巧用物理科學(xué)方法估算福建艦的排水量

摘 要：“等效替代法”和“類(lèi)比歸納法”是在物理問(wèn)題探究中常用的科學(xué)方法，也是中學(xué)物理教學(xué)中常常會(huì)涉及的物理科學(xué)方法。２０２２年６月１７日中國(guó)海軍福建艦下水，其排水量問(wèn)題引發(fā)熱烈討論。巧妙運(yùn)用“等效替代法”和“類(lèi)比歸納法”，通過(guò)確定艦體的“方形系數(shù)”來(lái)估算福建艦排水量的大致范圍，將物理科學(xué)方法運(yùn)用到生活實(shí)踐中，為物理教學(xué)提供一些啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：福建艦；航母排水量；等效替代；類(lèi)比歸納

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）12-0066-3

２０２２年６月１７日，據(jù)央視和新華網(wǎng)報(bào)道，“福建艦”在上海江南造船廠正式下水。００３型福建艦是我國(guó)海軍的第３艘航母，也是首艘具有長(zhǎng)直通甲板和電磁彈射、電磁攔阻裝置的大型航母，中國(guó)海軍迎來(lái)了一個(gè)歷史性的時(shí)刻。此刻，不禁讓人回想起某軍事專(zhuān)家曾說(shuō)過(guò)的一句話：“我們受了多少窩囊氣才有了今天”。

然而，興奮之余我們很快就會(huì)萌生一個(gè)問(wèn)題，公布的福建艦的排水量是“８萬(wàn)余噸”。中華語(yǔ)言博大精深，這個(gè)“余噸”，究竟余多少，給了大眾極大的想象空間。一時(shí)間網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)各種說(shuō)法，甚至有人猜測(cè)福建艦的排水量達(dá)到１０萬(wàn)噸。在估算福建艦的排水量之前，不妨先將其與其他著名的大型航母進(jìn)行一下對(duì)比。

表１比較了美國(guó)福特級(jí)（核動(dòng)力）［１］、尼米茲級(jí)（核動(dòng)力）［２］、小鷹級(jí)（常規(guī)動(dòng)力）［３］和我國(guó)福建艦（常規(guī)動(dòng)力）［４］的航母參數(shù)，所有數(shù)據(jù)均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上公開(kāi)的資料。在這四型航母中，福建艦的甲板長(zhǎng)度最短，但其甲板面積接近福特級(jí)，甚至超過(guò)了１０萬(wàn)噸級(jí)的尼米茲級(jí)航母。圖１是軍迷根據(jù)衛(wèi)星照片繪制的航母甲板構(gòu)想圖，從圖中可以看出兩型航母的甲板面積確實(shí)比較接近。和同樣排水量８萬(wàn)余噸、同為常規(guī)動(dòng)力的美國(guó)小鷹級(jí)相比，福建艦的甲板面積超出了對(duì)方近３０００ ｍ２。這說(shuō)明福建艦的甲板設(shè)計(jì)外飄明顯，如果沒(méi)有足夠大的排水量做保障，會(huì)給人一種頭重腳輕的感覺(jué)，這將極大地影響航母的穩(wěn)定性。當(dāng)航母在海上進(jìn)行快速轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)，或遭遇較大的側(cè)向風(fēng)浪時(shí)，會(huì)增大航母?jìng)?cè)向傾覆的危險(xiǎn)。這是廣大軍迷質(zhì)疑福建艦排水量只有８萬(wàn)余噸的一個(gè)重要原因。

為了準(zhǔn)確估算福建艦的真實(shí)排水量，無(wú)疑需要采用一種科學(xué)合理的方法，網(wǎng)上提及較多的方法就是“方形系數(shù)”法。在船舶工程學(xué)中，方形系數(shù)又稱(chēng)“排水量系數(shù)”，是指船舶的排水體積Ｖ和其相應(yīng)的水線長(zhǎng)度Ｌ、水線寬度Ｂ和吃水深度Ｔ的乘積之比［5］。如圖2所示，設(shè)方形系數(shù)為Ｃｂ，其定義為Ｃｂ ＝ Ｖ／（Ｌ×Ｂ×Ｔ）。方形系數(shù)是船舶設(shè)計(jì)中的經(jīng)典參量，是表達(dá)船舶水下形狀肥瘦程度的重要數(shù)據(jù)。方形系數(shù)隨船舶的種類(lèi)不同而變化。一般認(rèn)為，方形系數(shù)越小的船舶水下線型越瘦削，有利于減小阻力并提高快速性，如軍艦與集裝箱船；而方形系數(shù)越大的船舶水下線型越肥胖，有利于增加載重量，但阻力會(huì)明顯增大，如油輪與散貨運(yùn)輸船。實(shí)際上，對(duì)于方形系數(shù)還可以有另外一種理解方式。通俗來(lái)講，就是將船舶浸入水中的部分看成是一塊橡皮泥，這樣就可以將它捏成一個(gè)高度等于吃水深度Ｔ、寬度等于水線寬度Ｂ的等效長(zhǎng)方體，而這個(gè)長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度將等于 Ｌ×Ｃｂ。這種理解方法就是物理教學(xué)中常用的“等效替代法”，即用一個(gè)等效長(zhǎng)方體來(lái)代替船舶水線以下的排水體積。

