军事与数学（九）
封面没放错，嗯
自己都没想到居然能写到九。
向一直以来孜孜求虐的各位老铁表示感谢，都特么的是真爱啊。big 么么哒~
今天打算讲讲造船。。。。中的一个小玩意——聊聊某些军事博主变态般情有独钟的球鼻艏。
球鼻艏是个什么玩意？
在解释球鼻艏之前，先来讲讲兴波阻力。
船在水中运动的时候，船体产生的波浪会在船首和船尾附近各发生一组波系。每组波系包括横波和散波。横波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船波起伏的能量由船体供给，消耗了一部分推进船舶的功率。对船来说相当于克服一定的阻力，这种阻力叫兴波阻力。 兴波阻力的大小主要与航速和船长有关。航速越快，兴波阻力越大。
球鼻艏就是一种用来克服船阻力的结构，说得再具体一点，就是用来克服兴波阻力的东西。
图中绿线是船头原来形成的波浪，蓝线是球鼻艏形成的波浪，蓝线压制了绿线，两者最后形成了我们看见的波浪——红线的波浪。
通过设计合理的球鼻艏的形状并且保持一定的速度，我们就可以压制住波浪，减小兴波阻力，提高船速。而没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波，阻碍船的航行。值得注意的是，球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应，否则阻力更大，所以一般只用远洋海船。
问题来了，什么样的球鼻艏的形状是合理的？航速又要保持在多少才合适呢？
这个就要从波开始讲起。
我们知道波是自然界中最常见的物理现象，当然也有很多旁友一看见这种现象就想开车，请遏制，我们现在是上课时间。波动方程其实是个很漂亮的偏微分方程：
这是三维的非齐次波动方程，我们可以很容易地用齐次化原理解决这个问题，这个方程的初值问题的解是：
是不是很简单？
请你控几里记几那种要打死我的冲动。
讲这些的目的只是为了说明，船体设计可是大学问，需要用到很多很多的数学知识。现代工业讲究的是定量分析。船体用什么材料，材料的组成部分比例是多少，涂料用什么漆，用多少，船体造成什么样子，这些都需要通过大量的科学计算得到。当然，这里我们就只介绍一点点波的速度啊、能量啊这些比较好算的东西：
嗯，到这里我又一次成功地激起了你打我的心思，但是距离解决我们要的问题还差的。。。
很远。
因为我们现在只是假装知道了海浪对船体受力情况，但是怎么设计出我们要的东西呢？说实话，读大学之前我也不知道这里蕴含了这么多的数学道理——虽然万吨轮经常从我家门口过。而之所以知道数学在设计船体中的作用，还是得益于读书大学时候系里的一位叫董光昌的老先生。当时浙大数学系有两位大神在应用数学界非常出名，被人们戏称造船的，炼钢的。炼钢的这位叫刘祥官，是华罗庚先生的学生，也是个大神，改日再说；造船的自然是董光昌先生了。
董先生是搞偏微分方程出身，读书的时候考上了华罗庚的研究生，但是因为太牛，浙大不放人，只好作罢。 到了1970年，六机部把船体数学放样定为国家造船工业发展的方向，目标就是要使中国造船工业实现自动化，很多地方都把它作为研究的项目，浙江省交通厅也是其中一分子，找来找去，最后决定与浙大数学系一起搞这个，董先生就是负责人。
董先生可不是那种只会推导的数呆子，解决实际问题也很有两把刷子。开始他跑到嘉兴船厂实习，向放样工人学习，用木样条与压铁作手工放样，回校后再用计算机计算数据，后来由于学校的计算机无法满足计算的需要，于是又到上海与求新造船厂和交通部船舶研究所合作研究此项目。
这里顺便说一下，船体的放样在船体设计中是最后一个环节。整个设计周期可以分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段。放样是生产设计中最重要的一道关口。船体数学放样的关键问题是什么？是光顺？在此问题一时难于弄清楚时，董光昌的指导思想是数学放样尽量忠实地模仿手工放样，手工放样的自然放，直尺卡样都作了数学上的模拟，形成为比其他研究课题组更为忠实于手工放样，且为放样工人所喜闻乐见的船体数学放样回弹法。并与1978年，由苏步青推荐到科学出版社出版了学术专著《船体数学放样——回弹法》 。
