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帆船航行原理:順風和逆風哪個跑得更快呢?

2018/03/14 11:42:43 來源:溫溫LHH 10949 581
帆船到底是怎么航行的?真的只是被風“推”著跑嗎?順風情況下就一定比逆風跑得快嗎?還是另有玄機?
近年來,國內大大小小帆船賽如雨后春筍,不斷在中國海岸線、內陸江河甚至高原湖泊升起偏偏靚麗的球帆。很多人對帆船的印象,可能還停留在唐詩“直掛云帆濟滄海”的模糊飄渺,又或是生活中“一帆風順”的美好祝愿。那么,帆船到底是怎么航行的?真的只是被風“推”著跑嗎?順風情況下就一定比逆風跑得快嗎?還是另有玄機?
我們都知道帆船是靠風來做動力的,但事情并不是如此的簡單的,人們通常認為帆船只能沿風吹動的方向移動,即順風移動。其實不然,大家經常會看到,使用三角帆的現代帆船還能夠迎著風移動(逆風行駛)。而且,熟知帆船運動的人會發現,帆船完全順風反而不能獲得最快的速度,這又是為什么呢?
實際上,空氣(也就是風)作用于帆的力有兩種形式:一種是動壓力,即當空氣流動的時候,對擋住去路的物體能產生沖擊力。帆船順風行駛時,就是靠空氣的動壓力推動前進的,這一點非常容易理解。另一種是靜壓力:當船帆的兩側空氣流速不同的時候,就會產生壓強差,為什么呢?

船帆的最先著風之帆緣稱作前緣,它位于船只的前部.后部的船翼后緣稱作帆的后緣。從前緣到帆的后緣的假想水平線稱作弦。船帆的曲度稱作吃水,并且從弦到最大吃水點的垂直距離稱作弦深。充滿空氣以形成凹面彎曲的船帆的一面稱作迎風面。向外吹以形成凸起形狀的一面稱作背風面。1738年,科學家丹尼爾?伯努利發現,氣流速度與周圍自由氣流成比例增加,從而導致壓力的降低,而這可令氣流速度更快,這種情況在帆的背風面發生即空氣流動速度加快并在帆的后面形成低壓區域。在期間,在帆的迎風面發生相反的情況。隨著更多的空氣流過背風面,迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴展空間的空氣將減少。由于這些氣流四散流動,所以其流速下降到比周圍空氣還低的速度,這導致壓力增加。這就是著名的“流速增加、壓強降低”伯努利效應。
由伯努利原理知道,當空氣向一個方向流動時,它向側面作用的力就要相對減小。也就是說氣體流動速度越大的地方,動壓力壓強越大,而靜壓力壓強越小。流速愈小的地方,動壓力壓強愈小而靜壓力壓強愈大。這樣氣體流速小的地方對流速大的地方就會產生一個側向的壓力,這個力稱為靜壓力。當迎風駛帆時,船正是在風的靜壓力推動下前進的。

帆所受靜壓力的產生,主要是帆具有像機翼一樣的弧形。我們把帆的橫截面和機翼的橫截面對照一下,就可以看到它們的共同點。當氣流通過帆或機翼時,由于機翼上面和帆的前面的氣流要走更長的距離來和機翼下面和帆后面的氣流相會合,因而就加快了流速,使帆的前面和后面及機翼的上面和底面的氣流產生了不同的流速。流速慢處的壓強比流速快處的靜壓強大,這個壓強差使機翼產生了向上的升力,也使帆獲得了向前的動力,在這里不妨也稱它為“升力”。
這樣,我們知道風帆壓力是如何形成的,但這些壓力是如何令船只前行的呢?

帆所受的靜壓力,并不能全部用來推動船前進,真正用來推動船前進的是沿船頭方向的分力,這個向前的分力的值要小于使船橫向移動的分力。同時,增加船帆作用以獲得更多向前的驅動力還導致側向力的更大的增加。因此,當風施加在側面的力量達到最大時,船只是如何前行的呢?合力的方向與帆弦近乎垂直,當帆弦與船只的中線平行時,主要力量幾乎完全施加在側面。但是,如果船帆成一點兒角度,以便船帆產生的力量稍微向前,則船只本身會立即前行,這是為什么呢?

