第九十三章 木质帆船结构是最大的难题(2/2)
船舶在海上航行,在受力的时候,是六个方向的受力,上下东西南北,都有海浪和的大风,在挤压拉扯船体,桅杆和船帆锁具受力情况更加复杂。船舶摇摆、升沉、大浪拍击船体侧,木造船的木结构更容易发生形变。不管任何材料,受力不大的情况下,就只是暂时形变罢了,如果外力撤去后还能弹回去,这就是弹性形变,问题不大。
如果突然很大的受力,或者长期不撤去的“荷载”,材料变形回不去了,甚至材料抵抗不住外力而产生裂痕。前者就是”塑性形变”,比如撞车事故中汽车外壳变形,要是后者材料就算完全废了,这个变形有多大,多恐怖,举个例子就可以非常直观的看出来。一般甲板上会有几个舱盖。在巨浪铺天盖地的情况下,一定要把舱盖用楔子钉死,否则,海浪挤压船壳,船壳形变挤压舱内的空气,空气会崩飞甲板上的舱盖。
木头强度低还有更严重的问题,船舶承载越大的货物载重,造船木料就需要越粗大。然而,随着时间的流逝,欧洲已经造了150多年的大型帆船,天然大型木料很难找到;大明还好些,至少四川巨木还保存了很多。
其次,粗大的木料自重也更大,于是越粗大的木头承重效率也越低,最后单纯自己的重量恐怕就把自己压弯了。甚至压折了。
彼此之间木头构件不容易连接,“连接”就是需要一个木头构件的受力能够传递到另一个上面,这样船体结构才能成为真正连贯的一个受力的整体,所有应力都能尽量平均,不至于让局部某些结构承受超过自身强度和韧性的力量。快速疲劳、断裂。甚至直到二战前,人类主要的造船技术都还是用铆钉。
钢铁形变小,受力不论是铆接还是焊接都可以轻易的传导给相邻的构件。木头就大大不同了,一般肉眼可见,贯通材料的纹理——“木心年轮”。木头就像肉一样,是许多纤维平行排列成的。这些木头纤维之间的连接强度,远远赶不上单独一根纤维内部,俗话说“劈柴不照着纹,累死劈柴人”。木材的强度在不同方向差异巨大。
在这种情况下,钉子钉进木料里,原本就是破坏了木材结构的连贯性,而钉子对木料的紧固压力,也只能波及钉子附近小范围内的木质纤维,更远处的与此无关,因为木头纤维彼此之间没有钢铁显微结构那样的紧密连接。
两个木构件、甚至数个木构件被一根铆钉紧固在一起。这时如果战舰是在风浪中航行,那么船体就会承受应力,各个构件受力就会发生弹性扭转、弯曲。如果战舰在风浪中横倾,右侧那边的大炮和上层结构件全部都要压到水线下的船体上去,如果左侧迎风一边的大炮和上层船体构件却有相互间拉散开的趋势。
这样,受力形变的木头构件之间,就把紧固它们的铆钉来回拉扯、挫动。每一根木料都很粗大,铆钉为了不破坏木料整体结构只能尽量做得细些,这样整个木料拉扯铆钉产生的压力,全部集中在铆钉附近的木料中,铆钉和木料就不是紧密的结合,而是形成空腔。很快这些木质纤维就被铆钉压迫变形,铆钉的钉子孔就疏松、扩大了。这样木料之间就能够相互错动。这种海上波涛中承受应力、木材形变、钉子活动导致的木料松动和相互错动,在高海况的情况下,在船舱里可以观察到整条船的木梁和各种构件像蛆虫一般的扭动。
铆接这种非常不牢靠的结构,首先会在风浪中各种产生各种松动;其次整体上存在一个很大的问题,也就是整个船体变形的问题,始终困扰风帆时代工匠与设计师的最重大的问题,限制了风帆战舰的最大长度。而最大长度不增加,就只能加宽宽度来增大容积,这样短粗胖设计,长宽比小的船,阻力巨大,也装不了太多的桅杆,桅杆少,船帆面积就上不去,利用风的效率就低,严重拖累了速度。
小师姐听着李憬和造船的师傅们讨论着技术难题,对这个时代的帆船也有一定的了解。后续继续参观铸造车间,铆钉锻造车间,油漆车间,小师姐才发现原来造一条帆船有这么复杂和这么大的难度。
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