问题

为什么船使用螺旋桨,不用类鱼尾装置?

回答
这个问题很有意思,也很实在,很多人看到鱼在水中游动时,那灵巧的尾巴摆动,确实会产生一个疑问:为什么我们造船不仿照这种高效的自然设计,用个“鱼尾巴”来推进呢?这背后涉及到物理原理、工程实现以及历史演进等方方面面,咱们一点点来聊。

首先,我们得明白,船和鱼的运动环境以及它们自身的物理特性有很大不同。

体积与质量: 一条船,即使是小型的,其体积和质量也比最大的鲸鱼要大得多。这意味着船需要克服更大的惯性和阻力。鱼的尾巴,虽然看似柔韧,但它是在一个相对较小的、可以快速调整形状和角度的范围内工作的。要让一艘几十吨甚至几万吨的船体产生同样的推力,就需要一个能够持续、稳定输出巨大能量的装置。
运动方式: 鱼通过摆动尾巴产生周期性的、类似波浪的运动,这种运动在水中传播,并与水发生相互作用,从而产生向前的推力。这种运动非常精妙,它能很好地利用水的粘性和惯性,并在摆动过程中形成涡流,增强推力。但是,这种精密的周期性摆动,在放大到船体那样巨大的尺寸时,实现起来将异常困难,而且效率未必会高。

其次,从物理原理上讲,螺旋桨的优势更符合大尺度推进的需求。

作用原理的差异:
螺旋桨: 简单来说,螺旋桨就像一个旋转的“螺丝钉”。它的叶片被设计成特定的翼型,当发动机带动螺旋桨旋转时,这些叶片就如同飞机的机翼一样,在旋转过程中“切开”水,利用水的流体动力学特性,在叶片前方产生低压区,后方产生高压区,从而将水向后推,根据牛顿第三定律(作用力与反作用力),船体就会获得一个向前的推力。这种推力是连续的、相对稳定的。
类鱼尾装置: 仿生学设计的鱼尾推进器,更像是模仿鱼尾的上下或左右摆动来产生推力。它通过改变尾鳍的形状和摆动幅度、频率来控制推进力。这种方式在小尺度上可以实现高效的定向推进和机动性。
推力效率与稳定性: 在大尺度下,螺旋桨能够提供持续且可控的推力。通过调整发动机的转速和螺旋桨的桨叶角度(变距螺旋桨),可以非常精细地控制船的速度和方向。而一个巨大的“鱼尾巴”要实现这种稳定、连续的巨大推力输出,需要的结构将非常庞大且复杂。想象一下一个巨大的、周期性大幅度摆动的机构,其结构强度、稳定性、能量损耗以及控制精度都将是巨大的挑战。
能量损耗: 鱼尾巴的摆动虽然高效,但它的运动模式本身就包含了一些能量的损失,比如水的变形、涡流的形成等。而螺旋桨的设计,虽然也有能量损耗(比如叶片阻力、尾流损失),但其旋转运动的能量转化效率在多数工况下是比较高的,并且更容易通过工程手段来优化。

再者,工程实现上的难度和成本也是一个关键因素。

结构复杂度与可靠性: 要制造一个能够承受巨大水压和反复弯曲应力的、像船一样大的“鱼尾巴”驱动系统,其机械结构会非常复杂,包含大量的连接件、关节和驱动机构。这种结构的可靠性和维护难度都会远高于螺旋桨。螺旋桨虽然也有制造精度要求,但其整体结构相对简单,更容易实现高强度和耐久性。
动力传输: 船的动力通常来自发动机,这些发动机产生的是旋转动力。螺旋桨正好可以无缝对接这种旋转动力。而要将旋转动力转化为类鱼尾的摆动动力,就需要一套复杂的传动系统,这会增加系统的能量损耗、体积和成本。
操控性: 鱼尾巴的精妙之处在于其极高的灵活度,可以实现瞬间改变方向和速度。但要把这种灵活性转移到巨型船体上,控制系统将变得异常复杂。而螺旋桨,通过控制单个或多个螺旋桨的转速和转向(如船用推进器、全回转舵桨),已经能提供非常好的机动性,并且易于实现自动化控制。

