自然科學史研究所周世德
船型
中國是世界上造船曆史最悠久的國家之一。在曆史上，中國木船船型十分豐富多彩。到本世紀五十年代估計有千種左右，僅海洋漁船，船型就有二三百種之多。我國古代航海木帆船中的沙船、鳥船、福船、廣船，是最有名的船舶類型，尤以沙船和福船馳名於中外。
沙船在唐代出現於江蘇崇明。它的前身，可以上溯到春秋時期。沙船在宋代稱“防沙平底船”，在元代稱“平底船”，明代才通稱“沙船”。
沙船載重量，一般記載說是四千石到六千石（約合五百噸到八百噸），一說是二千石到三千石（約合二百五十噸到四百噸），元代海運大船八九千石（一千二百噸以上）。清代道光年間上海有沙船五千艘，估計當時全國沙船總數在萬艘以上。沙船運用範圍非常廣泛，沿江沿海都有沙船蹤跡。元明海運最盛時期年運量達三百五十萬石以上。遠洋航線沙船也很活躍。早在宋代以前公元十世紀初，就有中國沙船到爪哇的記載。在印度和印度尼西亞都有沙船類型的壁畫。二十世紀初有人認為，當時從我國北方到新加坡航線上的沙船，就是中世紀以前從我國到紅海以及東非港口貿易的那種船。
公元十五世紀初的明代初年，鄭和七次下“西洋”，二十多年間訪問了三十多國，在世界航海史上寫下了光輝的一頁。每次出動船艦一百多艘或兩百多艘，其中寶船四十多艘或六十多艘，共載兩萬七千多人。當時在南京和太倉造船，集中在太倉劉家港整隊出海。鄭和寶船長約一百五十米，舵杆長一一·○七米，張十二帆，這是最大的沙船了。
五桅沙船。
沙船有許多特點：第一，沙船底平能坐灘，不怕擱淺。在風浪中也安全。特彆是風向潮向不同時，因底平吃水淺，受潮水影響比較小，比較安全。第二，沙船能調俄使鬥風（詳見船舶動力一節），順風逆風都能航行，甚至逆風頂水也能航行，適航性能好。第三，船寬初穩性大，又有各項保持穩性的設備，所以穩性最好。第四，多桅多帆，帆高利於使風，吃水淺，阻力小，快航性好。
沙船方頭方尾，俗稱“方艄”；甲板麵寬敞，型深小，乾舷低；采用大梁拱，使甲板能迅速排浪；有“出艄”便於安裝升降舵，有“虛艄”便於操縱艄篷：多桅多帆，航速比較快，舵麵積大又能升降，出海時部分舵葉降到船底以下，能增加舵的效應，減少橫漂，遇淺水可以把舵升上。沙船采用平板龍骨，比較弱，寬厚是同級繒船艍船的百分之四五十，而大（是沙船兩舷前後縱通材，非常粗壯堅實）特彆多，大中型沙船每側有大四根到六根，直壓到頭，川口鑲口（沙船艙口前後的縱通材）也很粗壯，直通前後。因而結構強度仍比其他同級航海帆船大。采用多水密隔艙以提高船的抗沉性。七級風能航行無礙，又能耐浪，所以沙船航程遠達非洲。
福船是一種尖底海船，以行駛於南洋和遠海著稱。宋人說：“海舟以福建為上。”明代我國水師以福船為主要戰船。古代福船高大如樓，底尖上闊，首尾高昂，兩側有護板。全船分四層，下層裝土石壓艙，二層住兵士，三層是主要操作場所，上層是作戰場所，居高臨下，弓箭火炮向下發，往往能克敵製勝。福船首部高昂，又有堅強的衝擊裝置，乘風下壓能犁沉敵船，多用船力取勝。福船吃水四米，是深海優良戰艦。1974年七八月間，福建泉川灣後渚港發掘出一艘宋代海船，尖底而船身扁闊，平麵近似橢圓形，頭尖尾方，從龍骨到舷側有船板十四行，一到十行是兩層船板疊合，十一到十三行是三層船板疊合，三層總厚度十八厘米（裡層八厘米，中層五厘米，外層五厘米），用三層板是防水線附近波浪衝擊，這和沙船用大甚至用護是一個道理。船板搭接和平接兩種方法混合使用。板縫有麻絲、竹茹和桐油灰搗成的艌合物。泉州古船十三艙，複原以後的船長三四·五五米，寬九·九米，深三·二七米，排水量三七四·四噸。