在长时间研究船体数学放样过程中，他又花了一小段时间研究数控绘图。1976年，挪威商人来中国，在北京、上海展示他们国家的绘图机时，当场绘出船体线性图与肋骨图。上海造船工艺研究所认为，绘图机是应该买的，至于绘图软件是否要买，要看我们能否在短期内编写出不错的绘图软件。当时董光昌等正带领学生在造船工艺研究所实习，接受了这一尝试性的软件研制任务，在不到两个月的时间内完成了任务，编出的软件绘图效果优于挪威的软件。先前挪威的表演者十分珍视他们的表演纸带，带不离身，到董光昌研制出我们自己的软件后他们也就不再珍惜了，研究所也不再购买国外的绘图软件，这为国家节省了购买绘图软件的数万美元经费。
1978年，他主持的“船体数学放样”和“数控绘图”两个研究项目都获得了全国科学大会奖，并且他本人同时获得了在科学技术方面作出重大贡献的个人奖。
国内的一些科研单位（如船舶工艺研究所）和造船厂（如上海求新造船厂、中华造船厂等），都一直在使
用“回弹法”进行船舶线型光顺。为了更加完善并丰富此方面的理论成果，时隔20年后，董光昌进一步发展并提高了上述研究内容，形成了对“光顺”含义刻画更为精确的理论体系。国外著名的计算几何专家A. R. Forrest教授认为：董的线型光顺工作是“数学与计算应用于实际问题的一个典范”。在此基础上，董光昌领导的课题组实现了船舶线型光顺过程的自动化，实际光顺效果超过国内外同类研究水平。
实在是忍不住为老头打call。
除了船体的放样之外，在前期的设计过程中，数学也起到了非常重要的作用。正如前面提到，球鼻艏必须是在一定的航速基础上才能起作用，所以这个临界速度是多少，形状该怎么样设计，必然是通过建立数学模型后求解得到的，而这一切又必然和偏微分方程以及数值计算是分不开的。
想绕过数学搞出这个
还是这个
还有这个
嘿嘿，门都没有！
顺便说一句，军舰的设计和民用船只设计的理念是完全不同的。所以对于船只的外形要求更加苛刻，数学要求也就更高。军舰上应用的球鼻艏还有一个重要用途，那就是安装扫描声呐等探测设备，由于位于舰体的最前端，可以避免船体杂波的干扰，也能相应提高作业效率。军舰的球鼻艏里面是充满着海水的，军舰球鼻艏内部通常安装主动声呐的水声换能器，它由一片片的压电晶体组成，采用柱面阵作为布阵形式。大型军舰的舰首主动声呐柱面阵的直径可达三到四米，重量可达数吨。主动声呐的换能器利用球鼻艏的特殊外形作为整流罩，这需要在球艏内精密的安装和调试。
是不是很高大上？
难怪你们这些军事博主会这么迷恋。。。
网友评论：
@春天的依依: 数学公式一个都看不懂，怀疑我自己是不是假数学专业毕业的[污][污][污][悲伤][可怜]
@军迷张晓予: 默念三遍“没有公式”，然后信心满满的点了进去。[允悲]
@贼叉: 这个应该像德布罗意学。。。为什么不能既是这个又是那个？//@百战刀:军事博主一般有技术派和情怀派之分，就像。。。气宗和剑宗？[笑而不语]
@重回1800年: 我能装作看懂了的样子么？//@老王聊军事：果然是关于船的！球鼻艏，就是个大鼻子，不过真的很有用[笑而不语]
@江深竹静三两家: 后来做结构去了，当年学的波浪理论，全部还给老师了。
@贼叉: 专家来给我站台了！//@航母那些事儿:造船不是随便造个船壳子那么简单，里面蕴含着许多数学力学知识，要考虑因素不少，除了船舶六性，还有军船的一些特殊需求，有大学问！
@万佛朝: 难以想象，居然还有这么认真研究波的军事博主。[赞]
@黄袍加身宋太祖: 除了数学没看懂，其他都明白了[允悲]
@贼叉:谢谢专家肯定！//@可爱的海盗船长captain:虽然能看出博主不是学造船设计的，能写成这样也很不容易了，真是应验一句话，兴趣才是最好的老师。
@宛鸠_神隐中: 没学过高树，一边懵逼一边长知识。。
@鸿森智能陈壹川: 学好数理化，走遍天下都不怕，学渣路过[允悲]
@徐州李Sir: 看到球鼻艏，我就想起来伯努利效应，后面的不明觉厉了[笑cry][笑cry][笑cry]//@巍岳钦禹:老贼，你这是逼我学数学啊[泪][泪][泪]