《阿凡达：水之道》里的沉船翻转设定，是否违背了力学原理呢？

距离阿凡达2上映已经过去快一个月了，相信很多同学都已经去影院一睹震撼的视听效果了，那么大家觉得有没有值回票价？在剧情的最后一部分，双方激战，造成一艘大船沉没。当同学们看到这的时候，你们有没有想过，沉船就沉船，怎么就非要翻过来再沉下去呢？卡梅隆这一沉船翻转设定，是否违背了力学原理呢？

阿凡达海报

2、船的沉浮原理

船能够稳稳地浮在水面上，其原理跟不倒翁一样。在不倒翁里，重心偏低，桌面支持力位置可移动，使得重力始终产生恢复力矩。对于船只而言，浮力类似于不倒翁的桌面支持力，浮心位置的变化，同样让重力始终产生恢复力矩。

浮心位置的变化

同学们请看下这个图，G是重心位置（靠上的红点），B是浮心位置（靠右的红点）。当右侧狂风吹来，轮船向左发生倾倒，此时重心位置不变，浮心位置却因入水船体的形状而发生了改变，它会向左移动，跑到了B1的位置（靠左下的红点）。此时，以B1为矩心，重力矩方向恰好与倾倒方向相反，即重力矩自动产生了恢复力矩，就像不倒翁那样。但是，不倒翁的支持力可以是接触面上的任意位置，而船只的浮心偏移范围有限，仅限于船底轮廓之内。所以，如果倾倒角度太大，或者重心太高，都可能无法恢复。

正常状态的船

从上面的原理可以发现，船只倒不倒的关键在于浮心的位置。想要提升船只的稳定性，就需要尽可能地扩大浮心可偏移的距离，也就是将船底做的越大越好。同等条件下，一艘狭长的船和一艘宽胖的船相比，狭长的船更加容易发生倾倒。

水之道里的船

水之道里的这艘船就是看起来宽胖宽胖的，跟我们通常见到的船不一样。这艘船的长宽比很接近，可能是海空两用的原因，两侧还有非常大的“机翼”，整体的横向尺寸甚至要比纵向的还要大。再加上其整体的高度，相对于长宽而言偏小，整艘船浮在海面上，就像一片树叶在海中随波逐流。无论风多大，浪多高，树叶始终能横卧于海面之上。Emmm，同学们请千万不要抬杠，力学里面永远都是“高一尺，魔高一丈”道，树叶当然能够被吹翻。

扁平不易翻船

3、漏水的船

普通的船只，比如那些渔船，船底发生漏水，一般只会慢慢地往下沉，并不会底朝天地翻过来。我们平时看到的底朝天的小船，要么是大风吹的，要么就是人为的。可是在水之道，卡梅隆特地为这艘树叶状的沉船效果添加了一个翻身的动作，这一方面增加了画面的酷炫，另一方面其实也符合力学原理。刚刚说的渔船的沉没，大多会慢慢正着下沉，主要是因为其结构简单，没有复杂的船舱。水顺着洞口慢慢就进了全舱，在这个过程中，各种受力比较均匀稳定。而当船舱结构复杂的时候就不一样了，我们一起来分析下卡梅隆这艘船下沉过程中的力学行为。

沉船

船高速冲向礁石，划破船底右侧，海水随之进入舱底。随着海水的灌入，船只开始下沉并发生倾斜。此时，船只整体结构重力尽管不变，重心位置也无变化，但浮力因海水的灌入而变小，且其位置也向沉入端移动。船只的结构重力依然产生恢复力矩，阻止侧翻。但是，由于海水的灌入，沉入端太重了，船只的结构重力也翘不起来。并且，随着时间的推进，沉入端只会越来越沉重。

沉入端越来越重

另一方面，船舱结构复杂，水流不可能同时进入每一个船舱。这样的话，沉入端内的船舱，由于倾斜的关系，注水的船舱肯定位于下面，上面的船舱虽然已在水平面下，但由于注水时间的问题，还是空的。于是这部分船舱将会产生浮力。此时，水下部分重力在下，浮力在上，且重力大于浮力。临界状态就是在这2力作用下变成竖直方向，即船只完全直立了起来。这种直立状态并不是稳定状态，水还在持续注入，相当于一直在持续的扰动。直立过程中的惯性也会让其顺着原来的方向，继续偏转，从而出现了船只翻身。

水下空腔产生浮力

如果这个过程非常缓慢，那么其实是看不到这个直立和翻身过程的，只会出现微微的倾斜。由于破口较大，进水水流偏大，沉船比较剧烈才会发生这样的现象。当年，卡梅隆执导的泰坦尼克号发生沉船，也是发生了船尾翘起的现象。

泰坦尼克沉没

4、总结

卡梅隆设定让水之道里的船在沉没过程中发生翻转，看来是经过严格推敲的，甚至有可能找人做了力学仿真，是仿真分析的结果。