艦船前面這一大坨幹啥用的?嚴肅點,它很重要
長風破浪會有時……
所以,我們印象中的船頭是這樣的:
破浪前進的美國華盛頓號航空母艦。
然而,我們沒看見的部分卻是這樣的:
美國福特號航空母艦組裝畫面,船頭前方,吃水線下是一大長坨。
不僅是航空母艦,其他大型郵輪也如此。平時,我們看到的郵輪是這樣的:
目前世界上體積最大的遠洋郵輪瑪麗皇后二號,上面有15個餐廳和酒吧、
5個游泳池、1個賭場、1個舞池和1個天象館。
但實際上,它是這樣的:
注意,白色箭頭處,站著的是一個人,不是海鷗。
(圖片作者:James Morgan / Cunard Line)
也許這樣,大家會看得更清楚:
這造型,怎麼說你好呀……
(圖片作者:Hammelmann Oelde)
問題又來了?船頭前面這一長坨是什麼?幹什麼用?難道是為了安裝聲吶裝置而多出來的?
此問題源遠流長
古代,地中海東岸的腓尼基人(公元前1200年-公元前539年),他們善於航海與經商,腓尼基人建造的船,其前部也有一個突出物。
腓尼基船
腓尼基船
若時光倒流,我們回去問腓尼基人:你們建造的艦船,為嘛前面都有一突出物?可是為了展示雄風?
他們可能會這樣回答:「為了撞翻對方!」
還有呢?
「也許……船會快一點吧,我們感覺的。」
可這是為什麼呢?
「哪那麼多為什麼?這種問題,你應該去問神!」
…………
古代人知道什麼設計可能會比較管用,但卻不知背後的原因。而現在,說實話,我們也不能拍著胸口說,已百分百吃透其背後原理。
為什麼這麼說?先來看一個例子。
耗資8億美元的郵輪
美國國家地理頻道製作了一部關於「瑪麗皇后二號」郵輪的紀錄片。裡面講述了這樣一件事。
這艘造價高達8億美元的郵輪,在其總體設計已定的情況下,其航速沒有達到要求,只有二十多節的航速。而訂貨廠商強烈要求,郵輪在平靜海面必須具有接近或超過30節的航速,必須具有6天內橫渡大西洋的能力,否則此郵輪將失去競爭力!
然而,郵輪的動力推進系統已經開工,沒法再想辦法增加功率。這可愁壞了郵輪製造廠商,最後,他們的設計師萬般無奈的情況下,把瑪麗皇后二號船頭前面的那個突出物加長兩米,然後,問題得以解決了,郵輪航速終於超過了30節。
這個突出物,現在我們叫做球鼻艏。
為紀念瑪麗皇后二號十周年,
攝影師James Morgan忽悠船長Kevin Oprey到突出物上拍寫真(論攝影師的重要性!)。
球鼻艏為何能提速?
船行於海,就像車駛於路,前者是在水與空氣交界處穿行,後者是在陸空交界處行駛。而深海潛游的核潛艇,它更類似於騰飛於空的飛機——都是在一個固定介質中工作。
所以,對於船來說,我們既要考慮大氣的空氣阻力,還要考慮水的摩擦阻力,以及波浪的阻力,也就是興波阻力。這些阻力中,興波阻力和摩擦阻力佔大頭,對於高速船來說,這兩種阻力的佔比都各接近一半,佔到總阻力的85%左右。
海浪會讓船上下起伏,這有點類似於你駕車在一條坑坑窪窪的路上行駛一樣。
無疑,海浪會增加船的阻力,而平靜的海面,船周圍的海浪(波)是船自身造成的,從能量的角度來說,那些波浪是船在消耗大量燃油後製造出來的,所以,我們可以說,船行駛時,產生的波浪越小,越少,則船消耗的燃油就越小。
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船頭激起的波像一堵水牆,一直跟船伴隨前進。
所以,問題的關鍵是減小船,尤其是船頭產生的波,可怎樣才能減少?
經過前人大量實踐和試驗,人們發現,球鼻艏作用明顯!
可這是為什麼?
有一種解釋是這樣的。
把一球放在水面下移動,則球的前方水壓上升,上方水面會隆起,
到了球的後面,壓力下降,水面下降,從而起到抑制波浪的作用。
上面這種解釋來自日本船舶專家吉田文二,他在其所著的書《船舶知識》中提到過。
結合這張圖,我們也許更容易理解吉田文二的說法。圖為義大利輪船Pride of Hull。
另一種解釋是這樣的,就是球鼻艏產生的波跟其他波產生疊加,相當於是,你的波峰遇到了他的波谷——抵消了。
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(動圖)船前進時,如果沒有球鼻艏,則波往上爬,衝擊船頭,形成很大阻力。
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(動圖)逐漸加長球鼻艏,其形成的波與另一個波互相抵消。
船並非以一個恆定的速度航行,而航速的變化無疑會導致船頭前方水流情況跟著變化,為對應這種情況,人們現在也開始研究可變球鼻艏。
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不同的航速下,可調整球鼻艏的形狀和角度,
直到它能最大限度地減少興波阻力為止。(圖片來自Daehwan)
二戰時,日本的大和號戰列艦,其排水量高達64000噸,長263米,可裝備7架艦載機。
日本為了讓大和號戰列艦在滿載狀態下能以27節速度航行,配備了大功率動力系統。然而,因為大和號安裝了球鼻艏,結果,它在滿足27節航速的情況下少輸出了8.2%的動力,相當於減少了1.2萬匹馬力輸出。
日本大和號戰列艦,最高航速27.46節。
1945年4月7日大和號被擊沉畫面,全艦共2767人,僅269人逃生成功。
更多球鼻艏
在粗略地了解球鼻艏的作用機制後,我們不妨來欣賞一下其他的球鼻艏圖片。
巨大的球鼻艏,可與地面兩人作對比。(圖片來自S*anner06n2ey)
正在建造中的,英國皇家海軍威爾士親王號航空母艦。
圖為其球鼻艏,上方是航母甲板。預計2020年前後服役。(圖片作者Amy Grant)
海獅說:講真,這是我們第一次爬上輪船,陽光暖融融睡個午覺先。據說,一會兒還要乘風破浪,太刺激了。
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