船的中線(即龍骨)作用于水的方式類似于船帆作用于風的方式。龍骨的水翼效應產生的力量與船帆傾斜力相反的力量,抵抗船帆產生的側向分力,從而只保留船帆的前進分力。 它使船完全保持船帆形成的力量的方向,并且盡管風帆合力始終作用于迎風的那面,但正確的迎角將使船只前行。船帆的角度距離船體中線越遠,著力點施加于正面相對于施加于側面的數量越多。將正向力量的稍微調整與水相對于空氣的反向力量結合起來,將使船只迎風前行,因為現在水流的阻力最小。
除了帆產生推力以外,還有一個重要因素就是船底的流線型,船浸入水中部分的橫向截面積遠大于縱向截面積,向前的推力雖然比橫向力小,但船在水里前進時所受的阻力要比船橫向移動所受的阻力小許多。所以,向前的推力推船前進效果就相當顯著。

順風行駛

帆船既可在動壓力的推動下順風行駛,也可在靜壓力推動下逆風行駛,但是太順風也不是很好的,因為這時伯努利效應消失。船靠風對帆的動壓力推動,而動壓力的大小決定于風對帆的相對速度,相對速度越大,動壓力就越大。然而船在動壓力的推動下,前進速度逐漸增加,風與船相對速度就會減小,因而風對帆的動壓力減小,船速會再度慢下來,同時會進入不穩定狀態。所以動壓力對帆船來講,并不是持續高效的動力來源。在平常微風的時候,順風航行的前進速度是最慢的,因為除了風的推力外,沒有伯努利效應的助力;而在強風的時候,又容易因風的推力集中在左舷或右舷,而一直向另一舷轉向。對小帆船的入門水手而言,順風卻是具有相當難度的,問題在于順風時,風的來向和船平行,沒有橫向的壓力作為平衡之用,很容易因為失去平衡而翻船。



橫風行駛

橫風行駛時,風從側向來,被帆化作兩股力量,一個是讓船側滑的力量,一個是讓船前行的力量,而側滑的力量則被"中央板(龍骨)"化作側倒的力量,再由水手的重心調整相抵,只剩極少的側移力量,而大部分的力量是使帆船向前行的力,這就是橫風行駛,也叫側風行駛。現在知道,帆船運動中壓舷的意義和重要性了吧!


逆風行駛

如何更形象的理解帆船逆風行駛呢?我們先來做個小實驗:以左手把直尺壓在桌上,上面再放一把三角板,使三角板大直角邊與直尺貼合,右手拿筆在三角板斜邊從上往下方向推,那么三角板會往那邊運動呢?

由實驗可知,不論筆尖從那一方壓到三角板的斜邊上,三角板都依白箭頭方向移動。當筆尖沿著v的方向壓到三角板的斜邊上時,由于三角板是光滑的,它受到的壓力R是垂直于斜邊(也就是與v的方向無關)。這個壓力R可以分解為兩個分力F1和F2,F1使三角板平行直尺移動(圖中白箭矢的方向);F2使三角板壓向直尺,而直尺有一反抗力P作用于三角板,把F2抵消,故三角板只能沿著F1的方向而移動。由此可見,筆尖從北向南壓向三角板,但三角板卻能向東北移動。同理,右側圖表示,帆船以一定角度迎風行駛時,帆所受的風力R,R可以分解為F1和F2兩分力。F1就是帆船的前進力,而F2則使帆船橫向移動,叫做橫流力。由于龍骨帆船船底有一大片龍骨,龍骨受水的阻力為P,此阻力抵消橫流力F2,使船身不致發生較大的橫向移動,只能前進,這就是帆船逆風行駛比較直觀的解釋。當然,實際中的帆船并不僅僅是這么簡單的受力分析,從流體力學的角度,帆船處于風、流、浪共同作用下的無動力漂浮運動狀態,被認為是最復雜的物體受力和運動問題,上述提到的船帆受力,還涉及到空氣動力學。現在你知道一個真正合格的帆船運動員,想要真正的利用自然條件,發揮愛船最優秀的性能,那還真的必須是要做到“上知天文,下知地理,中間還要懂物理”,如果出個國比個賽,還要掌握至少一門外語,怎一個“全才”了得!

航向限制,帆船可以向任何方向行駛嗎?

上文提到,帆船可以在順風、逆風、橫風狀態下行駛,那么有人不禁就會問,是不是只要有風,帆船就可以向任何一個方向行駛呢?答案是否定的,帆船的航向也不是完全沒有限制,在正逆風左右各約45度角內(某些賽船能在迎風30度的情況下行駛),是無法產生有效益的前進力的,稱之為無法航行區域,船駛入這個區域之后船帆會劇烈擺動,失去速度,慢慢停下來。在航行或比賽間隙,可以故意將船駛入這個無法航行區,使船停下來,在不降帆得情況下用餐或稍作休息。除了無法航行區域之外的其他區域,都是可以到達的。當然,無法航行區域是指不能直線到達,我們想要到達迎風方向的目的地,可以通過之字形前進,在經過一次或多次換舷之后到達的。



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