通常船舶的“胖瘦”是排水量和航速之間博弈的結(jié)果。對(duì)于航母這樣的大型船舶，迄今已有超過(guò)１００年的發(fā)展歷史，其水線以下部分的船型設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟。這就提供了一種可能，即可以參照外軍航母的方形系數(shù)來(lái)大致確定福建艦的方形系數(shù)，而后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的公開(kāi)資料來(lái)確定它的排水量，即Ｖ ＝ Ｌ×Ｂ×Ｔ×Ｃｂ。考慮到淡水的密度約等于１ ｔ/ｍ３，則航母水線以下的最大排水體積即為它的最大排水量。表２對(duì)比了前述四型航母的相關(guān)參數(shù)，所有數(shù)據(jù)均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上公開(kāi)的資料。由表２可見(jiàn)，福建艦的水線長(zhǎng)度雖短，但其最大吃水深度達(dá)到１３．０ ｍ，甚至超過(guò)了福特級(jí)的吃水深度，而福特級(jí)是世界公認(rèn)的超級(jí)航母，其最大排水量達(dá)到了驚人的１１．２ 萬(wàn)噸，這也是廣大軍迷質(zhì)疑福建艦排水量只有８萬(wàn)余噸的另一個(gè)重要原因。

需要說(shuō)明的是：①表２中各型航母的水線長(zhǎng)度，不包括水線以下球鼻艏部分的長(zhǎng)度；②由于目前福建艦的具體數(shù)值還沒(méi)有獲得官方披露，因此關(guān)于水線長(zhǎng)度、水線寬度、吃水深度的數(shù)值均為根據(jù)網(wǎng)上資料所研判的估值。如表２所示，福特級(jí)航母福特號(hào)的方形系數(shù)最大，這得益于福特級(jí)的新型核反應(yīng)堆提供的強(qiáng)大動(dòng)力，所以福特級(jí)水線以下的船型可以設(shè)計(jì)得稍微豐滿一些，這樣有利于增加航母的排水量。同為核動(dòng)力航母的尼米茲級(jí)布什號(hào)，其方形系數(shù)與福特號(hào)比較接近。相較之下，采用常規(guī)動(dòng)力的小鷹級(jí)航母肯尼迪號(hào)，其方形系數(shù)明顯下降，這也是常規(guī)動(dòng)力相較核動(dòng)力顯得不足的一個(gè)直接影響。即在動(dòng)力不足的條件下，只能將水線以下部分的船型設(shè)計(jì)得更瘦長(zhǎng)一些，以保證航母能夠達(dá)到較高航速。對(duì)于如何估算福建艦的排水量，肯尼迪號(hào)航母的方形系數(shù)可以作為最有可比性的參考。為保守起見(jiàn)，可以將福建艦的方形系數(shù)確定在０．６０～０．６２的范圍內(nèi)，由此可得福建艦的最大排水量應(yīng)在９．３６～９．６７ 萬(wàn)噸之間。如此看來(lái)，這個(gè)８萬(wàn)余噸，“余”的并不少。

那么，如何理解公布的“８萬(wàn)余噸”的說(shuō)法呢？這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單。對(duì)于航母的排水量其實(shí)有兩種說(shuō)法。一種叫“滿載排水量”，即上述的最大排水量，是指航母在執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)攜帶全部裝備、彈藥、油料時(shí)的排水量。另一種叫“標(biāo)準(zhǔn)排水量”，也可以稱(chēng)為“基本排水量”，是指航母在執(zhí)行日常的訓(xùn)練、巡邏、戰(zhàn)備執(zhí)勤等任務(wù)時(shí)的排水量，這種情況下航母不需要滿油滿彈，故航母的標(biāo)準(zhǔn)排水量大大小于其滿載排水量。為簡(jiǎn)單理解，可以假定：標(biāo)準(zhǔn)排水量≈滿載排水量×９０％。則福建艦的標(biāo)準(zhǔn)排水量應(yīng)在８．４２～８．７０ 萬(wàn)噸之間，這與官方的報(bào)道基本一致，相較于福建艦的體量，這也是比較合理的數(shù)據(jù)。作為中國(guó)迄今為止建造的噸位最大、技術(shù)最先進(jìn)、組織最復(fù)雜、戰(zhàn)斗力最強(qiáng)悍的戰(zhàn)艦，福建艦受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。福建艦一旦入列服役，將大大提升中國(guó)海軍的作戰(zhàn)能力和威懾力，成為保衛(wèi)國(guó)家主權(quán)和海洋權(quán)益的核心裝備。

對(duì)于船舶的排水量，其本質(zhì)就是一個(gè)浮力問(wèn)題。本文采用了等效替代法和類(lèi)比歸納法這兩種常用的物理科學(xué)方法，對(duì)福建艦的排水量進(jìn)行了估算。將物理科學(xué)方法融入生活，巧用物理科學(xué)方法解決生活中的疑問(wèn)，這也是新課標(biāo)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的要求。物理教師在物理教學(xué)中將多種科學(xué)方法結(jié)合，既有助于啟發(fā)學(xué)生的研究性思維，鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科解決問(wèn)題，也有益于借助生活中的物理問(wèn)題實(shí)例，充分發(fā)揮教育立德樹(shù)人的功能。

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［５］張依莉．船舶設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［Ｍ］．大連：大連海事大學(xué)出版社，１９９６：３８－４０． （欄目編輯 蔣小平）

收稿日期：2024-07-04

作者簡(jiǎn)介：肖淑嫣（2006-），女，本科，主要從事中學(xué)物理教育研究。

*通信作者：張勇（1974-），男，教授，主要從事半導(dǎo)體發(fā)光物理與器件和物理教學(xué)研究。