中國古代的平衡舵與不平衡舵

文 圖 /王軍 龔德才 戴慧

舵作為船舶的重要屬具，是中國最先創(chuàng)制的，李約瑟在《中國科學(xué)技術(shù)史》中認(rèn)為舵起源于中國，是中國對世界造船技術(shù)的杰出貢獻(xiàn)。

中國古代船舵的起源發(fā)展歷程可以總結(jié)為以槳代舵、槳形舵和成熟舵三個階段，平衡舵的出現(xiàn)標(biāo)志著船舵發(fā)展的成熟。由于政治、經(jīng)濟(jì)、軍事的變革與發(fā)展，中國古船舵在平衡舵的基礎(chǔ)上朝著兩個方向演變，一是繼續(xù)適應(yīng)內(nèi)河船舶舵效高、回轉(zhuǎn)直徑小的要求，演變成如長江上游“麻秧子船”所用的那種平衡舵。麻秧子船船舵最大的特點(diǎn)是舵平衡系數(shù)高，舵前葉與后葉上緣完全是根據(jù)船尾結(jié)構(gòu)設(shè)計，使之與船尾的弧線完全貼合，最大程度上利用了舵桿轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)可用于增加舵葉面積的空間，而非通過增加舵葉寬度或舵葉高度。二是適應(yīng)遠(yuǎn)洋航行的大型海船對船舵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、材質(zhì)耐腐蝕性強(qiáng)、方便維修養(yǎng)護(hù)的要求，演變成以南京寶船廠遺址出土舵桿樣式為代表的體型大、設(shè)計精巧的不平衡舵。這一類不平衡舵的特點(diǎn)在于，舵桿靠近船首的一側(cè)不再裝置舵前葉，主要依靠水下粗壯的舵桿和舵后葉提供轉(zhuǎn)舵力。

麻秧子船平衡舵

南京寶船廠遺址出土BZ6：702船舵復(fù)原圖

現(xiàn)代船舶理論認(rèn)為，舵桿軸線位于舵葉前緣后面的為平衡舵，舵桿軸線在舵葉導(dǎo)邊處的為不平衡舵，此外還有一種上半部分不對稱、下半部分對稱的半平衡舵。船舵平衡概念的引入能夠直觀地對船舵進(jìn)行鑒定和區(qū)別，但是很容易讓人進(jìn)入平衡舵能保持平衡、不平衡舵一直處于不平衡狀態(tài)這樣的誤區(qū)。我們認(rèn)為，中國古代的平衡舵與不平衡舵樣式是根據(jù)船舵相應(yīng)的功能需求做出的外在結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，在設(shè)計理念上都追求“平衡性”，只是平衡舵的“平衡性”體現(xiàn)在轉(zhuǎn)動軸（舵桿）兩側(cè)舵葉的相對平衡以及船舵懸吊狀態(tài)時整體的平衡，不平衡舵的“平衡性”體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的不平衡性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的懸吊狀態(tài)時船舵整體的平衡，最終平衡舵與不平衡舵都會實(shí)現(xiàn)相對的動態(tài)平衡。

《中國古代科學(xué)技術(shù)史》中的中國舵結(jié)構(gòu)及操舵系統(tǒng)

船舵的功能與結(jié)構(gòu)

明代宋應(yīng)星《天工開物》中描述：“凡舵力所障水，相應(yīng)及船頭而止，其腹底之下，儼若一派急順流，故船頭不約而正，其機(jī)妙不可言。舵上所操柄，名曰關(guān)門棒，欲船北，則南向捩轉(zhuǎn)，欲船南，則北向捩轉(zhuǎn)。”這段話闡述了舵的作用原理、功能、操控組件及操控方法。按照現(xiàn)在物理學(xué)的解釋，當(dāng)船舶航行方向與舵葉存在夾角時，由船尾產(chǎn)生的渦流在舵葉兩側(cè)形成不同的舵壓，造成一定的舵壓差。由于船舵位于船舶的尾部，船舶重心距離船舵的距離相對比較大，力矩就大，根據(jù)杠桿原理，舵壓差在舵尾就能產(chǎn)生最大限度的推動力（轉(zhuǎn)力）。因此，船舵是船舶結(jié)構(gòu)中能夠高效實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向的重要部件。