公元七世紀的唐代，我國海船就以體積大、載量多、結構堅固、抗風力強聞名於世。此後，阿拉伯商人常乘中國帆船往來於東南亞一帶。九世紀中葉晚唐時期以後，我國建造的大海船更為許多亞非國家的人民所樂於乘坐。宋元時期，我國造船業又進一步發展。許多外國朋友往往用“世界最進步的造船匠”來稱譽我國船工。
我國古代造船技術的特點，是能創造出可以適應各種不同地理環境、各種不同性能要求的優良船型。例如，周代的方舟，是一種雙體船。戰國時期有舫船，也是兩船並連在一起的雙體船，不僅能提高穩性，更便於裝貨載人。漢代的樓船非常高大雄壯。三國時期海上大船長二十多丈。晉代盧循（？—411）作八槽艦。南北朝時期祖衝之作千裡船。唐代有海鶻船，又出現新型漕船叫歇艎支江船。宋代最大的車船（槳輪船），長三十六丈，寬四丈一尺。明代有鄭和寶船，還有兩頭船、蜈蚣船、連環舟、子母舟以及其他新型船艦。連壞舟分前後兩截，前截衝炸敵船，後截脫壞駛回。連壞舟還長時期地用於民間運輸，也很方便，在彎曲小河中可以分成兩截，便於轉彎。子母舟後部中空藏小船，人敵陣後發火和敵船同毀，戰士乘小船返回。
我國船工還善於吸取兒種優良船型的優點，綜合起來，創造新船型。例如宋代的江海兩用船，就是采用湖船底、戰船蓋、海船頭尾的新船型。又如清初康熙年間的福州運木船，又稱三不像船，它不像沙船，不像鳥船，不像蛋船，實際上就是吸取了這三種船型的優點創造出來的新船型。
船舶設計
宋代文獻中曾出現“船樣”二字：“溫州言，製置司降下《船樣》二本，仰差官買木，於本州有管官錢內各做海船二十五隻”，這裡記載的《船樣》可能主要還是船圖和工料定額。另外還有提到“戰船木樣”，那就顯然是指木製船模了。
明代《南船紀》、《龍江船廠誌》、《漕船誌》中，記載的工料定額、尺寸、數量十分詳儘，但是沒有涉及船舶設計。目前已經發現的有關船舶設計的曆史文獻是清初的記載，它可說是我國封建社會後期傳統的船舶設計的代表作，表現了我國船工的智慧和創造性。
清初，福建趕繒船的設計，是我國古代福船係統設計放樣的精華。趕繒船的龍骨是有彎度的，先決定龍骨長短，後決定彎度。先由船長決定龍骨總長度，再按比例決定三段龍骨長度。其次便要決定龍骨兩端的起橇（起翹），根據前後起橇就決定了龍骨的彎度。我們知道，三角形已知兩邊和高是不難畫出的。以前起橇作高，前龍骨和中龍骨作兩邊，畫出一個三角形；再甩後起橇、中龍骨和後龍骨又畫出一個三角形。把兩個三角形相同的一邊（中龍骨）重合起來，再描繪平滑曲線，如上圖所示，便繪出龍骨縱剖麵圖。
趕繒船的橫剖麵，設計和繪製程序如下：設梁頭（船上的橫梁）長若乾，這就是上平墨長度（上平線，墨是墨線）。每上平墨一丈配下平墨（下平線）若乾。上下平墨互相平行，兩端兩兩連接起來就是邊墨（邊線）。上下平墨間的垂直距離等於艙深減去雞胸，這就得出上下平墨間的距離。又有所謂“樣橇”，就是為了把水艕圓轉處畫得肥圓一些的起橇。樣橇是邊墨和下平墨的交點到水艕圓轉處的垂直距離（和邊墨垂直）。如圖所示，畫出上下平墨、邊墨、雞胸、樣橇以後，再把上平墨兩端，雞胸下端，兩個樣橇外端，五點連成一條平滑曲線，這一條平滑曲線和上平墨就構成了船舶橫剖麵單線圖。由四大梁頭處的四個橫剖麵（四大梁頭指頭禁梁、駛風梁、官艙粱、尾禁梁），以及龍骨縱中剖麵，構成趕繒船的基本線型圖。
