科學科普視頻集合 【3D動畫】16世紀的帆船是如何工作的？

這就是16世紀帆船的工作原理 我的模型是按照歐洲傳統制作的 特別是那個時期英國的造船技術 我以著名的尖鹿號Golden Hand作爲最接近的範例 同時參考了瑪麗、羅斯號、五月花號、瑞典的瓦薩號 以及當時的西班牙大帆船 打造了一個經過深入研究但具有普遍性的模型 尖鹿號之所以有趣 不僅因爲它是較早環遊世界的船隻之一 還因爲在其探險過程中 部分行動是非官方授權的 針對西班牙大帆船的海盜行爲 並且它在這方面取得了巨大成功 帶回了當時捕獲的最大一批西班牙財寶 這些壯舉發生在1577年至1580年之間 這是帆船時代的早期 船隻開始跨越全球 而不僅僅是沿着海岸線航行或穿越大型內陸水域 我製作了另一個關於1765年勝利號的視頻 它更接近帆船時代的另一段 將這兩個視頻放在一起 你開始體會到帆船是如何隨着時間推移 而發生變化的 爲了讓你對它的尺寸有個基本概念 我在甲板上放了一輛現代輕型皮卡 這個時期的英國男性平均身高爲5英尺6英寸 約1.68米 所以我根據這個身高調整了人體模型的大小 現在讓我們進入細節 所有船隻的建造都是從鋪設龍骨開始的 龍骨是船體最底部的一根粗梁 從船頭一直延伸到船尾 船體的大部分結構由橡木和一些榆木製成 爲了形成長梁 較短的木材可以拼接在一起 我們稍後會看到這一點 稱爲類材的橫木被固定在龍骨上 上面再加上另一根稱爲龍骨類材的橫樑 船首的手柱和船尾的尾柱都被固定在結構上 爲了展示這些部件是如何連接的 我把手柱分解成單獨的木材 在末端製作了特殊的斜切接口 稱爲斜接榫 以實現非常牢固的結合 鐵尖釘或鐵釘將這些部件緊緊地固定在一起 木材要麼是從具有所需形狀的樹上砍伐而來 要麼可以通過各種蒸汽彎曲技術來彎曲 這樣就可以添加第一塊木板了 木板大約有4英寸約10釐米厚 寬度在9到18英寸約22.5到45釐米之間 長度則在5到30英尺約1.5到9米不等 兩端都定有鐵釘 在每根肋骨之間都定有稱爲樹釘的木尖釘 現在船架向上延伸 有向上彎曲的木材稱爲第一肘材 內部木板將船架封閉起來 彎曲的肋骨進一步加固了結構 底部還有特殊的厚木板稱爲厚材 胸溝加固了船頭 船體的建造從這裏繼續向上進行 甲板上有一個密集的支撐木材網絡 這些木材都有各自的名字 在兩側可見稱爲肘板的重型支架 直肘板向上 旋肘板向下 側肘板橫向放置 圍杆在每個甲板上都有支撐 並通過稱爲圍座的大型木塊固定在底部 主圍杆高達100多英尺約30多米 我們稍後會仔細查看圍杆 翻等 外部木板也是隨着船架搭建起來的 並採用類似的方法將其固定在結構上 通過把舊繩索的碎屑塞入木板之間的縫隙中 然後塗上油樹葉製成的熱溶瀝清或膠油 來填補或填色縫隙 以防止木板腐爛 船體外部防水部分稱爲船殼 關於船殼塗層以保護船體水下脆弱部分的問題 存在一些爭議 這個時代確實有畫作顯示了一種白色塗層 稱爲白彩 由精油或魚油松脂和硫磺製成 船殼不斷受到船區一種管狀 石木海洋生物 藤壺和其他海洋生物生長的侵蝕 這些船隻的一般橫截面稱爲內傾式船體 其形狀向上彎曲並隨着高度的增加而變窄 現在我們已經看到了船架和船體的整體結構 讓我們回到船艙內部 從最低層的貨艙開始 爲了保持船隻平衡直立 需要添加重量來抵消水上部分的重量 這稱爲壓艙物 