巧用物理科学方法估算福建舰的排水量
摘要：“等效替代法”和“类比归纳法”是在物理问题探究中常用的科学方法，也是中学物理教学中常常会涉及的物理科学方法。２０２２年６月１７日中国海军福建舰下水，其排水量问题引发热烈讨论。巧妙运用“等效替代法”和“类比归纳法”，通过确定舰体的“方形系数”来估算福建舰排水量的大致范围，将物理科学方法运用到生活实践中，为物理教学提供一些启发。
关键词：福建舰；航母排水量；等效替代；类比归纳
中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2024）12-0066-3
２０２２年６月１７日，据央视和新华网报道，“福建舰”在上海江南造船厂正式下水。００３型福建舰是我国海军的第３艘航母，也是首艘具有长直通甲板和电磁弹射、电磁拦阻装置的大型航母，中国海军迎来了一个历史性的时刻。此刻，不禁让人回想起某军事专家曾说过的一句话：“我们受了多少窝囊气才有了今天”。
然而，兴奋之余我们很快就会萌生一个问题，公布的福建舰的排水量是“８万余吨”。中华语言博大精深，这个“余吨”，究竟余多少，给了大众极大的想象空间。一时间网络上出现各种说法，甚至有人猜测福建舰的排水量达到１０万吨。在估算福建舰的排水量之前，不妨先将其与其他著名的大型航母进行一下对比。
表１比较了美国福特级（核动力）［１］、尼米兹级（核动力）［２］、小鹰级（常规动力）［３］和我国福建舰（常规动力）［４］的航母参数，所有数据均来自网络上公开的资料。在这四型航母中，福建舰的甲板长度最短，但其甲板面积接近福特级，甚至超过了１０万吨级的尼米兹级航母。图１是军迷根据卫星照片绘制的航母甲板构想图，从图中可以看出两型航母的甲板面积确实比较接近。和同样排水量８万余吨、同为常规动力的美国小鹰级相比，福建舰的甲板面积超出了对方近３０００ｍ２。这说明福建舰的甲板设计外飘明显，如果没有足够大的排水量做保障，会给人一种头重脚轻的感觉，这将极大地影响航母的稳定性。当航母在海上进行快速转弯机动，或遭遇较大的侧向风浪时，会增大航母侧向倾覆的危险。这是广大军迷质疑福建舰排水量只有８万余吨的一个重要原因。
为了准确估算福建舰的真实排水量，无疑需要采用一种科学合理的方法，网上提及较多的方法就是“方形系数”法。在船舶工程学中，方形系数又称“排水量系数”，是指船舶的排水体积Ｖ和其相应的水线长度Ｌ、水线宽度Ｂ和吃水深度Ｔ的乘积之比［5］。如图2所示，设方形系数为Ｃｂ，其定义为Ｃｂ＝Ｖ／（Ｌ×Ｂ×Ｔ）。方形系数是船舶设计中的经典参量，是表达船舶水下形状肥瘦程度的重要数据。方形系数随船舶的种类不同而变化。一般认为，方形系数越小的船舶水下线型越瘦削，有利于减小阻力并提高快速性，如军舰与集装箱船；而方形系数越大的船舶水下线型越肥胖，有利于增加载重量，但阻力会明显增大，如油轮与散货运输船。实际上，对于方形系数还可以有另外一种理解方式。通俗来讲，就是将船舶浸入水中的部分看成是一块橡皮泥，这样就可以将它捏成一个高度等于吃水深度Ｔ、宽度等于水线宽度Ｂ的等效长方体，而这个长方体的长度将等于Ｌ×Ｃｂ。这种理解方法就是物理教学中常用的“等效替代法”，即用一个等效长方体来代替船舶水线以下的排水体积。
通常船舶的“胖瘦”是排水量和航速之间博弈的结果。对于航母这样的大型船舶，迄今已有超过１００年的发展历史，其水线以下部分的船型设计已经相当成熟。这就提供了一种可能，即可以参照外军航母的方形系数来大致确定福建舰的方形系数，而后根据网络上的公开资料来确定它的排水量，即Ｖ＝Ｌ×Ｂ×Ｔ×Ｃｂ。考虑到淡水的密度约等于１ｔ/ｍ３，则航母水线以下的最大排水体积即为它的最大排水量。表２对比了前述四型航母的相关参数，所有数据均来自网络上公开的资料。由表２可见，福建舰的水线长度虽短，但其最大吃水深度达到１３．０ｍ，甚至超过了福特级的吃水深度，而福特级是世界公认的超级航母，其最大排水量达到了惊人的１１．２万吨，这也是广大军迷质疑福建舰排水量只有８万余吨的另一个重要原因。
需要说明的是：①表２中各型航母的水线长度，不包括水线以下球鼻艏部分的长度；②由于目前福建舰的具体数值还没有获得官方披露，因此关于水线长度、水线宽度、吃水深度的数值均为根据网上资料所研判的估值。如表２所示，福特级航母福特号的方形系数最大，这得益于福特级的新型核反应堆提供的强大动力，所以福特级水线以下的船型可以设计得稍微丰满一些，这样有利于增加航母的排水量。同为核动力航母的尼米兹级布什号，其方形系数与福特号比较接近。相较之下，采用常规动力的小鹰级航母肯尼迪号，其方形系数明显下降，这也是常规动力相较核动力显得不足的一个直接影响。即在动力不足的条件下，只能将水线以下部分的船型设计得更瘦长一些，以保证航母能够达到较高航速。对于如何估算福建舰的排水量，肯尼