此外，在邊墨的中點畫一根和邊墨垂直的線，叫班胸，可以使水線附近的弧度更加肥滿一些。
這種傳統的船舶設計方法是我國船工創造的具有民族風格的古代船舶設計方法。它的特點是方法簡便，效果良好，整體局部巧妙結合。以船舶的橫剖麵為例，變更上下平墨和邊墨圍界起來的梯形，是橫剖麵的整體變更。變更樣橇、班胸等的長短，那是局部調整。把整體變更和局部調整靈活地互相結合起來，就形成了一套十分簡便而又巧妙的設計方法。它體現了我國船工的智慧和創造性。
至於我國各個地區各種船型的設計，往往采用各種不同的設計模數，一代一代地傳授下來，而采用哪一種尺度作基數，那是各不相同的。
船舶建造
南京市漢中門挹江門之間的三漢河中保村，相傳是寶船廠遺址。遺址上分布著許多長方形大型水塘，依次稱一、二、……有幾個塘長二百到二百四十米，寬二十七到三十五米，深二米左右，當地居民都知道這是建造寶船的地方，至今仍有“上四塢”、“下四塢”的名稱。在這幾個大船塢遺址當中，1953年、1957年和1965年先後發現長一一·○七米的大舵杆以及殘損的絞關木（複原長四·七五米）等船上設備構件。這八個大船塢可以說是我國古代勞動人民製造寶船的曆史見證。
在造船過程中設計船模，以及利用船塢造船，曆史文獻累有記載。宋代有黃懷信用大船塢修理大船，明代有“二十五日出塢，塢那造船之所”等記載。金代張中彥“手製小舟，才數寸許，……”記述了建造船舶先製船舶模型的過程。這比戰船“木樣”的記述更加明確地表示了設計建造船舶的程序。由此上溯到秦漢時期，漢墓中幾次發現的木製、陶製船舶明器，類似船舶模型。這至少可以說當時在造船過程中已經具備了先製造船模的條件。而廣州秦漢造船工場遺址的發現，似乎更加足以證明，在曆史上我國船工很早就利用船台造船，利用滑道使船舶下水了。
1974年底在廣州市發掘的秦漢造船工場遺址，是一個規模巨大的古代船舶工場，有三個平行排列的造船台，還有木料加工場地。船台和滑道相結合，外形和鐵路相似，由枕木、滑板和木墩組成。枕木分大小兩種。滑板寬距可以調節。一號船台兩滑板中心間距一·八米，船的寬度應是三·六到五·四米；二號船台兩滑板中心間距二·八米，能造五·六到八·四米寬的船。滑板上平置兩行承架船體的木墩，共十三對，兩兩相對排列，高一米左右。在船底鑽孔、打釘、艌縫，有這樣的高度是比較合適的。
一號船台南側有木料加工場地，場地上有烘彎木料的“彎木地牛”結構。還出土了劃線鉛塊，這是下料時劃線用的。造船台出土鐵鑄、鐵鑿、鐵釘和艌縫用的“掙鑿”，此外還有方錐形木垂球（取垂線用）。
秦漢時期相當規模的造船基礎，為以後唐宋時期我國遠洋帆船的高度發展創造了很好的條件，這就使我國航海木帆船在太平洋和印度洋上聲譽卓著達一千年以上。
船舶性能
我國古代船舶有很好的性能，主要有以下四點：
