拖动水上巨无霸要用多大力

xinwen.mobi · 发表于 5 天前

1. 关于“水上巨无霸”的分析
如果这里的“水上巨无霸”指的是大型船舶，拖动它所需的力取决于多个因素。
首先是船舶的排水量，排水量越大，船在水中受到的阻力等就越大。例如一艘超大型油轮，其排水量可能达几十万吨。
还与船舶的运动状态（静止、低速航行、高速航行等）、水的性质（海水与淡水，水的流速、流向等）、船体表面的粗糙度等有关。
2. 计算阻力及所需拉力
在水中，船舶主要受到水的阻力。对于低速船舶（例如拖船拖动静止或缓慢移动的大型船舶时），其阻力主要为粘性阻力。粘性阻力\(F_v\)可以用公式\(F_v = C_v\frac{1}{2}\rho v^{2}S\)近似计算（\(C_v\)为粘性阻力系数，\(\rho\)为水的密度，\(v\)为船舶相对于水的速度，\(S\)为船体湿表面积）。
对于高速船舶，还需要考虑兴波阻力。兴波阻力\(F_w = C_w\frac{1}{2}\rho v^{2}S\)（\(C_w\)为兴波阻力系数）。
当船舶静止在水中开始被拖动时，初始阶段主要克服静摩擦力（在水中，静摩擦力也与船舶的重力、船体与水的接触特性等有关），随着速度的增加，阻力逐渐以粘性阻力为主，高速时兴波阻力占比增大。
如果简单假设一艘大型船舶排水量为\(m = 100000\)吨（\(m = 1\times10^{8}\text{kg}\)），在海水中静止开始拖动，初始摩擦力系数\(\mu\)假设为0.1（这是一个非常粗略的假设值，实际情况很复杂），海水密度\(\rho = 1025\text{kg/m}^3\)，船体湿表面积\(S = 50000\text{m}^2\)，粘性阻力系数\(C_v = 0.003\)，若要以\(v = 1\text{m/s}\)的速度拖动。
   首先计算初始静摩擦力\(F_f=\mu mg\)，\(g = 9.8\text{m/s}^2\)，则\(F_f=0.1\times1\times10^{8}\times9.8 = 9.8\times10^{7}\text{N}\)。
   粘性阻力\(F_v = C_v\frac{1}{2}\rho v^{2}S=0.003\times\frac{1}{2}\times1025\times1^{2}\times50000 = 76875\text{N}\)。
   所以初始拖动需要克服的力接近\(9.8\times10^{7}\text{N}\)（主要是静摩擦力起主导），当开始运动后，随着速度稳定，拖动所需的力接近\(F_v = 76875\text{N}\)左右（实际情况中还会有其他影响因素，这只是非常简化的计算）。

需要注意的是，实际中拖动大型船舶等“水上巨无霸”需要专门的拖船设备，并且拖船的拉力设计等都是根据大量的工程经验和精确的水动力学计算得出的，上述计算只是一个简单的原理性说明。

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