我們的模型中有超過100噸的壓艙物 是建造地點附近的海岸岩石材料 從船首開始 有船上的廚房 後來的船隻將烹飪爐放在更高的位置 以便更容易散熱和排煙 這個時代的有些船隻將爐子放在前甲板室 爐子用磚砌成 因爲火源一直是個令人擔憂的問題 爐子上方有一個大型銅鍋 在波濤洶湧的海面上 沒有煮熟的食物 水手們只能吃乾糧 如麪包或餅乾 煙霧流入上方的木質煙罩 用於熏製肉類 除了烹飪外 貨艙還是船上主要的儲存區 食品供應包括麪包 餅乾 鹹牛肉 奶酪 黃油和啤酒 例如 啤酒的供應量是每人每天一加輪約3.8升 在船員人數爲80人的情況下 他們每天大約需要消耗這麼多桶淡水 對於長途航行 船上的每個角落都會堆滿儲水容器 在船艙中央 有一個框架圍成的井狀結構 船底積聚的水會流入其中 隨後被抽出去 這種所謂的艙底水往往又臭又爛 但據說 水手們不信任有甜味的艙底水 因爲這可能表明船體有滲漏 這裏有一個儲物櫃 存放着艦炮和其他武器裝備所需的彈藥 目的是將這些重物 儘可能放置在船體較低的位置 船艙是一個陰暗 潮溼 令人感到壓抑的地方 船上的燈籠可以提供一些光亮 燈籠裏裝的是牛油蠟燭 這是一種提煉後的動物脂肪 燈籠側面的透光材料 由保壽角或羊皮紙製成 繼續向上走 我們進入了尾樓甲板 它位於水線之上 在這裏 船圍兩側設有特殊的麪包房 麪包被存放在這些乾燥的房間內 遠離船艙 麪包房還進一步保護和隔絕了中央火藥庫 火藥庫裏存放着船上武器所需的火藥 出於同樣的原因 存放燈籠和廚房爐竈等 亦引發火災的物品也位於船的另一側 走到尾樓甲板的前部 我們看到錨鏈呈圈地鋪放着 以便晾乾 這裏還存放着帆布 備用木材和木工工具 繩索等許多保持船舶運行所需的物品 現在 讓我們沿着梯子爬上主甲板 這是第一個完全位於水線之上的甲板 在前方 我們看到非常堅固的牽索柱 用於在拋錨時固定粗大的錨鏈 支撐牽索柱的框架延伸至下方的甲板 錨鏈沿着甲板一直延伸到腳盤 並從那裏穿過中央格柵進入船艙 主圍杆後面有一個抽水用的榆木泵 掏空的榆木樹幹構成了外管 榆木因其防腐性能而受到青睞 泵閘或手柄由一根長金屬桿製成 另一端裝有皮發裝置 在泵的底部 有一個皮塞 只允許水流入 而不允許水流出 髒水流入甲板木板下的水槽 並通過框架中通向大海的帶孔塞塊流出 船舷兩側排列着14門大炮 更準確地說是火槍 這是薩克炮模型 炮管長9.5英尺 2.89米 炮彈直徑三又四分之一英寸 8.26釐米 它們每門重近2000磅 907.18公斤 薩克炮使用4磅 1.81公斤 黑火藥可以發射大約五又四分之一磅 2.38公斤的炮彈 射程可達2400碼 極近1.4英里 2.25千米 較小的繩索用於定位或拖曳火炮進行裝填和再次發射 炮管周圍更粗的繩索是後座力繩索 用於吸收火炮巨大的後座力 還有一個木屑垂直角度控制器 在船尾有兩門較小型號的獵鷹炮 這些炮長4英尺 1.21米 口徑兩英寸 5.08釐米 重量在200-400磅 90-180公斤之間 它們使用二分之一磅火藥 可以發射一磅重的炮彈 射程約爲1667碼 極近一英里 從這裏 我們沿着樓梯或稱爲通道登上露天甲板 它位於船身中部 暴露於空氣中 船舷兩側還有兩門獵鷹炮 這裏的第二個腳盤實際上與下方的腳盤相連 使用時它們會一起轉動 繼續向後走 我們來到舵室 