從東方之星事故聊船舶原理和安全

崔榮昊

2015年6月1日深夜，由南京開往重慶的“東方之星”號客船突遇龍卷風傾覆，最終12人獲救，442人遇難。突如其來的沉船事件再次警醒世人，安全永遠是重中之重。下面筆者將為大家介紹一下船舶原理和安全防護。

怎樣保持平衡？

隨著時間的推移，船舶一直在發展衍化。它們大小不同、動力不同、形狀更是五花八門。但無論如何變化，它們都遵守著一個基本的原理：浸入靜止流體（氣體或液體）中的物體受到一個浮力，其大小等于該物體所排開的流體重量，方向垂直向上并通過所排開流體的形心（抽象幾何體中心）——阿基米德原理：F=ρ（F為浮力，ρ為液體密度，V為排開液體的體積）。

如圖1，船的重力是由船舶本身跟部分重量所組成，如船體構件、機電設備、貨物、人員、行李等重量。這些重量會形成一個垂直向下的合力G，而合力G便是船舶的重力。作用點A稱為船舶的重心。當船舶漂浮于水面一定位置時，船體浸水表面每一個點都受到水的壓力，這些壓力都垂直于船體表面，大小與浸水深度成正比。從圖中可以看出，船舶水下部分壓力的水平分力互相抵消，垂直分力則形成一個垂直向上的合力F，此合力F就是支撐船舶漂浮于一定位置的浮力，合力的作用點B稱為船舶的浮心。因此船舶保持平衡的必然條件是：

（1）重量與浮力的大小相等而方向相反，即G=F=ρV。

（2）重心A和浮心B在同—條鉛垂線上。

兩種假設狀況

如果條件（1）不滿足：

①當重力G大于浮力F時（例如船正在裝貨），船體就會下沉增加排開水獲得支撐新增加這部分重力的浮力，船舶形態重新達到平衡。

②當浮力F大于重力G時（例如船正在卸貨），船體就會上浮減少排開水去除支撐新減少這部分重力的浮力，船舶形態重新達到平衡。

如果條件（2）不滿足：

船舶在航行過程中，經常會受到風浪等各種外力干擾，從而產生傾斜。

如圖2所示是船舶的橫剖面，該船在外力F（風浪、其他船舶撞擊等）作用下緩慢地傾斜成一個小角度，水線由正常狀態時的WL變成傾斜后的WL，船的重量在傾斜前后沒有改變，船的重心保持在原來的位置，故船的排水體積的大小不變。但由于水線變化，船體的排水（水下）體積形狀已經改變，故浮心由原來位置B點移動到B點。此時浮心和重心不再位于同一鉛垂線上，因而浮力和重力形成一個力偶，促使船恢復到原來的平衡位置。自重心A作直線AC垂直于通過B的垂線（就是浮力線），則力偶的距就是：

M稱為船的復原力矩。當外力力矩小于M恢復力矩時，在外力取消后船舶會恢復到原先正常形態，外力力矩大于M恢復力矩時，船舶就會繼續傾斜達到極限值后反扣造成事故。從公式中我們可以看出AC越大船舶抵抗傾斜的能力會越大，那我們是不是可以把AC使勁往大了做就行了？事實不是這樣的，因為受外界環境影響，像航道的水深，閘門航道的寬度都會對船體的尺寸做出限制。而且隨著AC的增大，船舶的搖擺周期會變短，遇到風浪時會急劇搖擺，并不適合生活工作。因此AC數值選取要適當，這也就決定了船舶存在傾斜極限，當遇到超過這個極限的情況就會發生事故。船舶安全設計

船舶的基本原理大概就是這些。那么為了航行安全，船舶做了哪些設置呢？

首先，叢設計時就會進行大量的強度和原理計算，并把設計的圖紙提交給船級社進行校驗保證從源頭上安全。在船體結構上，其船艏部會設置一道水密的防撞艙壁，當艏部發生碰撞破損時，可以保證海水不會侵入到后面的艙室。而壓載水艙也是為了船舶安全而設置的獨特結構。

如圖3，這是典型的散貨船橫剖面圖，ABCD四個位置就是其所設置的壓載水艙。我們可以看到壓載艙占了好大一片位置，如果把這些位置空出來是不是又可以拉更多的貨物了，可為什么偏偏要設置壓載艙呢？

船底兩邊的壓載水艙會有管道與外界的水域相連，壓載水艙之間也有管道相連。船舶空載時吃水很淺，抵御風浪的能力很差，這時候就可以往壓載水艙里充水增加船舶的吃水使船舶穩定下來，運輸貨物再把水排出來。有時裝載貨物分布不均勻導致船舶向一側傾斜，這時就可以往另一側充壓載水平衡回來。當一側發生事故時也可以通過調節壓載水使船舶達到平衡不至于沉沒，所以為了安全犧牲一部分運載能力是值得的。

船舶災難的預防

火災是船舶最危險的事故之一。船舶無論是在港內還是在海上航行，無論是在營運還是在修理，都有可能發生火災。火災發生的主要原因在于可燃物質的存在（如燃油等）、火源的存在（如鍋爐、電源）、人為因素（吸煙、違章作業）、自然因素（貨物的自燃、雷擊、靜電火花等）。隨著航運規模的擴大，船舶尺度的增加，火災引起的損失也在增大。現代船舶在建造時運用了大量的防火材料，在可能發生火災的場所都設有感應探頭，艙室里還裝滅火裝置，初期的火災系統會自動識別、報警和撲滅。

根據規范要求，船舶必須配備救生設備。當船舶遇險時，這些設備會為遇險人員提供生命保障，大致可以分為以下幾類：（1）公用救生設備：救生艇、救助艇、救生筏等供多人使用的設備。（2）個人救生設備：救生圈、救生衣、保溫用具等供個人使用的設備。（3）降落和登乘設備：將救生艇筏從其存放位置安全轉移到水上的設施和人員登入救生艇筏的裝置。（4）通訊信號設備：閃光燈、煙火、無線電通訊設備等。我們登船時要對這些設備有些認識，發生緊急情況時可以快速地利用這些設備逃生。

船舶不僅僅是交通工具，也是人類賴以生存的寶物，甚至像《2012》里演的那樣成為人類的希望。請大家理性看待這次突發事件，多多支特船舶的發展。