力学赏析——陈友谅的楼船战舰
阅读了当年明月写的《明朝那些事》，正如他所说“历史本身很精彩，所有的历史都可以写的很好看”。我确实被吸引了，感觉书中任何一处作为起点都可以饶有兴趣的看下去，欣喜之余发现，当年明月在讲故事的同时，也讲了许多有关力学和有关学习方法的事，于是，有了尝试写写的冲动，但是一动笔就感觉到了难，本着自我娱乐的精神，敬请大家的批评指正!一直都以为元末统治暴虐，各地义军纷纷揭竿而起，大家同仇敌忾一起推翻暴元统治。但事实似乎没这么理想，各大起义军头领攻城略地、争相称王，由于“天无二日，民无二主”，因此元末的各起义军一边和元朝军队作战，一边还监视着自己的盟军，谁壮大了可能威胁到自己，就要先把谁吃掉，以避免将来推翻暴元后的政权归属问题。
至正十六年(1356年)，朱元璋(红巾军)攻占应天之后，就引起了张士诚(非红巾军)的注意。张士诚首先攻打朱元璋，大大小小打了上百仗。在镇江战役(张士诚攻打朱元璋)、常州战役(朱元璋攻打张士诚)、宁国战役(朱元璋攻打张士诚)之后，张士诚惨败，朱张之战告一段落。
至正十九年(1359年)，朱元璋令常遇春率部攻克陈友谅(红巾军)的池州，拉开了朱陈大战的序幕。至正二十年(1360年)，陈友谅开始反击，而其最令人称道的就是他的水军，直白的说就是他的战舰十分厉害。
陈友谅战舰最大特点就是大，书中多处有“高数丈”、“上下三层，每层都可以骑马来往”的描述。在攻击太平时，陈友谅直接将船开到太平城靠江的城墙边，用短梯从容地爬上了城头，在元末的起义军中这样的战舰威力可想而知。另外一个特点就是楼船各层之间的隔音效果绝佳，“这种战船上下之间的隔音效果非常好，下面只隔一层木板，下面就是听不到上面的说话”，“这种设计非常科学，上面打得天翻地覆，下面还能保持动力”，“即便上面吃了败仗，下面还是照样会拼命”。
鄱阳湖战役，图片来源网络搜索
首先，说说陈友谅楼船的“高大”。
造大船与造小船的区别并非把尺寸做大一点那么简单，特别是楼船，首要的问题就是稳定性问题，即指在可预见的作用下(如风、浪等)船舶不会倾覆，并且倾侧力消失后船舶能恢复到正常状态的能力。描述船舶稳定性有三个概念非常重要：
· 一是船舶的质量中心，称为重心(用符号G表示);
· 二是船舶漂在水里时的浮力中心，简称浮心(水下部分的体积中心，用符号B表示);
· 三是指船舶正浮时的浮力作用线和非正浮时的浮力作用线的交点，称为稳心(用符号M表示)。
实践表明，当重心位于稳心下方时，船舶可以保持稳定;等高或高于稳心时，船舶不稳定。
如图1所示，当船舶横向偏转一定角度后，浮心从B移动到了B1，重心不变;稳心为船舶竖直放置时浮心作用线与倾斜后浮心作用线的交点M，高于船舶重心。从图中可见，在重力和浮力作用下，可形成使得船舶恢复初始状态的力偶，因此这种情况属于稳定状态。
图1
如图2所示，当重心高于稳心时，将会产生使得船舶继续倾斜的力偶，此时船舶将继续倾斜，直至倾覆。
图2
还有一种情况，如图3，当重心恰好与稳心相重合时，重力与浮力共线，成为平衡状态，和力偶为0。船舶将不再倾斜，也不恢复原来状态，成为中性平衡(或随遇平衡)，该状态不是稳定状态，若倾角稍有变化，将不能保持平衡。
图3 (此三图来源于：中国大学生在线)
从上述分析可知：只有第一种重心低于稳心时，船舶才是稳定的，后两种都不是稳定。楼船难免会抬高重心，就必须要有一些降低楼船重心的设计方案。从船的建造工艺上看，想降低重心，有几种方案可选：
· 一是增加船体的宽度，如制作双体/多体船;
双体船(宋)来源：王冠倬《中国古船图谱》
· 另一个方案就是增加船的吃水深度。压舱石就是一种借助外力增加船吃水深度的方法，现代将压舱石标准化，用铸铁做成，全世界通用;再一种方法就是将船底制作为尖底增加吃水深度。中国传统古船以方首、方尾、平底为主要特点，不过平底船仅适用于内河、浅海，在福建、广州等地的深海需用尖底船。《中国古船图谱》中写道，尖底船因吃水太深，在内河、浅海极为不便，想必陈友谅使用的还是平底船，多用压舱石(这个结论是猜的)。