李約瑟《中國古代科學(xué)技術(shù)史》中繪制了中國古代木帆船船舵的操控結(jié)構(gòu)圖，主要包括吊舵絞車、起升絞車、舵柄、木質(zhì)舵銷座等組件，其所繪船舵舵葉下半部可見三角形舵前葉，為一類半平衡升降舵。從結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，略微傾斜角度插入舵桿頂部的舵柄是用來操控船舵轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向，起升絞車負(fù)責(zé)船舵的入水深淺的調(diào)節(jié)，兩個木銷座為船舵舵桿的轉(zhuǎn)動提供了穩(wěn)定的支撐限位點(diǎn)，吊舵絞車則是通過繩索的拉力使船舵貼合在木梢座內(nèi)，固定了船舵的轉(zhuǎn)動軸，有利于為船舵提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)舵力。吊舵絞車與 勒舵索有著類似的功能，不同的是勒舵索的著力點(diǎn)位于船舵底部，通常在大型海船中的不平衡舵中使用，明代何汝賓《兵錄》中的福船圖就明確標(biāo)注了這一裝置。

平衡舵

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前發(fā)現(xiàn)最早的平衡舵實(shí)物為天津靜海宋代古舵。該古舵由舵桿和舵葉兩部分組成，舵桿為一修整過的樹干，垂直入水，舵葉是由舵桿前后兩側(cè)一大一小兩塊三角形舵葉組成的大三角形舵葉，可以看出舵桿前葉受到了船尾后緣的影響，設(shè)計者縮減了舵桿前葉的寬度，舵的平衡系數(shù)僅為12.8%，大約為現(xiàn)代船舶的1/2。從古船的復(fù)原模型來看，船尾外部橫梁與三角形舵葉頂部相接，船舵不具備升降功能，船尾后方設(shè)置了一根斜向伸出的滑輪組件與舵葉頂端通過繩索相連。

天津靜海宋代古船及平衡舵復(fù)原模型

《雪霽行江圖》舵樓及部分船舵結(jié)構(gòu)

類似于靜海宋代古舵這樣的吊舵繩索設(shè)置在平衡舵中應(yīng)用廣泛，五代北宋時期郭忠恕《雪霽江行圖》中的貨船船舵，北宋張擇端《清明上河圖》中的船舵，都在舵后葉上緣位置設(shè)置了吊舵孔位，不同的是吊舵孔位位于舵后葉上沿的中后位置。從資料圖片上并未清晰看見“吊舵絞車”或者由“吊舵絞車”延伸出來的繩索，因此，在其平衡性分析中暫不包含對此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力和力矩的分析。

平衡性分析

平衡舵在外觀結(jié)構(gòu)樣式上并不完全對稱，為了彌補(bǔ)這一不完全對稱結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的以舵桿為對稱中心的整體平衡，船舵的設(shè)計者們借助船舵之外的結(jié)構(gòu)對其施以外力，輔助實(shí)現(xiàn)船舵的平衡，連接船舵后葉上緣的吊舵索就是起到這一關(guān)鍵平衡作用的船體部件。理論狀態(tài)下只有作用于舵桿與舵承孔接觸位置點(diǎn)的舵承反作用力，作用于船舵重心的重力，作用于舵桿后葉上緣的吊舵索向上的拉力，這三個力與力臂形成的合力距為0，船舵即可達(dá)到平衡狀態(tài)。

從吊舵索連接的吊舵孔位置來看，天津靜海宋代古舵舵孔位置幾乎與舵桿重合，繩索的方向由舵孔位置斜向后方延伸，此種狀態(tài)的吊舵裝置也可以達(dá)到船舵垂直與水平方向的平衡，但是較為費(fèi)力，繩索需提供足夠的拉力平衡重力在垂直于轉(zhuǎn)動軸方向的力矩。繩索的著力點(diǎn)較轉(zhuǎn)動點(diǎn)（舵承孔位置）非常近，繩索提供拉力在與轉(zhuǎn)動軸垂直方向的分力需要數(shù)倍于重力在轉(zhuǎn)動軸垂直方向的分力才能達(dá)到力矩的平衡，而此時對舵承座孔的擠壓力也大，轉(zhuǎn)舵也較為費(fèi)力?！堆╈V行江圖》與《清明上河圖》中吊舵孔沿著舵桿后葉上緣向后移動了一段距離，吊舵索拉力在垂直與轉(zhuǎn)動軸方向分力的力臂顯著增長了，船舵達(dá)到平衡狀態(tài)時繩索提供的拉力就隨之減小了，對舵承座孔的擠壓力減小，轉(zhuǎn)舵的摩擦力減小，轉(zhuǎn)舵較為輕松。

