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古人的造船智慧——船舵 

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舵是船舶的重要操纵设备,附设在船体外,利用航行时水流在其操纵面上的作用力来工作,是控制船舶航向的装置。

《天工开物》中对舵的作用原理是这样介绍的:“凡舵力所障水,相应及船头而止,其腹底之下,俨若一派急顺流,故船头不约而正,其机妙不可言。舵上所操柄,名曰关门棒,欲船北,则南向捩转;欲船南,则北向捩转。”大意是,船舵能阻挡水的力量,其作用范围到船头为止,船底下好像有股很急的顺流,船头无需约束就能摆正。要想让船向北行驶,只要把关门棒向南扭转就行;而要想让船向南行驶,则将关门棒向北扭转即可。

按现代的力学知识来解释,如图所示,在发动机的作用下,船向前(即图示向右)航行。在研究船体和水的相对运动时,通常将船看作固定不动的物体,而认为水流正在进行与船行驶方向相反的移动。从所给的图中可以看出,水有一个作用力P压到了舵A上,在P的作用下,船会围绕着重心C顺时针转动。船与水的相对速度越大,即船的行驶速度越快时,舵就会越灵敏。但是如果船与水的相对速度为零,即相对静止时,舵的灵敏度很低,就无法使船转动起来了。

我国是世界上最早发明舵的国家,舵的发明是我国造船和航海技术方面的重大成就,对世界航海事业也产生了一定的影响。

我国的船舵是由船桨发展而来。古代航行早期,船桨分为两种,分别用来划行和控制方向,其中控制方向的桨就被称为舵桨。舵桨的位置从船舷逐渐移至船尾中央,成为尾桨,操作方法也逐渐从划动转变为不离开水面的左右摆动。但这样的尾舵桨也存在一些缺陷,比如遇到浅滩或靠岸时不易操纵。于是古人不断改善舵的形状和安装方式,最终发明了真正的舵。

早期的舵是斜伸出船尾的,在船后会凸出较多;改良之后舵的形态变为垂直插入水中,舵面和舵柱的联结位置也由舵面中部移到了边上,这种舵叫做垂直舵。我国古代的帆船结构大多是首尾翘起的,因此正适合安装垂直舵,后来还会在船尾修建专门的舵楼,用来操纵船舵。

后来因航道上的水深浅不一,古人又将垂直舵升级为了升降舵,也叫悬吊舵,这是一种能用绳子转动滑轮从而使之能够上下移动的舵。当船靠岸或驶入浅滩时,可以将舵吊起,避免被折断;当船只在行驶过程中不需要改变航向时,将舵升起来以减少阻力、提高行驶速度;当遇到风浪时,将舵降到最低处,可以减少船体摇晃、降低船只随风漂泊的可能性,从而降低船只航行的危险性。

时至今日,舵仍旧是船舶不可缺少的一部分。由此看来,我国古人的智慧不容小觑,许多发明成果值得我们进一步深入研究和拓展应用。

本文由北京市第六十五中学一级教师胡晓艳进行科学性把关。