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“類比歸納法”是在物理問題探究中常用的科學(xué)方法，也是中學(xué)物理教學(xué)中常常會涉及的物理科學(xué)方法。２０２２年６月１７日中國海軍福建艦下水，其排水量問題引發(fā)熱烈討論。巧妙運用“等效替代法”和“類比歸納法”，通過確定艦體的“方形系數(shù)”來估算福建艦排水量的大致范圍，將物理科學(xué)方法運用到生活實踐中，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；類比歸納

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0066-3

２０２２年６月１７日，據(jù)央視和新華網(wǎng)報道，“福建艦”在上海江南造船廠正式下水。００３型福建艦是我國海軍的第３艘航母，也是首艘具有長直通甲板和電磁彈射、電磁攔阻裝置的大型航母，中國海軍迎來了一個歷史性的時刻。此刻，不禁讓人回想起某軍事專家曾說過的一句話：“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萌生一個問題，公布的福建艦的排水量是“８萬余噸”。中華語言博大精深，這個“余噸”，究竟余多少，給了大眾極大的想象空間。一時間網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)各種說法，甚至有人猜測福建艦的排水量達(dá)到１０萬噸。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)行一下對比。

表１比較了美國福特級（核動力）［１］、尼米茲級（核動力）［２］、小鷹級（常規(guī)動力）［３］和我國福建艦（常規(guī)動力）［４］的航母參數(shù)，所有數(shù)據(jù)均來自網(wǎng)絡(luò)上公開的資料。在這四型航母中，福建艦的甲板長度最短，但其甲板面積接近福特級，甚至超過了１０萬噸級的尼米茲級航母。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比較接近。和同樣排水量８萬余噸、同為常規(guī)動力的美國小鷹級相比，福建艦的甲板面積超出了對方近３０００ ｍ２。這說明福建艦的甲板設(shè)計外飄明顯，如果沒有足夠大的排水量做保障，會給人一種頭重腳輕的感覺，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)彎機動，或遭遇較大的側(cè)向風(fēng)浪時，會增大航母側(cè)向傾覆的危險。這是廣大軍迷質(zhì)疑福建艦排水量只有８萬余噸的一個重要原因。

為了準(zhǔn)確估算福建艦的真實排水量，無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“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，但阻力會明顯增大，如油輪與散貨運輸船。實際上，對于方形系數(shù)還可以有另外一種理解方式。通俗來講，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高度等于吃水深度Ｔ、寬度等于水線寬度Ｂ的等效長方體，而這個長方體的長度將等于 Ｌ×Ｃｂ。這種理解方法就是物理教學(xué)中常用的“等效替代法”，即用一個等效長方體來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。對于航母這樣的大型船舶，迄今已有超過１００年的發(fā)展歷史，其水線以下部分的船型設(shè)計已經(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)上的公開資料來確定它的排水量，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對比了前述四型航母的相關(guān)參數(shù)，所有數(shù)據(jù)均來自網(wǎng)絡(luò)上公開的資料。由表２可見，福建艦的水線長度雖短，但其最大吃水深度達(dá)到１３．０ ｍ，甚至超過了福特級的吃水深度，而福特級是世界公認(rèn)的超級航母，其最大排水量達(dá)到了驚人的１１．２ 萬噸，這也是廣大軍迷質(zhì)疑福建艦排水量只有８萬余噸的另一個重要原因。

需要說明的是：①表２中各型航母的水線長度，不包括水線以下球鼻艏部分的長度；②由于目前福建艦的具體數(shù)值還沒有獲得官方披露，因此關(guān)于水線長度、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，福特級航母福特號的方形系數(shù)最大，這得益于福特級的新型核反應(yīng)堆提供的強大動力，所以福特級水線以下的船型可以設(shè)計得稍微豐滿一些，這樣有利于增加航母的排水量。同為核動力航母的尼米茲級布什號，其方形系數(shù)與福特號比較接近。相較之下，采用常規(guī)動力的小鷹級航母肯尼迪號，其方形系數(shù)明顯下降，這也是常規(guī)動力相較核動力顯得不足的一個直接影響。即在動力不足的條件下，只能將水線以下部分的船型設(shè)計得更瘦長一些，以保證航母能夠達(dá)到較高航速。對于如何估算福建艦的排水量，肯尼迪號航母的方形系數(shù)可以作為最有可比性的參考。為保守起見，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 萬噸之間。如此看來，這個８萬余噸，“余”的并不少。

