别笑！航母前面这一细长坨干什么用？严肃点，它真的很重要
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别笑！航母前面这一细长坨干什么用？严肃点，它真的很重要
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。日大和号被击沉画面，全舰共2767人，仅269人逃生成功。更多突出物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）“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。本文为头条号作者原创，未经授权，不得转载。
TA的最新馆藏烽火台 | 辽宁舰伸向大洋的横杆 是用来钓鱼的么？
近期，中国航母辽宁舰前出第一岛链，引起了新闻媒体的广泛关注。航母编队训练，按常理是十分繁忙的，细心的朋友可能会发现，在船舷边上画面中出现一根根长长的杆子伸向大洋，那么这些很长很细的杆子是干嘛的呢？有些网友认为大洋中的鱼很多很多，辽宁舰上的伙食也要改善下，那就边训练边垂钓吧，有鲍鱼、鱼翅好多海鲜哪，即饱口福，又把活干好了。好悠闲的辽宁舰生活啊，简直是吃货的天堂！也有网友认为这些杆子是用来挂网的，你看，航母上的飞机起降很忙啊，万一有个闪失会掉海里。这不前不久，俄国人的飞机就掉海里了，我们独特的方式来预防飞机掉海里，把飞机网住。天哪，想法好多，然而大家信么？这是啥，干啥用的呢？其实啊，这些答案均不对。有军事专家对“迷彩派”表示，实际上，这种长杆是一种“鞭状”天线。鞭状天线，顾名思义，这是一种可放倒的垂直杆状天线，其长度一般为十几米长，形状细长，外观看起来有点像鞭子，俗称就是“鞭状天线”。哦！原来是天线啊！那么可能又有朋友会问了，航母上的天线林立，辽宁号上的相控阵，后面的顶板，都有一定的形状，看上去非常威武，也很现代化，“鞭状天线”看起来就简陋了许多，那么这种设备很差么？带着这些疑问，我们来看看西方国家的航母。这一比较不要紧，原来，不只有俄罗斯的“库兹涅佐夫”号航母和我们的辽宁舰航母有这么多横向的“鞭状天线”，你瞧，美国“尼米兹级”航母甚至最新的“布什号”航母上面也有众多的横向鞭状天线！乔治·布什号航空母舰上的鞭状天线经过一番调查，原来航空母舰上的通讯非常繁忙，现阶段的无线电通信技术天线是必须的，经过研究人员的设计，这种形状的“鞭状天线”结构最简单，设备使用效率也最高，而别的形状的天线都达不到状态。这类天线的作用距离不会太长，主要用舰队通讯和舰机通讯。比如，航母与护卫舰只之间的通讯，航母与舰载机之间的通讯，航母与补给舰之间的通讯等等。而航母上的电磁设备又特别多，为了避免互相之间的电磁干扰，就把这些通讯天线布置在船体外围，形成空间隔离。这类大型天线部署在航母的飞行甲板上，会影响飞机的起飞和降落，所以就将鞭状天线布置在飞行甲板两侧，并可放倒式，这样航母进行起降作业的时候将其放倒；在航行时，鞭状天线竖起用于通讯。另外一个题外小插曲，80年代时我们拆解废弃的“墨尔本”号航母时，张召忠等研究人员，第一次看到鞭状天线不知为何物，后来真相终于大白了！
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