船首の下の先端は何に使われますか?それがなければ、船は速く進むことができません。

外洋貨物船が風や波に逆らって航行しているのを見たことがありますか?船首の下には明らかな球状の突起があります。船首に先端があるように見えますが、これは船の全体的な形状と非常に矛盾しています。これは何に使われるのですか？

これは「船首弓」または「船球弓」と呼ばれます。見た目はあまり良くありませんが、これを過小評価しないでください。これがないと、船は速く走ることができなくなります。歴史的に、外洋貨物船の最高速度は33ノットに達していましたが、現在では外洋貨物船の航行速度は20ノット程度がほとんどです。 20ノットとはどういう意味ですか?これは時速37キロメートルにほぼ相当します。この速度は実際には遅くはありません。一般的に言えば、路上の車の速度は時速 40 キロメートルを超えないからです。国道でも時速80キロの制限速度があります。

高速道路上の自動車の速度は時速 80 キロメートルですが、外洋を航行する貨物船の速度は時速 37 キロメートルで、自動車の速度の半分以下です。しかし、船は水中を航行しており、水の抵抗は空気中の抵抗の約 800 倍であることを忘れないでください。こう考えると、この船の速さはすごいと思いませんか？

では、なぜ船はそんなに速く走れるのでしょうか?少なくとも半分の功績は「船首」、つまり船首のすぐ下にある球根状の突起によるものです。では、船首はどのようにして船の速度を上げるのでしょうか?まず、航海中の船に対する抵抗が主にどこから来るのかを見てみましょう。船が前進するとき、前方の海水に阻まれるため、船首の海水は船に押し上げられることになります。すると、押し上げられた海水は船体に沿って船体の両側に流れ、船の側面にうねりのある波を形成します。

船が航行中に受ける抵抗は、海水と船の接触面積という一つの要素と密接に関係しています。波がうねると必然的に接触面積が増加し、それによって船が受ける抵抗が増加し、船の航行速度に影響を与えます。この抵抗を「造波抵抗」といいます。

また、波の抵抗が船の速度を根本的に低下させる仕組みについても考えてみましょう。動きにはエネルギーが必要です。船が到着する前は海は穏やかでした。上昇波と下降波はすべて船によって引き起こされたため、上昇波と下降波のエネルギーは基本的に船によって供給されました。これらの波は実際に船の電力の一部を消費しました。電力損失を減らすには、これらの波を排除する方法を見つける必要があり、こうして「船首」が誕生しました。

船首を取り付けた後、船体両側の波の変動が大幅に減少し、船の速度も大幅に向上しました。過去の経験によれば、同じ船でも船首を取り付けた場合と取り付けない場合では最高速度が 5 ～ 10 ノット異なることがあります。

船首の役割は疑う余地がありませんが、では船首はどのようにして波を消すのでしょうか?これは2つの側面に分けられます。一つの側面は、弓自体の形状です。船の船首は球形の物体です。実験をすることができます。ロープを使って小さなボールを引っ張って洗面器の中で動かし、次にロープを使って小さな立方体を引っ張って洗面器の中で動かします。小さなボールによって生成される波は、立方体の波よりも明らかに小さいことがわかります。これはなぜでしょうか?球体の前では、水は圧力によって膨らみますが、膨らんだ水が球体の後ろに来ると、圧力が瞬時に下がり、膨らんだ水面はすぐに後退するので、波は自然に小さくなります。

2 番目の理由は、船首が 180° 反転する波を形成し、元の波を打ち消すためです。

船が前進すると、船体の両側に波が発生します。船首によって生成される波は、他の部分で形成される波とちょうど逆になります。では、2 つの反対の波が重なるとどのような効果が生じるのでしょうか?当然、それらは互いに打ち消し合うので、本来の波の起伏は穏やかになります。波の重ね合わせ効果を利用して波を除去することは、生活の中で幅広い用途に応用できます。たとえば、音波は反対の音波を使用して元の音波を打ち消します。これがノイズキャンセリングヘッドホンの基本原理です。ここで新たな疑問が生じます。それは、船首がどのようにして正確に 180° 反転する波を発生させるのかということです。

船が航行中に発生する波の大きさは、船の航行速度と密接に関係しています。異なる航行速度によって発生する波は大きく異なります。

したがって、船首に役割を果たさせたいのであれば、「設計速度」というものがなければなりません。船首は、常に 180° 反転する波を生成することを保証できません。設計速度でのみ効果を発揮します。船速が設計速度から外れると、船首の抵抗低減効果は大幅に低下します。特定の時間に元の波とまったく同じ波を生成することもあります。これらの波が重なるとより大きな波が発生し、船の航行抵抗が増加します。さらに、船首の形状に対する要件は船によって異なります。最も一般的なのは、衝角型の弓と涙滴型の弓です。前者は外航貨物船に多く使用され、後者は主に高速船に使用されます。

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