第一，快航性。如江蘇沙船由於多桅多篷，篷又高，能充分利用風力，船體吃水又淺，阻力小，所以快航性好。鳥船頭小肚膨，身長體直，由於型線比較好，在速度方麵和沙船、唬船差不多一樣快。明清時期各種船型當中具有快航性能的不少，如淮揚課船、江西紅船等內河船，也都具有快航的特點。
第二，抗沉性。我國古代船舶的抗沉性是世界聞名的。唐代的船已用桐油石灰艌縫，使船舶具有很好的抗沉性。有人認為晉代八槽艦就是八個不漏水的艙（水密隔艙），雖然沒有確切的證明，但是當時的確已經具備製造水密隔艙的條件。宋元時期我國船舶的水密隔艙蜚聲中外，許多外國朋友提到中國船，就要稱譽中國船的抗沉性和水密隔艙（一艙兩艙漏水，不至於全船沉沒）。而西方到十八世紀才有水密隔艙。
第三，適航性。我國古代的船舶船型眾多，多能因地製宜。各種不同船型能適應各種不同的地理環境。例如北方沿海多沙灘，我國船工就創造了平底沙船，少擱無礙。不管順風逆風，甚至逆風頂水，也能航行。至於各水係的內河船，適航性能好的也很多。
第四，穩定性。宋代大龍舟用壓艙鐵八十萬斤才能保持船舶的穩定性。福船分四層，最下層裝士石壓艙。這說明我國船工對於船舶的穩定性一向予以極大的注意。
公元九世紀以前，唐代海鶻船兩舷有浮板，起穩定作用，這是披水板的起源。宋代海鶻船圖每側浮板四到六具，到明代已經簡化為一具。這就是披水板，遮稱橇頭。後來，到明清之際，船底增設了梗水木兩根，有如今天的舭龍筋，起穩定作用。梗水木的出現是一大進步。沙船又備有竹製太平籃，平時懸掛船尾，遇風浪時裝石塊放置水中，使船不搖蕩。因此，中國船的安全平穩在當時獲得了世界好評。
船舶動力
充分和靈巧地利用風力，是我國古代船舶技術高度發展的標誌之一。利用人力推進時，從槳、楫發展到櫓是一大進步。俗話說“一櫓三槳”，說明櫓的效率是槳的兩倍甚至三倍。用槳劃船一半做實功，一半做虛功；而櫓的整個運動過程都是做實功，使船舶推進工具的效率大大提高。秦漢造船遺址，漢代樓船，以及高效率推進工具櫓的出現、船尾舵的出現和風帆的使用，說明我國古代造船技術到漢代已經成熟了。
漢魏時期，我國船工就經常把帆轉到一定的角度，它的使用麵積是隨風力大小而增減的。
宋人說：“風有八麵，唯當頭不可行。”這說明十三世紀以前我國在使用風力方麵，除當頭風以外，其餘七麵都可以行船。而西方的帆船，到十六世紀以後才能做到這一點。
至於逆風行船，在我國已有四百年以上的曆史。逆風行船的記載首見於沙船。“沙船能調俄使鬥風！”逆風行船必須戧走（斜行），否則不能前進。為了保持正確航向，又必須“調戧”（輪流換向），必須走“之”形航線。逆風行船，披水板、船尾舵和風帆要密切配合。
二桅沙船兩舷各裝披水板一塊，調戧時輪流使用下風一側的披水板。把披水板放落水中，伸到船底之下，以增加船舶橫向移動的阻力，來減少船舶偏航角度。
我國船工曾經創造了各種不同形式的風帆。例如同是沙船，而風篷不同：內河沙船風篷狹長；外海沙船風篷比較寬而短，大約寬一倍，短三分之一左右。大概因為海風強勁，海船風篷必須降低風壓中心。我國南海帆船的風篷，把下風的邊緣做成折角或曲線形，上部比較小而下部比較寬大，使風壓中心降低，船就不易被風吹翻。
