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平时我们看远洋船舶和大型军舰时，经常会看到船首前端底部有一个突出的“大鼻子“，非常引人注目。它叫球鼻艏，英文名“Bulbous Bow ”，就是一个球形的船首。 在军舰上，球鼻艏里面会装重要的声呐设备。在一些大型船舶上，球鼻艏里边还装着侧向推力器和声呐。其实，以上这些只是球鼻艏的副业，它真正的主业是减小阻力。它的大小、尺寸和位置对于舰艇的航速、节能有重大影响。 据说历史上有一艘船在行驶中发生碰撞，使船首部突出来一块儿。大家都以为船体受损速度会降低，到达目的地时间将拖延。可没想到船速反而加快了，最终比预期的时间更早到达，这就是球鼻艏的来历。 二战时期，日本最早在“翔鹤”航空母舰和“大和”号战列舰上使用球鼻艏，提高了战舰速度。球鼻艏的原理是什么呢？ 我们知道，船舶在海上行驶时，船首会划破水面将水分子向两边推开，激起一道V形波，分横波和散波。因为开尔文男爵最先对船舶进行数学研究，所以称“开尔文船波”。 螺旋桨产生的推力除了变成船舶航速外，一大部分能量在推开水分子过程中消耗了，这部分海水施加在船身上的阻力便是兴波阻力。 船舶在水面高速航行受到各种阻力，例如：兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力、附体阻力、空气阻力、汹涛阻力、污底阻力等等。其中兴波阻力在总阻力中占比很高。 为了减小兴波阻力，使舰艇航行更快更节省能量，人们便想办法去减小兴波阻力。因为两个波波峰、波谷互相叠加会抵消，所以人们就在船首下方又增加了一个突起的球鼻艏，利用球状部分形成低压，抑制船首波高度。 因为水分子沿船首上行，所以连续船首波的波峰总在船头。通过合理设计，使球鼻艏在船首下方产生一个相位相同但波峰波谷相反的球鼻艏波，与船首波互相干涉抵消，就能达到减小兴波阻力的目的。 ▲球鼻艏波与船首波互相干涉抵消 球鼻艏有撞角型、水滴型、梨型、SV型等多种外形，设计不当的球鼻艏反而会增加阻力。 后来，人们发现游轮、集装箱船、军舰等瘦削的船型容易产生开尔文波，而散货船、油轮等丰满船型则没有明显开尔文波。 因为这类船水线宽度大，船首波沿船长传播之前就已经在船头破碎了，水流不连续。丰满船型受“碎波阻力”影响更大，所以散货船和油轮用球鼻艏减小碎波阻力。 当然，船舶航行不是匀速而是在不断变化中，船首波与球鼻艏波两个波波幅大小不完全相同，所以兴波阻力不能完全抵消，但船舶满载时仍能节省10-20%的主机功率。相比之下，以前船舶的直立型船首浪费了不少能量。 ▲泰坦尼克号是直立型船首，没有球鼻艏 另外，球鼻艏还有一个重要优点就是减小船舶纵向俯仰程度。许多船球鼻首中有装载压载水的首尖舱，当海况不好船舶纵向俯仰过大时，通过调节首尖舱内的压载水重量，就可以使船舶航行更稳定。 此外，当船舶在北冰洋等海冰水域航行时，船头挤开碎冰，球鼻首能让碎冰以湿润的那面接触船体滑行，达到减小摩擦系数，进而减小摩擦阻力的效果。和风漫谈原创，禁止抄袭。 当然，球鼻艏虽好但不是在所有时间所有环境下都有效，它需要船舶达到一定速度才能形成 足够的相反波形抵消兴波阻力。如果船舶速度太低，那球鼻艏几乎不能形成相反波形，反而在水线以下增大船体总湿表面积，增加摩擦阻力。 对一些经济性要求很高的远洋货轮来说，快速不等于利润反而会增加燃料消耗，所以有些船东会主动降低速度，并将不起作用的球鼻首拆除。 |
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