舰船前面这一大长坨干啥用的？你知道什么是"球鼻艏"吗？
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。
（图片作者：James Morgan / Cunard Line）
也许这样，大家会看得更清楚：
▲这造型，怎么说你好呀……
（图片作者：Hammelmann Oelde）
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。
▲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。
▲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。
（图片来自Daehwan）
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。
（图片来自Tony Lindeque）
出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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