在攻打洪都的战役中提到最大的战船可以装两三千人，小的也能装一千余人。这个人数可能是虚的。在鄱阳湖决战中提到陈友谅的船长十五丈，宽两丈，高三丈。元朝一尺大约30.7cm，这样算下来，陈友谅的战船约有46m长，6m宽，9m高。而郑和下西洋的宝船，折合现今尺寸，长度约为151.18米，宽61.6米。船有四层，《明史·兵志》记：“宝船高大如楼，底尖上阔，可容千人”。我想郑和的船也只能装千人，陈友谅的船能装两三千人，可能有夸大。依照每人占据0.5平方的地方，陈友谅的船每层也只有276平方，也就是500人左右，三层1500人，这种空间很难能作战，也只能是运兵船。
再次，说说楼船各层之间的隔音。
关于隔音，元末至少已有两类方法：第一类是利用材料隔音，第二类是利用结构隔音。
· 利用材料隔音，又可以分为吸声或隔声材料。所谓吸声材料，主要是声音通过该材料时，由于材料特性，声能被大部分吸收，主要是采用共振吸声结构或渐变过渡层结构，为了提高材料的内损耗，一般在材料中混入含有大量气泡的填料或增加金属微珠等;隔声材料则正好相反，借助于密实材料，要减弱或阻挡声音的传播，现代建筑中钢板、铅板、砖墙、混凝土等都可以成为隔声材料。
· 利用结构隔音，是指借助于巧妙的结构设计进行隔音处理。有记载在明代，“私铸钱者，藏匿于地下室之中，以空瓮累墙，使瓮口向着室内。”这样，过路人就听不见他们的锯锉之声。“何则?声为瓮所收也。”。早在北齐信都芳在《乐书注》中介绍了三重律室(消音室)的结构布局“三重室者，外室南户，次室北户、中室南户。室皆上圆下方”。在这样的房间，“微风不起，纤尘不形，清静闲居，外无声振”，成为隔音室。
在我国古代，建筑和船舶都用木材建造，如果选用上好的密实木材，再以配以类似于三重律室的结构，做到隔声、消音应该不是难事。再加上军队的军纪，做到上面打得天翻地覆，下面的人该怎么划船还怎么划船应该不是难事。
不过，尽管陈友谅拥有比朱元璋更高大的战船，陈友谅终究还是失败了。在鄱阳湖战役第二天，由于战事紧急，陈友谅开会决定利用大船优势，用铁链将船连起来——这不是三国演义!却沿着三国演义的套路走。当年明月也感言，陈友谅与施耐庵的关系非常好，却还是出了如此昏招，朱元璋照着三国火烧赤壁，用七条船让陈友谅的战船陷入一片火海。
其实，陈友谅的楼船在中国的古船史上既算不上早，也不算十分突出。楼船早在春秋时期就已应用于战争，不过最早是用于瞭望的。秦始皇统一六国后，积极发展水军。西汉时期，楼船开始成为主力战舰，为主帅所乘。在汉武帝发兵灭南越、朝鲜等战争中，楼船都发挥了重要的作用。在隋灭陈的战役中使用的五牙战舰很可以称得上楼船战舰的一个里程碑，由隋朝大将杨素筹措、打造。
“五牙”实际上是指战舰有5层结构，高百余尺，总长55米，是隋朝最大的主力战船，可容战士九百人(这个要比陈友谅的楼船大多了)。前后左右设置六台拍竿，高五十尺。每根木桅顶系巨石，下设辘轳，战斗中和敌舰迫近时，可以迅速用辘轳把巨石放下，砸坏敌船。
图片来源：百度
北宋时期曾公亮和丁度编撰的《武经总要》中提到水军已经是由楼船、蒙冲、斗舰、走舸、游艇、海鸪等多种舰船组成的水军系统。明朝造船达到一个巅峰，主要体现在郑和七下西洋，说明了明代远洋航海能力。2010年，南京市发现一座明代古墓，考古发现该墓为郑和副手洪保墓，墓志铭记载“永乐纪元，授内承运库副使，蒙赐前名。充副使，统领军士，乘大福等号五千料巨舶”，料是古代容量单位，5000料相当于现在的2500吨的排水量，二次世界大战期间，大多数战舰都小于2500吨，只有法国空想级驱逐舰超过2500吨。
二战期间法国空想级驱逐舰 图片来源：百家号
有时候想，很多人认为中国的九段线沿着菲律宾、马来西亚、越南等国的海岸线画，觉得不合理，在古代也只有具有远洋航海能力的中国才能到达和管理这些区域。英美海军航海旧记录证明，在清代和民国前期，只有中国渔民在南沙群岛各岛礁间进行季节性捞捕，有些则常年居住在岛礁之上(太平岛、中业岛、北子岛等建有中国渔民的水井)。没有航海技术，就是自家门口也去不了，更谈不上什么管理了。
参考资料：
当年明月. 《明朝那些事》王冠倬《中国古船图谱》
杨萍. 中国古代战船. 军事史林, 2015(11).
网络相关资料。
来源：力学酒吧微信公众号(ID：Mechanics-Bar)，作者：张伟伟 太原科技大学。
页:
[1]