這裏是操控船舶的地方 與我們可能期望的經典舵輪不同 舵輪在一個多世紀後纔開始使用 這裏使用的是舵柄 舵手站在一個平臺上 平臺上有一個小遮蔽艙 通向上面的甲板 便於觀察帆和鎖具以及外部情況 前面固定着一個叫做螺晶櫃的櫃子 一側裝有一塊玻璃厚的萬象螺盤 另一側裝有一盞燈籠 有一個小煙囪用於排放燈籠的煙霧 舵柄本身是一根長杆 穿過甲板上的木軸承 使杆能夠旋轉 杆與一根穿過下方主甲板的長木臂相連 木臂上有拱形橫樑作爲支撐 它連接到船的舵上 如果需要更大的轉向角度 杆可以上下移動以增加操作範圍 舵本身通過稱爲舵銷和舵紐的鐵腳鏈 與船的龍骨和船體相連 舵紐上有銷釘 舵銷上有孔 並使用帶子 充分利用所有可用空間進行妥善固定 回到露天甲板 我們繼續向後進入大艙 這是船長和上層甲板船員聚集的空間 後部有一個陽臺 稱爲開放式後甲板 環繞船尾和兩側 現在我們沿着露天甲板向船頭前進 這裏有可移動的閣杉 用於通風 部分保護和吊裝甲板上下的物品 船上的小船平放在這裏 可以從船上的高空鎖距中設置滑輪和繩索網絡 用於移動小船和其他重物 進出船隻或在甲板之間移動 我們通過前面的門進入前甲板室 這個艙室會裝滿裝備 可能還有額外的大炮 穿過這個房間 我們來到船頭 這裏有室外廁所 稱爲便艙 讓我們繼續向上 前往上面的其他露天甲板 前甲板室甲板上配備了兩門旋轉炮 它們裝有一個可拆卸的炮室 炮室用鐵銷固定在位 並通過側面的小孔用點燃的燈芯發射 這裏有一根欄杆 用於寄住或固定鎖距繩索 繼續向後走 我們來到後甲板 這裏還有兩門旋轉炮 舵式的觀察窗通向這甲板 後牆上有通往上方尾樓甲板的梯子 尾樓甲板是最後面的露天甲板 在尾樓甲板下方 我們看到船長的艙室 裏面有個人牀鋪 辦公桌和儲物區 既然提到了牀鋪 那麼金鹿號出發時 在有80人的船員 直到下一個世紀初 吊牀纔在帆船上得到普遍使用 所以船員們會在能找到甲板空間的地方 鋪上墊子睡覺 在深入瞭解了船體之後 讓我們來看看驅動船隻前進的關鍵部分 圍杆 鎖距和帆 乍一看 這似乎複雜得令人絕望 但其中許多線條 只是重複着一些非常基本的功能 這艘船有三根圍杆 分別是前圍杆 主圍杆和後圍杆 前面還有一根前身圍 從前甲板框架延伸至船首 前面的兩根圍杆及其部件 是船隻的主要推進力來源 而後圍杆則用於平衡和操控方向 前圍杆和主圍杆分爲兩段 以增加高度 一個叫做圍帽的木質部件 以及一些橫兩位圍杆頂部 或稱爲瞭望臺 戰鬥臺這個部位 提供了結構支撐 水手們可以在這裏駐守 以保衛船隻 這些高大的圍杆 及其高空懸掛的重型設備 需要極其堅固的支撐 固定索具通過圍杆後的斜拉索 和前面的支撐索來固定圍杆 由於風帆通常會在圍杆前方受力 即使船隻在頂峯航行時 採用之字形路線 斜拉索也會承受更大的拉力 因此建造得更加堅固 每根斜拉索上都裝有一組鬆緊索爾 可以調整或收緊索具 金屬部件和一小段鏈條 將下部的鬆緊索爾連接到船體上 堅固的鏈籃或鏈板 從船體兩側延伸出來 以支撐鬆緊索爾 一些顏色較深的線條或纜繩 被稱爲加套線 用於防止磨損 一種被稱爲纏繩的小繩索 被纏繞在螺旋狀的縫隙中 然後在外層包裹上膠油翻布包裹層 最後用膠油繩索緊緊綁住 斜拉索向上延伸 被稱爲攀索的繩索段 被系在斜拉索上 以便水手們攀爬上去操作風帆 在這裏 第二組鬆緊索爾和斜拉索 