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船舶动画——船舶是如何转弯的?带您了解船舶上的“方向盘”——船舵

2020-12-22 阅读 214

有多少小伙伴和我一样,小时候拿泡沫做过小船?当时用四驱赛车的马达做动力,舵用的木片,塑料卡片或者铁片。当时我一直以为船舶转弯的原理,是通过舵叶转动一定角度,造成由螺旋桨加速出来的高速水流偏转,而船舶就是靠着这个偏转的水流来推动船舶转弯的。事实真的如此吗?今天咱们就来聊聊船舶的舵。

大家都知道,汽车的转弯时依靠方向盘转动汽车车轮的方向,从而控制汽车前进的方向。虽然轮船没有轮子,但是它跟汽车一样是有"方向盘"的,轮船转弯是靠船舵来实现的。

船舶动画

什么是船舵

轮船的转向是通过船舵来控制的,通过舵轮(方向盘)依靠液压或机械传动装置控制舵轴使舵叶方向发生改变,从而控制轮船方向。而舵叶就是控制轮船转向的核心部件。

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舵其实是由桨发展而来的。在独木舟刚出现的时候,人们利用桨来推进独木舟的前行并控制方向。但是随着木舟变成船,而且船越做越大,此时就需要越来越多的人来划桨。如果要把每把桨都兼管着前行和控制方向是很不容易的,一旦合作不协调就会偏离预定方向。慢慢的人们开始制定船尾的浆负责控制方向,可以称之为舵浆。后来通过人们的不断研究,舵浆面积不断增大,如果仍然靠人划动的话很吃力。后来人们发现变换桨叶的角度会影响船只的行进方向,于是人们将其固定在一个支撑点上,让其绕轴转动,从而出现了舵。

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现代轮船舵叶大都由钢材制作而成,一般安装在船桨后侧。舵叶内部拥有着复杂的结构,通过一系列液压装置及机械装置与轮船内部的舵轮相关联。即可通过舵轮的转动控制舵叶的方向。

那么舵到底是如何工作的呢?

那么舵到底是如何工作的呢?

舵的工作原理如下图,船舶在航行时,如果舵叶处于正舵位置时,则舵叶两侧所受的水作用力相等,所以对船舶的运动方向不产生影响。但是当舵叶偏转动一个角度 δ ,这时两侧的水流就不再保持对称了,这样舵叶偏转角度的这面叫迎水面,它的背面为背水面。水流再要绕流舵叶时,背水面的流程就要比迎水面的要长,背水面的流速也就会更快,其上的静压力就会比迎水面的要低,这样迎水面和背水面会产生压力差,而两侧所受水压力的合力就称为舵压力PN。舵压力垂直于舵叶,并作用于舵叶的压力中心O,指向舵叶的背水面。除了PN外,水流还会对舵叶产生一个于舵叶中心线方向一致的摩檫力PT,而PN和PT的合力就是水作用力P。舵上的水作用力P也可以分解为与水流方向的垂直的升力PL和与水流方向平行的阻力PD。

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但是当舵叶通过舵轮的控制,产生一个偏转角的时候,两侧的水流就不再保持对称了。舵叶偏转的一侧成为迎水面,它的背面则是背水面。水流在绕过舵叶时,背水面的水流流程比迎水面的要长一些,背水面的水流速度也更快。而水流速度快的一侧静压力要低一些,即背水面的压力要比迎水面的压力低,这样迎水面和背水面之间会产生一个压力差。这个压力成为舵压力。舵压力与水流和舵叶之间的摩擦力形成一种合力,称之为水作用力。正是这个水作用力推动着轮船转向。

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虽然这个压力很小,但是由于它距离船的转动中心很远,所以形成的使船转动的力矩是不小的。就像阿基米德说的:"给我一个支点一个扛就能撬动整个地球"。

大家是不是感觉轮船的转向与我们想象的不同呢?