那么，如何理解公布的“８萬余噸”的說法呢？這個問題很簡單。對于航母的排水量其實有兩種說法。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)時攜帶全部裝備、彈藥、油料時的排水量。另一種叫“標(biāo)準(zhǔn)排水量”，也可以稱為“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 萬噸之間，這與官方的報道基本一致，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)斗力最強悍的戰(zhàn)艦，福建艦受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。福建艦一旦入列服役，將大大提升中國海軍的作戰(zhàn)能力和威懾力，成為保衛(wèi)國家主權(quán)和海洋權(quán)益的核心裝備。

對于船舶的排水量，其本質(zhì)就是一個浮力問題。本文采用了等效替代法和類比歸納法這兩種常用的物理科學(xué)方法，對福建艦的排水量進(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，這也是新課標(biāo)對中學(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，鼓勵學(xué)生跨學(xué)科解決問題，也有益于借助生活中的物理問題實例，充分發(fā)揮教育立德樹人的功能。

參考文獻(xiàn)：

［１］Ｍｏｄｅｒｎ Ｗａｒｓｈｉｐｓ ＆ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ． ＵＳＳ Ｊｏｈｎ Ｆ．Ｋｅｎｎｅｄｙ（ＣＶＮ－７９）．Ｎｕｃｌｅａｒ－Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｕｐｅｒｃａｒｒｉｅｒ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｉ ２０２０［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２０-11-04）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐｓ：//ｗｗｗ．ｍｉｌｉｔａｒｙｆａｃｔｏｒｙ．ｃｏｍ／ｓｈｉｐｓ／ｄｅｔａｉｌ．ｐｈｐ？ｓｈｉｐ＿ｉｄ＝ＵＳＳ－Ｊｏｈｎ－Ｆ－Ｋｅｎｎｅｄｙ－ＣＶＮ７９．

［２］Ｍｏｄｅｒｎ Ｗａｒｓｈｉｐｓ ＆ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ．ＵＳＳ Ｒｏｎａｌｄ Ｒｅａｇａｎ （ＣＶＮ－７６）Ｎｕｃｌｅａｒ－Ｐｏｗｅｒｅｄ Ａｉｒｃｒａｆ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｉ ２００３［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２０-11-04）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐｓ：//ｗｗｗ．ｍｉｌｉｔａｒｙｆａｃｔｏｒｙ．ｃｏｍ／ｓｈｉｐｓ／ｄｅｔａｉｌ．ｐｈｐ ｓｈｉｐ＿ｉｄ＝ＵＳＳ－Ｒｏｎａｌｄ－Ｒｅａｇａｎ－ＣＶＮ７６．

［３］Ｓｅａｆｏｒｃｅ－ｏｎｌｉｎｅ Ｎａｖａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｉｔｔｙ Ｈａｗｋ ｃｌａｓｓ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃａｒｒｉｅｒ － ＣＶＡ／ＣＶ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２３-１２-２３）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｅａｆｏｒｃｅｓ．ｏｒｇ／ｕｓｎｓｈｉｐｓ／ｃｖ／Ｋｉｔｔｙ－Ｈａｗｋ－ｃｌａｓｓ．ｈｔｍ＃：～：ｔｅｘｔ＝ＣＶ％２０６６％２０ＵＳＳ％２０Ａｍｅｒｉｃａ％２０％２８１９６５－１９９６％２９％２０Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ％３Ａ％２０Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ％３Ａ％２０８３０９０，％２８５９％２０ｋｍ％２Ｆｈ％２９％２Ｃ％２０ｍａｘ．％２０Ｒａｎｇｅ％３Ａ％２０１２０００％２０ＮＭＩ％２０％２８１９０００％２０ｋｍ％２９．

［４］新華網(wǎng)． 我國第三艘航空母艦下水命名 許其亮出席下水命名儀式［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２３-0６-１７）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｗｓ．ｃｎ／ｍｒｄｘ／２０２２－０６／１８／ｃ＿１３１０６２６１５７．ｈｔｍ．

［５］張依莉．船舶設(shè)計基礎(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。