最后,历史和技术发展的惯性也起到了作用。

螺旋桨的成熟: 螺旋桨作为船舶推进方式,早在19世纪就得到了发展和广泛应用。经过多年的技术积累和优化,它已经非常成熟可靠,并在各种船型上得到了验证。
仿生学的局限性: 虽然仿生学在很多领域都取得了巨大成功,但并非所有自然界的生物机械都能直接或者高效地放大应用到工程领域。生物的进化是在亿万年尺度上,针对特定环境和需求进行的高度优化的结果,而工程师需要考虑的是现有技术条件下的可行性、经济性和效率。

当然,这并不意味着类鱼尾的推进方式就没有研究价值。

事实上,近年来,随着材料科学和控制技术的进步,一些小型船舶、水下航行器(如水下机器人、仿生潜艇)确实在尝试使用类鱼尾的推进方式,以期获得更好的静音效果、更高的机动性或更好的低速效率。这些研究为我们提供了新的思路,也可能在未来某些特定领域(比如需要极低噪音的侦察船或者需要极高灵活度的水下探测器)找到应用。

总结一下,为什么船普遍使用螺旋桨而不是类鱼尾装置,主要是因为:

1. 大尺度下,螺旋桨能提供更稳定、持续且易于控制的巨大推力。
2. 螺旋桨的旋转动力与船用发动机的输出形式更加匹配,能量转化效率更高。
3. 在工程实现上,螺旋桨的结构更简单、可靠性更高,成本效益也更好。
4. 类鱼尾装置的复杂机械结构和动力转换在放大到船体尺寸时,面临的挑战巨大。
5. 螺旋桨作为一种成熟的技术,已经在船舶推进领域占据主导地位。

虽然鱼尾巴在水中优雅高效,但在驱动我们庞大的钢铁巨兽穿越海洋时,螺旋桨这个看起来“粗暴”但实用的发明,无疑是当下最适合的选择。

网友意见

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看到有人答了仿生鱼尾的前景,受益不少。

前沿的不了解,我只能谈谈过去螺旋桨的故事。

  1. 为什么不仿鱼尾

当我们问出这个问题的时候,一个默认前提就是船是仿照鱼来造的,所以用鱼的推进方式是最好的。但船和鱼是有一个很明显的区别。

看出他们的运动有什么区别吗?

鱼是完全浸没在水里游动的,我们很少会看到鱼露出大半个身体在水面上游动,鱼尾这种推进方式也是和他们的生活习性相匹配的。

而船是在水面上航行的,和完全浸没在水里的工作环境不同。

这种状态就决定了,船很多时候是仿下面这种生物的。

再观察一下我们划船用的桨,和鱼尾相比是不是更像水鸟的脚蹼。

观察一下鸭子游泳的状态,和我们船划桨前进是非常相似的


2. 有没有仿鱼尾的

有,而且类鱼尾推进在我国江南一带是很常见的。

就是我们特有的船舶推进方式,橹。

橹的发明据说是仿照鱼类游动时的动作,橹板浸没在水下摆动可以像鱼尾一样推动船舶前进。系着橹手的绳子平衡了橹板重量,并且便于操作。

橹实际做功是在左右移动中,但前后推拉不符合人类的发力习惯,绕关节的回转运动才省力。例如上图中的船夫,左手拉拽绳子,右手扶住橹手像摇动轱辘一样摇动橹,橹板则会相应的绕着支点在水下进行一个圆周运动,推动船舶。因为橹板在整个运动过程中都在做有用功,不像划桨只在桨面向后时做功。所以效率大大提高,俗称“一橹顶三桨”。


说了这么多,回到螺旋桨,注意到我上面介绍橹时的黑体字了吗?

圆周运动

想象一下把几个橹板按运动的圆周方向组合到一起,同时做功的面积大了,效率会更高。

再把他们弯曲一点,就成了下面这样。

就是螺旋桨了

当然也有不弯的,VSP推进器差不多就是多个橹板拼起来的。

工作时是这样

https://www.zhihu.com/video/984412573688647680

从这个角度上说,螺旋桨也是一种鱼尾推进的异化形式。

当然,没有任何证据表明螺旋桨的发明和鱼尾或者橹有什么关系。完全是人类通过数学这个工具了解世界并且适应世界的结果(阿基米德螺旋,到胡克,到达芬奇,到瓦特,到“阿基米德号”),只能说是人类通过数学语言的表达和大自然的表达是相似的。

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