連接在一根木條上 以固定頂圍 頂圍也有自己的支撐索 它穿過前圍杆的滑輪或滑車 然後在船樓上固定 前頂圍支撐索在延伸到船首時 前身圍爲其提供了支撐索具 風帆本身由 被稱爲橫杆的重型木材支撐 它們通常垂直於圍杆排列 使這艘船成爲所謂的方帆船 接下來我們來看看活動索具 也就是航行過程中 可以移動或調整的索具 在後來的船隻上看到的絞索 在當時似乎並不常用 因此水手們要麼跨坐在橫杆上 要麼通過升降橫杆來操作索具 橫杆太重 無法用單個滑輪和繩索吊起 橫杆上的細索穿過圍杆上 被稱爲滑輪的固定滑輪 然後延伸到移動滑輪或滑車 在這種情況下 一個帶有多個滑輪的滑車 與下方的騎士頭及其對應的滑輪 一起構成了滑輪組裝置 這是它的工作原理 用來升起橫杆的繩索 被稱爲升降索 不使用時 升降索會被繫緊 或固定在騎士頭上 騎士頭上有一個額外的滑輪 用於頂繩 幫助將頂圍部分升起 並固定到位 其中許多部件是可以拆卸的 例如爲了在暴風雨中航行 回到橫杆 爲了在升起或降下時 控制這根重型木材 這被稱爲滾柱 兩側有繩索 被稱爲升降索 中間的系索將橫杆升起 並固定到位 而升降索則使其左右保持穩定 同時 每側還有撐杆 來控制橫杆圍繞圍杆的垂直旋轉 以便定位風帆 在繼續之前 讓我們先縮放查看所有橫杆 及其匹配部件 後橫杆的撐杆 看起來有些不同 但仍然發揮着相同的相關功能 上翻 頂翻的升降索 撐杆索 系索和升降索 可能會穿過連接在支撐索上的滑車 然後降至甲板水平 位於前面的精神翻橫杆 前身翻橫杆 連接到前身圍上 看起來也有所不同 我們已經瞭解了 控制橫杆的活動所具 接下來讓我們看看風帆 以前主帆爲例 它有一個下部的織物延伸部分 稱爲風帽 風帆被繫緊或固定在橫杆上 使用時展開 如果你能想象 這些風帆承受了多大的力量 以及這艘船有多重 就會明白 爲什麼航行時 必須熟練地控制風帆的每一個部分 單張風帆上的繩索有些複雜 因此我採用了醒目的配色方案 以便一眼就能看清每個部分 角落處的翻角索和中間的翻中索 可以放下風帆的下部 後方的翻邊索和前方的翻種索 可以定位風帆的底角 被稱爲網索的網狀繩索 可以保持風帆兩側的穩定 同時有前導索向前延伸 在後來的船舶設計中 這些特定的廁所設置更爲簡單 不過重要的是 當風帆充滿風時 要保持理想的形狀 並且不要過度擺動 通過協調移動所有這些繩索 可以圍繞圍杆定位風帆 從而操縱船隻 縮放查看 其他所有風帆上也有這些繩索 注意 一些來自頂帆的繩索 在通往甲板的過程中 會穿過下層風帆的劃車 就是這樣 船隻的索距之謎已經解開 你可以想象 這些船隻的甲板上堆滿了成卷的繩索 而熟悉繩索這一技能 水手們需要花費數年的時間才能掌握 在我們的模型揚帆起航之前 我們需要升起錨 船隻攜帶了各種錨 這裏展示的錨長12.5英尺3.81米 兩錨臂間距爲7英尺2.13米 重量約爲2800磅1270公斤 大約相當於一輛現代小型汽車的重量 爲了收回錨 船隻駛向錨所在的位置 錨上既有一個浮標錨浮標 錨收回後將其存放在甲板上 當船隻駛向錨時 水手們會轉動甲板 可能是在甲板上操作 以避免在甲板轉動時 不得不跨過沉重的錨鏈 如果需要 可拆卸的甲板槓可以容納多名水手 在多層甲板上操作 底部的木槓或木杆可以旋轉 以鎖定甲板的位置 一旦錨鏈上的錨露出水面 