風帆的利用，從初期的單桅單帆說，帆不大，船跑得不快。後來逐步發展到三帆、四帆、五帆、七帆，甚至十二帆。人們並發現帆掛桅頂最有效。所謂“頭巾頂可以提吊船身輕快”，順風時使用“頭巾頂”航行速度就加快。在大篷的兩邊加“插花”，可使船身不欹側。“插花”多在旁風時使用。大篷下麵再加“篷裙”，更能降低風壓中心。
風篷增多固然可以充分利用風力，但同時也增加了操作的複雜性，加重了船工的勞動。如遇風暴突然來臨，不能把帆及時降下，就有折桅翻船的危險。於是又逐步簡化到一桅隻有一帆，而帆的麵積加大，使得既能充分利用風力，又便於操作和節省勞力。明代公元十五世紀以後，我國帆船的篷帆便逐漸簡化。從簡單到複雜，又從複雜進步到在同等效率下力求簡化，這是事物發展的一般規律。
在古代，我國船舶動力大多使用風力，特彆是長途航行。至於短途航行，卻多使用槳櫓。而槳輪船（車船）的出現，在一千多年當中也發揮過巨大的作用。
南北朝時期祖衝之造千裡船，日行一百多裡。千裡船可能是一種槳輪船。唐代李皋（733—792）創造槳輪船，史書記載十分明確：“為戰艦，扶二輪踏之，翔風破浪，疾若掛帆席。”（《舊唐書·李皋傳》）槳輪船到南宋就有了較大規模的發展。在洞庭湖起義的農民領袖楊麼（？—1135），他的部下高宣曾經創造許多槳輪船。宋代大型的槳輪船長二三十丈，可容戰士七八百人。楊麼的槳輪船有樓兩三重，載一千多人，吃水一丈左右。槳輪船車數從四車、八車增到二十車、二十四車、三十二車。當時還有一種飛虎戰艦是四車船，四輪兩軸，每一輪槳一般有八葉槳片。以後一直到清末二十世紀初，我國南方地區還曾有過少量槳輪船。槳輪船的動力是用人力，不如帆船使用風力經濟，因此，雖然在一定時期裡麵也曾形成高氵朝，但是終於未能十分廣泛地使用。
槳輪船也叫明輪船，是把槳楫改成槳輪推進，把槳楫的間歇推進改成槳輪的旋轉推進（連續運轉）。槳輪船的出現是船舶推進技術上的一次重大進步。從唐代李皋算起，我國創造槳輪船比西方槳輪船的出現要早七八百年，歐洲到十五、十六世紀才有槳輪船出現。
船舶的動力問題解決了以後，同樣重要的是航行方向問題。
這個問題又可分兩個方麵，一是掌握航向，一是辨彆方向。掌握航向靠舵。我們知道，用槳櫓推進的船舶，可以不需要船尾舵：而帆船卻非有船尾舵不可。在我國，漢代陶船明器（廣州漢墓出土）上的船尾舵，可以明顯地看出由“梢”發展成舵的跡象，它標誌著當時船尾舵的出現。我國船工創造船尾舵比西方約早四個世紀。以後逐步發展，甚至有了正舵、副舵、三副舵。兩千多年來，我國船工創造了各種形式的舵，如升降舵、平衡舵、開孔舵等各種式樣。平衡舵和開孔舵都可以降低轉舵力矩，使轉舵省力。我國在唐宋時期已經有平衡舵。
至於用指南針辨彆方向，那更是我國航海技術的突出成就。航海船舶沿海岸航行，不需要辨彆方向的儀器，老舵工熟悉沿海岸水域的海水深淺，看海岸遠近趨深避淺，船上往往隻有舵工。在大洋中航行，舵工掌舵就要聽“火長”指揮（火長就是現今所謂“領航員”）。所謂“惟憑針盤而行，乃火長掌之”，說的就是這個情況。在大洋中航行，一望無邊，指南針就成為必不可少的航行儀器。“夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。”（朱或：《萍州可談》）指南針是我國四大發明之一，在宋代用於航海，是我國航海技術的卓越成就，比西方要早兩個世紀。