不平衡舵

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

從目前的考古發(fā)現(xiàn)來看，平衡舵一般在內(nèi)河船中使用，不平衡舵在長江下游流域及沿海港口的大中型船舶中使用較多，尤其在海船中的應(yīng)用更為典型。內(nèi)河船對機(jī)動性要求較高，需要較大的舵葉面積提高舵效，平衡舵的舵前葉、后葉的設(shè)計很好地滿足了這一點(diǎn)。海船對船舶的回轉(zhuǎn)性和機(jī)動性要求降低，對船舵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求提高，舵前葉由三角形向豎長條形演變，直至完全舍棄。

太倉元代古舵復(fù)原前后對比

蓬萊一號戰(zhàn)船及其舵承結(jié)構(gòu)

值得注意的是，在不平衡舵的設(shè)計和運(yùn)用中，存在兩種形式，一種是垂直舵設(shè)計，這種設(shè)計與平衡舵的舵桿設(shè)計是一樣的，即舵桿主軸保持垂直，元明時期較為常見，江蘇太倉元代古舵、山東蓬萊一號明代古戰(zhàn)船垂直舵承孔都是垂直不平衡舵的例證。另一種是非垂直設(shè)計，舵桿主軸舵頭向船尾方向傾斜，舵葉走向與舵桿主軸形成一個夾角，這個夾角一般與舵桿主軸的傾角互補(bǔ)（加在一起為90°）。傾角的設(shè)計與角度選擇，船舵重心的控制，能夠在一定程度上反映古代造船技術(shù)水平。美國學(xué)者G.R.G Worcester以我國古代和近代資料編撰的The Junks and Sampans of the Yangtze （《揚(yáng)子江上的木帆船》），反映了從長江口到長江流域船舵的多種形式。長江中游（淺吃水）、長江上游（深吃水）的舵及另外兩種船舵為平衡舵，蕪湖的為半平衡舵，長江口、黃埔、紹興、上海、蘇州的舵及另外一種船舵為不平衡舵，并采用了舵桿主軸的非垂直設(shè)計。在黃埔、紹興、上海、蘇州不平衡舵舵桿的傾斜角度相對較大，而在長江口不平衡舵的舵桿傾角則不是很明顯。究其原因不難發(fā)現(xiàn)，前者船舵尺度相對較小，舵桿軸較細(xì)，在船舵中所占重量比例較小，后者船舵尺度較大，舵桿軸相當(dāng)粗壯，在船舵中所占重量比例較大。當(dāng)?shù)醵婵椎奈恢孟鄬潭ǎǘ嘉挥诙嫒~左上角與舵桿的連接處），舵桿重量所占比例小的船舵需要增加傾角，以將舵葉的部分重量處于吊舵孔所在垂線左側(cè)，達(dá)到左右兩側(cè)重力均衡的目的，舵桿重量所占比例較大的船舵只需稍微傾斜便可平衡吊舵孔所在垂線左右兩側(cè)重力。在黃埔、上海、蘇州船舵的舵葉走向明顯未與舵桿垂直，而是基本保持水平，舵葉走向與舵桿形成的夾角與舵桿主軸的傾角互補(bǔ)，紹興船舵舵葉走向與舵桿主軸基本保持垂直，舵葉走向與舵桿形成的夾角與舵桿主軸的傾角無互補(bǔ)關(guān)系，紹興船舵舵桿與舵葉的設(shè)計在淺水區(qū)容易導(dǎo)致舵葉尾部下緣刮擦，給行船安全帶來隱患，這就需要船員與舵手具有更多的經(jīng)驗(yàn)。

