陳巍，理學(xué)博士，現(xiàn)為中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員。主要研究科技知識(shí)在古代世界的傳播并把世界連為一體的歷程。喜愛“上窮碧落下黃泉”，品鑒各個(gè)文明在應(yīng)對(duì)相似問題時(shí)展現(xiàn)出的智慧。

古詩詞有云：“亂石穿空，驚濤拍岸，卷起千堆雪?！惫糯胶；顒?dòng)不免會(huì)遇到?jīng)坝坎那闆r。若風(fēng)浪過大過急，船只可以停泊等待以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，不過船只的常態(tài)就是隨著浪花拍打顛簸晃動(dòng)，讓航船盡量保持穩(wěn)定，既可提高乘坐舒適度，又能保證船上貨物的周全。這就涉及對(duì)船舶穩(wěn)性的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐，在古代這主要是通過改進(jìn)船體形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及合理配置壓艙物解決的。

什么是船舶穩(wěn)性

船舶的穩(wěn)性又稱復(fù)原性，是受波浪等外力作用而傾斜的船只，當(dāng)外力消失后恢復(fù)漂浮于靜水中的平衡形態(tài)的能力。不考慮船內(nèi)貨物隨顛簸移動(dòng)等因素，船自身所受重力和重心可視為不變，船所受浮力也不變，但浮力所作用的點(diǎn)（位于水下體積的中心）卻會(huì)因船只傾斜后水下部分不停變化而改變。這就讓浮力和重力不在同一條直線上，這將抵抗使船傾斜的力量，帶來復(fù)原性。比如我們做一條小船放在水池里，若小船穩(wěn)性不好，稍微攪動(dòng)水面就打翻了，穩(wěn)性好的小船則很難翻船。

那么如何可以增強(qiáng)船只的穩(wěn)性呢？不倒翁可以帶來一些啟示。不倒翁是具有相當(dāng)高穩(wěn)性的玩具，它能搖晃，但作用于其上的力消失后，怎么都不會(huì)傾覆。觀察不倒翁，可以發(fā)現(xiàn)它擁有兩項(xiàng)特征。其一，它底部多呈扁圓形，圓形讓它能搖晃不已，扁形則意味著底部寬度較大，從而增長(zhǎng)了大幅傾斜時(shí)的恢復(fù)力臂。其二，它的重心很低。對(duì)于船舶來說，如果重心總是低于穩(wěn)心（浮力作用的中心所在垂線與船體中心線之間的交點(diǎn)），則船總會(huì)回正，否則就將傾覆。

船只重心高于穩(wěn)心導(dǎo)致事故的事例并不鮮見，即便是航運(yùn)業(yè)高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代也時(shí)有發(fā)生。例如2006 年，一艘從日本駛往加拿大的貨船“猛豹號(hào)”就因?yàn)檫^多排出底部壓載艙的海水，導(dǎo)致重心過高，影響其穩(wěn)性，在阿留申群島一帶的大浪沖擊下，該船嚴(yán)重傾斜約80°。雖船員很快得救，但貨船直到3個(gè)星期后才被扶正。

可見，較好的穩(wěn)性是安全航行必不可少的條件。我們知道浮力定律是由古希臘大科學(xué)家阿基米德最早揭示的，但直到18 世紀(jì)中葉“造船工程之父”皮埃爾·布格提出穩(wěn)心概念后，船舶穩(wěn)性才開始得到系統(tǒng)研究。這并不意味著此前漫長(zhǎng)時(shí)間里人們只能在船上左搖右晃，通過實(shí)踐，古代造船者同樣能較妥善地處理不同情境下的船舶穩(wěn)性問題。

以寬求穩(wěn)

前面提到可從兩條途徑增強(qiáng)船只穩(wěn)性。其一是增大船底部表面積，這方面的改進(jìn)從人類剛開始在水面航行時(shí)就出現(xiàn)了。最早的渡水工具有兩種，即筏子和獨(dú)木舟。筏子缺乏船舷，嚴(yán)格意義上說還算不得船，它把許多可漂浮物聚集成寬闊的表面，從而獲得良好的穩(wěn)性。獨(dú)木舟看似容易翻滾，實(shí)則也能改進(jìn)。數(shù)千年前中國東南一帶制造的獨(dú)木舟就在舟外安裝支腳，既可放置物品又能起增強(qiáng)穩(wěn)性的作用。這一形式逐漸傳播到太平洋眾多島嶼，使支腳船成為南島居民橫渡重洋的利器。

船舶建造技術(shù)的進(jìn)步讓人們能夠根據(jù)船只主要用途調(diào)整其形態(tài)結(jié)構(gòu)。在對(duì)速度要求較低而載貨量需求較高的情況下，船只底部寬闊平坦。古印度的哈拉帕文化曾發(fā)展出平底船，用于在城市間運(yùn)送貨物，埃及也發(fā)現(xiàn)過底部趨于扁平、具有優(yōu)良穩(wěn)性的海船。這些活躍于紅海和印度洋的船只有可能即中國古籍中“昆侖船”的原型，唐朝出現(xiàn)的沙船或受其影響。沙船具有寬、大、扁、淺等特點(diǎn)，不但可使其能載運(yùn)數(shù)百乃至上千噸貨物在港口中方便地裝卸，也很容易處理擱淺狀況，在風(fēng)浪較小的情況下非常平穩(wěn)，因而格外適于在中國北方含沙量高的近海航行。歷史上沙船曾遍布南洋，甚至遠(yuǎn)航非洲。大約與沙船同時(shí)，西歐也出現(xiàn)了底部平坦的寇格船。歷史上的平底貨船至今仍能從集裝箱船身上領(lǐng)略到風(fēng)采。