船員們就會從被稱爲錨頭的橫樑上 放下纜繩 並將其勾到錨環上 這個錨頭鎖距能將錨從水中拉起 另一個便攜式鎖距被放置在船舷一側 用於提起錨的懸掛端 以便將其固定在船舷上 這種類似起重機的橫樑 在帆船上被稱爲吊柱 而這個就是用來起錨的吊柱 錨已收妥 船隻準備起航 讓我們來看看 那個時代的導航是如何運作的 1577年 許多船隻已經橫渡大西洋 有些甚至完成了環球航行 例如這張地圖或海圖 繪製於1543年 它是一張羅盤航海圖 上面用直線連接着各個港口和目的地 以幫助航海者規劃航線 紅色的斑點表示岩石或其他危險障礙物 由於地球自轉 可以通過追蹤天空中天體 如太陽或某些恆星地的位置 來確定南北位置 及緯度 這些天體從我們在地表的角度來看 會在地球上劃出可靠的路徑 航海者使用各種儀器來追蹤天體 這裏我展示的是星盤 如果你把海平線作爲基準線 它永遠不會改變 你可以測量已知點上天空中物體的高度 並與你所在位置的高度進行比較 從而得出南北位置 星盤需要兩個人操作 觀測者確保儀器中心穿過的質感與地平線對齊 而手持星盤的人則旋轉刻度盤或瞄準片 直到所選天體 出現在從小孔中窺視到的前視片框內 觀測者從刻度盤上讀取指示的角度 以現代標準來看 這些讀數並不十分準確 船隻可能會前後搖擺 而且當時的海上鐘錶不太好用 時間只能靠目測來判斷 許多船隻因此沉沒 航海者在接近陸地時往往只能依靠視覺參照點 更爲複雜的是 在那個時代 東西位置及精度無法像緯度那樣在海上測定 地球只要一個軸旋轉 因此無法從外部物體獲得東西向的參照 相反 航海者使用了一種叫做推算航位的技術 及一種計算出來的猜測 如果你知道用指南針測出的航速和航向 就可以在地圖上使用帶有距離刻度的分規 當然 儘管你計劃的總航線是直線 但在任何時刻 你的實際航向可能看起來像鋸齒形 以便利用風向的變化 讓我們來看看測量速度和方向的工具 爲了測量速度 水手們會從船尾扔出一個三角形的浮木片 稱爲測速板 其形狀能使其漂浮在海面 並保持位置不變 同時計算預先記好的節 長度單位在劃過邊緣時的數量 另一名水手同時翻轉一個一分鐘的沙漏 一分鐘內經過的節數表示當前速度 爲了測量方向 帶有配重的萬象架螺盤 可以確保螺盤即使在船隻滾動的情況下 也能保持水平和準確 螺盤卡片的下面有一塊寶鐵片或鋼片 當它與一點天然磁性鐵礦石接觸時 會被重新磁化 整個裝置安裝在卡片和底部伸出的一根尖針上 24小時被分爲6個4小時的值班時段 有半小時和4小時的沙漏 需要仔細照看 每隔半小時以及4個值班時段之間 靈或哨子都會響 爲了記錄時間 方向和速度 航海者使用了一個航跡推算板 在4個小時的值班期間 每半小時在相應的螺盤讀數上插入一個銷釘 一排有8個銷釘孔 代表32個螺盤讀數 速度則通過底部4行每小時跟蹤一次 速度從左到右延伸 值班結束時 這些數據會被記錄到航海日誌中 海蔘也是一個關鍵測量值 測伸索或牽錘線被放到海底 上面每隔一段距離就既有小塊皮革 末端有牽錘 使用所有這些技術 水手們克服了時代的侷限 完成了環球航行 說到這裏 讓我們看一下整個船隻的縮小視圖 我很清楚許多探險家的骯髒歷史 和他們生活並延續的殘酷世界 然而 航海技術並非由這些人發明 而是經過數千年的發展 許多文化和文明都做出了不可思議的發現 才使得這些美麗的帆船藝術品成爲可能