球鼻艏是干啥用的?看完这一篇就明白了
2017-2-4 13:27:19 来自:网络   已有 人参与 发表评论

  长风破浪会有时……

 

  所以,我们印象中的船头是这样的:

  

  破浪前进的美国华盛顿号航空母舰。

 

  然而,我们没看见的部分却是这样的:

  

 

  美国福特号航空母舰组装画面,船头前方,吃水线下是一大长坨。

 

  不仅是航空母舰,其他大型邮轮也如此。平时,我们看到的邮轮是这样的:

  

 

  目前世界上体积最大的远洋邮轮玛丽皇后二号,上面有15个餐厅和酒吧、5个游泳池、1个赌场、1个舞池和1个天象馆。

 

  但实际上,它是这样的:

  

  注意,白色箭头处,站着的是一个人,不是海鸥。

 

  也许这样,大家会看得更清楚:

  

  这造型,怎么说你好呀……

 

  问题又来了?船头前面这一长坨是什么?干什么用?难道是为了安装声呐装置而多出来的?

 

  此问题源远流长

 

  古代,地中海东岸的腓尼基人(公元前1200年-公元前539年),他们善于航海与经商,腓尼基人建造的船,其前部也有一个突出物。

  

 

  腓尼基船

  

  腓尼基船

 

  若时光倒流,我们回去问腓尼基人:你们建造的舰船,为嘛前面都有一突出物?可是为了展示雄风?

 

  他们可能会这样回答:“为了撞翻对方!”

 

  还有呢?

 

  “也许……船会快一点吧,我们感觉的。”

 

  可这是为什么呢?

 

  “哪那么多为什么?这种问题,你应该去问神!”

  …………

 

  古代人知道什么设计可能会比较管用,但却不知背后的原因。而现在,说实话,我们也不能拍着胸口说,已百分百吃透其背后原理。

 

  为什么这么说?先来看一个例子。

 

  耗资8亿美元的邮轮

 

  美国国家地理频道制作了一部关于“玛丽皇后二号”邮轮的纪录片。里面讲述了这样一件事。

 

  这艘造价高达8亿美元的邮轮,在其总体设计已定的情况下,其航速没有达到要求,只有二十多节的航速。而订货厂商强烈要求,邮轮在平静海面必须具有接近或超过30节的航速,必须具有6天内横渡大西洋的能力,否则此邮轮将失去竞争力!

 

  然而,邮轮的动力推进系统已经开工,没法再想办法增加功率。这可愁坏了邮轮制造厂商,最后,他们的设计师万般无奈的情况下,把玛丽皇后二号船头前面的那个突出物加长两米,然后,问题得以解决了,邮轮航速终于超过了30节。

 

  这个突出物,现在我们叫做球鼻艏。

  

 

  为纪念玛丽皇后二号十周年,摄影师James Morgan忽悠船长Kevin Oprey到突出物上拍写真(论摄影师的重要性!)。

 

  是的,现在我们都知道,球鼻艏确实能提高船速,但如果我们真知道得那么透彻,就像爱因斯坦极其肯定物体不能超光速,就像我们精确地知道光速等于每秒299792458米的话,那么,通过计算机的辅助运算,也许所有船舶设计师都应该提前知道,玛丽皇后二号邮轮的球鼻艏的精确长度应该是12米,或者是12.005米,但是,设计师不知道,他后来是采取不断试验的方式。

 

  球鼻艏为何能提速?

 

  船行于海,就像车驶于路,前者是在水与空气交界处穿行,后者是在陆空交界处行驶。而深海潜游的核潜艇,它更类似于腾飞于空的飞机——都是在一个固定介质中工作。

 

  所以,对于船来说,我们既要考虑大气的空气阻力,还要考虑水的摩擦阻力,以及波浪的阻力,也就是兴波阻力。这些阻力中,兴波阻力和摩擦阻力占大头,对于高速船来说,这两种阻力的占比都各接近一半,占到总阻力的85%左右。

 

  海浪会让船上下起伏,这有点类似于你驾车在一条坑坑洼洼的路上行驶一样。

 

  无疑,海浪会增加船的阻力,而平静的海面,船周围的海浪(波)是船自身造成的,从能量的角度来说,那些波浪是船在消耗大量燃油后制造出来的,所以,我们可以说,船行驶时,产生的波浪越小,越少,则船消耗的燃油就越小。

  

  船头激起的波像一堵水墙,一直跟船伴随前进。

 

  所以,问题的关键是减小船,尤其是船头产生的波,可怎样才能减少?

 

  经过前人大量实践和试验,人们发现,球鼻艏作用明显!

 

  可这是为什么?

 

  有一种解释是这样的。

  

  把一球放在水面下移动,则球的前方水压上升,上方水面会隆起,到了球的后面,压力下降,水面下降,从而起到抑制波浪的作用。

 

  上面这种解释来自日本船舶专家吉田文二,他在其所著的书《船舶知识》中提到过。

  

 

  结合这张图,我们也许更容易理解吉田文二的说法。图为意大利轮船Pride of Hull。

 

  另一种解释是这样的,就是球鼻艏产生的波跟其他波产生叠加,相当于是,你的波峰遇到了他的波谷——抵消了。

  

  (动图)船前进时,如果没有球鼻艏,则波往上爬,冲击船头,形成很大阻力。

  

  (动图)逐渐加长球鼻艏,其形成的波与另一个波互相抵消。

 

  船并非以一个恒定的速度航行,而航速的变化无疑会导致船头前方水流情况跟着变化,为对应这种情况,人们现在也开始研究可变球鼻艏。

  

  不同的航速下,可调整球鼻艏的形状和角度,直到它能最大限度地减少兴波阻力为止。

 

  二战时,日本的大和号战列舰,其排水量高达64000吨,长263米,可装备7架舰载机。

 

  日本为了让大和号战列舰在满载状态下能以27节速度航行,配备了大功率动力系统。然而,因为大和号安装了球鼻艏,结果,它在满足27节航速的情况下少输出了8.2%的动力,相当于减少了1.2万匹马力输出。

  

  日本大和号战列舰,最高航速27.46节。

  

  1945年4月7日大和号被击沉画面,全舰共2767人,仅269人逃生成功。

 

  更多球鼻艏

 

  在粗略地了解球鼻艏的作用机制后,我们不妨来欣赏一下其他的球鼻艏图片。

  

  巨大的球鼻艏,可与地面两人作对比。(图片来自S*anner06n2ey)

  

  正在建造中的,英国皇家海军威尔士亲王号航空母舰。

 

  图为其球鼻艏,上方是航母甲板。预计2020年前后服役。(图片作者Amy Grant)

  

  海狮说:讲真,这是我们第一次爬上轮船,阳光暖融融睡个午觉先。据说,一会儿还要乘风破浪,太刺激了。

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球鼻艏 
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