平底船也有缺點(diǎn)，它造價(jià)和建造技術(shù)比一般船只要求更高，而且其較高穩(wěn)性僅限于較小幅度的傾斜角，故它并不完全適用于深海航行。加之平底船航速較慢，操縱不太靈活，在許多情況下人們依舊會(huì)選擇尖底船。當(dāng)然，并非所有船只都追求高穩(wěn)性，古希臘人有時(shí)就任戰(zhàn)艦在海上傾覆漂浮，只需把船員救起并設(shè)法將船拖回港口即可。那么，尖底船如何實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)性呢？這就需要運(yùn)用前面提到的第二種途徑，即借由妥善配置壓艙物調(diào)整船只重心。

古代貿(mào)易中的壓艙物

壓艙物指的是船只航行時(shí)放置在船艙里，用來穩(wěn)定船身的重物。由于船艙上層和甲板上經(jīng)常放置貨品，若船艙底部缺乏重物，則船的重心過高，就會(huì)出現(xiàn)稍遇顛簸就瀕臨傾覆的險(xiǎn)況。

我們平時(shí)常遇到“壓艙石”這個(gè)詞，它除用于航海的本義外，也常用于比喻保持穩(wěn)定之物。不過自古以來可用于壓艙的不僅限于石頭，只是對(duì)于未載貨空駛的船只來說，隨處可見的石頭是最容易利用的物品之一（可能僅次于沙土）。所以“壓艙石”只是所有壓艙物的代表，而絕非其全部情況。壓艙石在距今數(shù)千年前的西亞船只上就多有發(fā)現(xiàn)，有時(shí)考古學(xué)家會(huì)分析古代沉船上的壓艙石產(chǎn)地，推測(cè)船只曾停泊過的地方。

另一方面，有價(jià)值的特殊石料，如大理石也是一種貿(mào)易品，因此它擁有壓艙物和商品的雙重屬性。這種現(xiàn)象并不罕見，古代海洋商路上眾多大宗貨物都有可能用作壓艙物。礦石和冶煉出的金屬錠的比重多大于石料，它們是效率更高的壓艙物。銅、錫、鉛都是用于冶煉青銅的原料，它們是青銅時(shí)代海上貿(mào)易的主角，也當(dāng)仁不讓地充當(dāng)著壓艙物。到較晚時(shí)代，鐵是另一種珍貴的金屬貿(mào)易品，不少從印度出發(fā)駛往別處的船只都用鐵塊作壓艙物。礦產(chǎn)資源流向手工業(yè)中心后，換回的大宗商品多為谷物。但脫粒后的谷物卻不是理想的壓艙物，除了它們的密度遠(yuǎn)小于石塊沙土外，海運(yùn)的散裝谷物會(huì)隨船只顛簸而在一定空間中流動(dòng)，對(duì)船舶穩(wěn)性造成不利影響。

到古希臘和古羅馬時(shí)期，海洋貿(mào)易涉及的商品更加多樣，人們配置壓艙物的經(jīng)驗(yàn)也更加周詳。石料仍是最常用的，它們往往被重復(fù)使用。不過鑒于各地商品的價(jià)值與數(shù)量并不平均，一些港口充斥著來往船只卸下的過多壓艙石，如冰島海域的鱈魚通過金斯頓港進(jìn)入英格蘭，與鱈魚相配的壓艙鵝卵石同時(shí)大量拋棄在這里，金斯頓人甚至用這些石料鋪設(shè)了貫穿港口的整條道路。

由于古代長(zhǎng)途貿(mào)易風(fēng)險(xiǎn)巨大，生意常常是被少數(shù)能夠獲取暴利的商品牽著走的，而這些商品大多具備數(shù)量稀少、產(chǎn)地分布不均、單價(jià)昂貴等特點(diǎn)。以往學(xué)者多認(rèn)為作為壓艙物的其他物資在貿(mào)易中幾乎僅有陪襯地位，或者反過來說，絕大多數(shù)種類商品除當(dāng)作壓艙物外，商人們僅僅抱有能賣幾個(gè)錢是幾個(gè)的態(tài)度。

不過設(shè)若真是如此，為什么古希臘船只還要裝載那么多精美的陶瓶呢？雖然瓶裝葡萄酒或橄欖油作壓艙物的效率接近于谷物，但依然很難理解商人們把輕重商品煞費(fèi)苦心地搭配，而不是簡(jiǎn)單裝載石頭了事。近來研究表明，這些貨物是有價(jià)值的，古羅馬商人并不是只把金銀送往印度換回珍貴的東方商品，而是把歐洲的葡萄酒、玻璃器皿、紅珊瑚、金屬錠送往埃及參與紅海貿(mào)易，再搭配新的商品組合前往印度。對(duì)不同貨物用作壓艙品的組合，既體現(xiàn)了人們對(duì)船舶穩(wěn)性實(shí)踐知識(shí)的靈活掌握，還折射出海上絲綢之路沿線各地緊密依存的繁忙貿(mào)易關(guān)系。

隨著歷史推移，人們也逐漸認(rèn)識(shí)到壓艙物沒必要全部置于船艙底部。如果重心過低，雖船只不容易沉沒，可遠(yuǎn)離船底的貨艙的搖擺幅度更大，不利于易碎品的運(yùn)輸。這對(duì)以陶瓷作為主要出口商品的中國顯然更加重要。易碎的陶瓷須與稻草等緩沖物一同打包，總體上密度不高，它原本并非合適的壓艙物，但中國商船仍將其置于船艙底部，而把密度更大的鐵器放到上層船艙，適當(dāng)提高船的重心和搖擺中心，減小陶瓷所處位置的搖擺幅度，降低帶給它們的沖擊。靈活改變壓艙物位置，體現(xiàn)著航海者已對(duì)船舶穩(wěn)性擁有相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)。