什么是船舵？
船舵是安装在船舶尾部、可绕垂直轴转动的翼型装置，它的核心功能是控制船舶的航向，通过改变舵叶的角度,利用水流产生的力来使船头向左或向右偏转。
可以把它想象成飞机的尾翼或者汽车的方向盘,是船舶操控系统中最重要的部分之一。
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船舵的工作原理：伯努利定律与牛顿第三定律
船舵的转向原理主要基于两个经典的物理学定律：伯努利定律和牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）。
伯努利定律（升力原理）
当船在水中航行时，水流会从船舵的两侧流过，舵叶的形状类似于飞机的机翼，是翼型（Airfoil）设计，即一侧是平直的,另一侧是弯曲的。
- 当水流流过弯曲面（舵的压力面）时，路径变长,流速加快。
- 根据伯努利定律，流速越快，压强越小；流速越慢,压强越大。
- 舵叶迎流侧（吸力面）的压强小于背流侧（压力面）的压强。
- 这个压强差会在舵叶上产生一个垂直于水流方向的力，这个力被称为舵力或升力。
牛顿第三定律（作用力与反作用力）
当舵手转动船舵，使其与船的中心线成一个角度（这个角度称为舵角，通常最大为35°）,水流会撞击在舵面上。
- 水流对舵面施加了一个作用力。
- 根据牛顿第三定律，舵面会给水流一个大小相等、方向相反的反作用力。
- 这个反作用力同样会产生一个使船转向的力。
在实际操作中，伯努利定律产生的升力是转向力的主要来源，尤其是在舵角较大时,作用力与反作用力的贡献也很大。
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转向过程
- 转动船舵：将舵盘向右打，船舵就会向右偏转一个舵角（例如10°）。
- 产生舵力：从船尾流过来的水流，在流过右偏的舵叶后，根据上述原理,在舵叶上产生一个指向左后方的舵力。
- 形成转船力矩：这个舵力本身并不会直接让船头转向，但它位于船的尾部，距离船舶的重心很远。力 × 力臂 = 力矩，这个舵力相对于船舶的重心产生了一个强大的转船力矩。
- 船头转向：这个转船力矩推动船尾向左摆动，由于船舶的惯性，船头就会自然地向右偏转,从而完成转向。
船舵的主要组成部分
一个完整的船舵系统包括以下几个关键部分：
- 舵叶：产生舵力的主要部分,是水下的翼型结构。
- 舵杆：一个垂直的、坚固的轴，贯穿舵叶，它是舵的“骨架”，用于传递舵盘的转动指令,并承受水流的巨大冲击力。
- 舵承：支撑舵杆的轴承，确保舵杆能平稳转动,并承受舵的重量和水流冲击。
- 舵柄 / 舵盘：位于驾驶室，是船员或自动驾驶系统操作的部分，通过机械、液压或电气系统连接到舵机。
- 舵机：提供动力的装置，负责转动沉重的船舵，根据动力源可分为：
- 电动舵机：电力驱动，结构简单,多用于中小型船舶。
- 液压舵机：利用高压油驱动，力量强大，响应迅速,是大型远洋船舶的主流选择。
- 操舵系统：连接舵盘和舵机的复杂机械、液压或电气系统，包括舵角指示器、反馈装置等。
舵的类型
根据船舶的类型、大小和性能需求,船舵有多种设计：
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平衡舵
- 特点：舵杆轴线（舵轴）不在舵叶的最前缘，而是向后移动了一段距离,使得舵杆前后的舵叶面积大致相等。
- 优点：大大减小了转动舵所需的力矩，使得舵机可以更小、更省力，响应更灵敏,绝大多数现代商船都采用这种舵。
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不平衡舵
（图片来源网络，侵删）- 特点：舵杆轴线位于舵叶的最前缘。
- 缺点：转动舵时需要克服整个舵叶水动力的力矩，非常费力,需要巨大的舵机。
- 应用：仅在一些小型、低速或特殊船舶上使用。
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半平衡舵
- 特点：介于平衡舵和不平衡舵之间,舵杆轴线之后的部分面积较大。
- 优点：比不平衡舵省力,但比平衡舵结构更简单坚固。
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特殊舵
- 襟翼舵：在舵叶的后缘增加了一个小的可转动翼片（襟翼），当主舵转动时，襟翼会转动一个更大的角度，从而在不增加舵机功率的情况下，产生更大的舵力,大大提高了船舶的机动性。
- 导流罩舵：在普通舵的叶面前方增加一个流线型的“鼻罩”，可以改善尾部水流，提高推进效率,同时也能增加舵力。
- 主动舵：除了能像普通舵一样转动外，舵叶内部还安装了小型推进器（螺旋桨），它在低速或倒车时也能提供强大的横向推力，使船舶拥有原地回转、平移等“超机动”能力，常见于渡轮、科考船等对操控性要求极高的船舶。
操舵的注意事项
- 航速影响：船速越快，水流速度越快，舵效越好，低速时舵效会急剧下降，因此船舶在离靠码头或狭窄水道航行时,必须依靠拖轮或侧推器辅助。
- 舵角限制：舵角不是越大越好，通常最大舵角为32°-35°，超过这个角度，舵力反而会下降,且容易损坏舵机。
- 舵效滞后：转动舵后，船舶并不会立即转向，而是需要一个反应时间，舵角越大，船的惯性越大，转向的“延迟”也越明显。
- 倒车操舵：船在倒车时，尾部水流方向相反，舵效也与正车时相反，向右打舵，船尾会向右摆动，导致船头向左转,这需要驾驶员有丰富的经验来适应。
船舵是船舶航行中不可或缺的“方向盘”，它巧妙地利用了流体力学原理，将水的动能转化为控制航向的力矩，确保了船舶能够安全、准确地航行，从最简单的平板舵到复杂的主动舵,船舵的设计和发展也反映了人类航海技术的不断进步。
