觀察，就會看到船體上有一道刻度尺似的標記，這個就是船的吃水線。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。

  船要想航行，首先要能穩定地浮在水上。浮性，就是指在一定裝載情況下，船浮於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。

  和水中任何物體一樣，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。

  在這裡，重力大小不僅僅是船體本身的重量，比如軍艦，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，重心的位置則取決於全船重量的分佈情況。

  一張鋼板會沉入水底，但鋼板製成的船為什麼能漂浮於水面？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，能排開相當重量的水而獲得很大的浮力。

  浮力是豎直向上的，作用點通過船的浮心。船漂浮在靜止水面時，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麼形狀，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，就處於平衡狀態。此時，重力和浮力大小相等，方向相反。

  排水量是什麼

  行業內的人在交流一艘船的基本信息時，常會先問：“多少噸？”這個“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1.000g/cm³，海水密度為1.025g/cm³，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得最為明顯。當載重減少時，船的重力小於浮力，船舶就會上浮一些，排水體積減小，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，船也會隨着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、各種裝置設備和固定壓載等。可變重量則是指，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於B2，餘下的都是B1，包括人員、食品、淡水和彈藥等。

  隨着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。這是艦船建造之後可能達到的最輕裝載狀況，也就是説，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。這相當於艦船上燃油、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。

  正常排水量是在標準排水量基礎上再加一半的B2，也是我們通常所指的艦船排水量。正常排水量常常作為艦船設計時的指標。

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

  最大排水量指艦船滿載狀態下，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。這也是艦船可能達到的最大的裝載情況。

  船為什麼要儲備浮力

  船的吃水線反映了船的裝載狀態。船上的載重越多，吃水線也就越深。如果超過了一定的刻度，可能意味着“船需要卸掉一些載重”。

  為了保證航行安全，吃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，就意味着排水量足夠，浮力“達標”。

  但僅僅達標還不夠，設計師往往會多留出一些份額。所以，吃水線之上的空間也會設計成不透水、不進水的密閉空間，作為船的水密體積，必要時産生儲備浮力。2017年，美國軍艦“菲茨傑拉德”與民船相撞，艦體受損嚴重，艙底進水，但船並沒有沉，就是因為艙底上方還有一些水密空間，可以産生儲備浮力。

  保證規定的儲備浮力，是保證船浮性的主要措施。船舶的儲備浮力通常用“幹舷”&&，也就是船舶中部由滿載吃水線到甲板上緣的垂直距離。幹舷越大，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&&。軍艦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，具體數值隨艦種的不同而有所區別。例如，驅逐艦通常儲備浮力為100％～150％，巡洋艦為80％～130％，潛艇相對較小，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。超載除了會降低船舶的操縱性，還會使得幹舷降低，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，方方面面都要做儲備保障，不管是看得見的“糧草”，還是看不見的“浮力”。（張志友 黎明宇）