轮船跑得快不快，“鼻子”说了算，船头的球鼻艏发挥了哪些作用？
跑的快不快，船鼻子说了算，为什么大船前面要加一个船鼻艏？
巴雷特狙击步枪最远的击杀距离在2000米以上，枪口初速度有900米/秒，动能达到33000多焦。可是如果巴雷特在水下开枪，那么它的子弹射不到20米远，这是因为水的阻力是空气的800倍。
一颗小小的子弹在水下的阻力都有这么大，那十几万吨的远洋货轮的阻力岂不是要逆天！
其实远洋大货轮的速度比较慢，阻力没有子弹那么明显，不过船底与海水的接触面积比较大，这同样会造成货船的燃料浪费。
在航行速度一定时，最有效的减阻方法就是降低船体水下部分的横截面积。可是现在的大货船前面都会安装一个圆形的“大鼻子”，这个“大鼻子”全部在吃水线以下，这不会增加船只的航行阻力吗？为什么大型货船前都有这个“大鼻子”呢？
球鼻艏的历史非常悠久，在大航海时代之前它就被发明出来了，那时的球鼻艏不是椭圆形的，而是像一根长长的尖刺，这种船艏也被称为
这种结构一直延续到蒸汽铁甲舰发明后，美国南北战争时期，南北联军的蒸汽铁甲舰上还留有这种结构，也是用来相互碰撞的。到了19世纪末期，撞角就被取消了，因为几乎用不到它，火炮的射程已经达到了10公里以上，战舰与战舰之间不会再进行亲密接触了。
取消撞角后人们发现，战舰在航行时没有之前那么稳定，而且航速也变慢了。欧洲的船舶设计专家发现，有撞角的船在航行时阻力更小，这与撞角本身产生的波浪有关。
船舶在航行时，船体周围会产生明显不同于海浪的波浪。我们都知道无论是光波还是声波，它们的产生都需要能量，水波也不例外，显然这些波浪的能量来源是船体的前进动能，消耗的是船舶发动机的推进动力。
船舶在航行时主要会产生两种波，一个是垂直于船舶航行方向的横波和与船体呈一定角度的散波。这两种波都是阻力波，其中斜角的散波产生的阻力又被叫做兴波阻力，球鼻艏主要的作用就是消除兴波阻力。
船舶安装球鼻艏后在航行时球鼻艏也会产生一组斜向的散波，方向与船身产生的散波一致，但是二者的相位不同。通过计算我们可以制造出这样的球鼻艏，它产生的散波相位与船体散波相位正好差180度，这样两个散波就可以相互抵消。
直观感受就是安装球鼻艏的船只周围的波浪会非常的小，船体航行时也更加的平稳。
20世纪初，欧洲各国又在军舰上安装了球鼻艏，可是球鼻艏降阻的能力并没有人们想的那么强，这是因为它要满足一个系数标准，只有当傅汝德系数达到0.3以上时，球鼻艏才能发挥明显作用。而傅汝德系数与船体的排水量有关，排水量越大安装球鼻艏的傅汝德系数越高，降阻的效果就越好。
军舰的排水量还达不到这个标准，在上个世纪60年代，远洋货轮上开始大量的安装球鼻艏，如果球鼻艏设计的精准，可以为这些远洋大型货轮节省10%左右的燃料。一艘排水量为10万吨的货轮，建造球鼻艏需要多花费65万美元，这笔多出来的制造费用只要航行几次就可以节省下来。
球鼻艏的形状各异，不同船只的球鼻艏差别很大。远洋低速货轮的球鼻艏是椭圆形的鼻子很长，吨位稍微小一点的球鼻艏是水滴型的与舰首融为一体，这种设计多用于中高速行驶的船舶。
还有一种特殊的船鼻艏，它的上部横截面呈S型，下部呈V型。这种船鼻艏的强度非常高，不同航速下都能削减阻力，它主要用在破冰船上，俄罗斯的核动力破冰船使用的就是这种造型的船鼻首。
船舶的球鼻艏原理在我们的日常生活中也有应用，最接近的就是降噪耳机，降噪耳机在工作时会产生一个与外界环境噪音振幅频率相同，但是相位完全相反的声波，这样就可以把这些噪音完全抵消掉。声波与水波一样，都符合相位相反相互抵消的规律
舰船水下为什么都藏了个长鼻子？“球鼻艏”了解一下？
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！舰船水下为什么都藏了个长鼻子？ 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299792458 m/s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 m，或者是12.005 m，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 t，长263 m，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
“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。
标题：舰船前面这一大长坨干啥用的？你知道什么是"球鼻艏"吗？
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