平衡性分析

在不平衡舵的出土實(shí)物或者圖畫中，其吊舵孔的位置基本位于舵葉上緣與舵桿相接的位置，其起升的繩索可能采用《雪霽行江圖》和《清明上河圖》中船舵垂直升降的方式。

舵桿保持垂直的不平衡舵與平衡舵相比，失去了舵桿舵前葉的平衡作用，重心后移，當(dāng)船舵重心位于吊舵孔所在垂線右側(cè)時，船舵有發(fā)生傾斜以達(dá)到平衡的趨勢，此時，限制船舵位置的舵承座孔會給予一個反作用力，維持船舵舵桿軸垂直的狀態(tài)；當(dāng)船舵重心與吊舵孔所在垂線重合時，船舵僅靠吊舵繩索的拉力就可達(dá)到自然平衡狀態(tài)，由于吊舵孔的位置在船舵中極度靠左，因此船舵重心位于吊舵孔所在垂線左側(cè)情況只有在舵桿質(zhì)量大于舵葉質(zhì)量時才會出現(xiàn)。同樣，舵承座孔提供的反作用力會維持船舵的平衡，因此舵桿軸垂直的不平衡舵，其舵桿與舵承座孔的擠壓摩擦現(xiàn)象較為普遍，升降過程也較為費(fèi)力。

舵的多種形式

舵桿保持一定傾角的不平衡舵，設(shè)計者巧妙地運(yùn)用了船舵重心與吊舵孔不在一條垂線上時船舵會發(fā)生傾斜的現(xiàn)象，利用其自然的偏轉(zhuǎn)，促使二者重合或者相互靠近，這樣舵承座孔在船舵自然狀態(tài)下將承受較輕的擠壓力或無需承受擠壓力，這對于船舶船尾結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、牢固度、安全系數(shù)等方面都是極大的提高，在以舵承座孔為支點(diǎn)的舵桿傾斜的不平衡舵結(jié)構(gòu)中，吊舵索提供的向上的拉力，勒舵索提供的水平拉力能夠輕松實(shí)現(xiàn)船舵的平衡和穩(wěn)定，因而舵桿主軸傾斜具有勒舵索的不平衡舵較舵桿主軸垂直的無勒舵索的不平衡舵具有更加優(yōu)良的平衡性能，設(shè)計更加合理，理念更加先進(jìn)。

結(jié)論

船舵作為中國古代的偉大發(fā)明，是勞動人民偉大智慧的結(jié)晶，同時也見證了人類由小河小湖向大江大湖、浩瀚海洋不斷探索發(fā)展的道路，這種“制水”“且弼正船”的工具本身也在不斷地改進(jìn)和演變，從內(nèi)河流域普遍使用的平衡舵，到航海遠(yuǎn)洋使用的不平衡舵，從追求結(jié)構(gòu)形式上的平衡，到從實(shí)際出發(fā)，化繁為簡，實(shí)現(xiàn)真正意義上的平衡，對船舵平衡性的追求已經(jīng)融入到船舶設(shè)計者的血液中。古人對平衡舵、不平衡舵并沒有嚴(yán)格的概念界定，從船舵的發(fā)展脈絡(luò)來看，受航行流域環(huán)境的影響，有舵前葉的平衡舵，不但能夠提供更多更高效的舵葉面積，還能夠促進(jìn)以舵桿為中心的舵桿兩側(cè)的平衡，滿足了內(nèi)河船對船舶機(jī)動性高和船舵易于操控的要求，平衡舵中吊舵孔位置后移的現(xiàn)象也是根據(jù)操控性作出的合理調(diào)整，能夠使得轉(zhuǎn)舵較為輕松。作近海或遠(yuǎn)洋航行船舶的不平衡舵，其展弦比一般較平衡舵大，舵面積系數(shù)較平衡舵小，說明相對于平衡舵來說，不平衡舵寬度更窄，面積更小，自身的穩(wěn)定性更好，強(qiáng)度更高；舵桿傾斜的不平衡舵是不平衡舵設(shè)計中的主流，借助舵承座、吊舵索、勒舵索，吊舵孔與重心在垂直方向更容易接近甚至重合，使這種不平衡舵實(shí)現(xiàn)真正意義上的平衡。