首页 › 资讯 › 游艇知识

顺风真的比逆风跑得快吗?帆船航行原理解析!

发布日期:2017-03-03 10:52:38  来源:

近年来,国内大大小小帆船赛如雨后春笋,不断在中国海岸线、内陆江河甚至高原湖泊升起偏偏靓丽的球帆。很多人对帆船的印象,可能还停留在唐诗“直挂云帆济沧海”的模糊飘渺,又或是生活中“一帆风顺”的美好祝愿。那么,帆船到底是怎么航行的?真的只是被风“推”着跑吗?顺风情况下就一定比逆风跑得快吗?还是另有玄机?下面,小编就带您一起解析现代帆船航行原理!

\

我们都知道帆船是靠风来做动力的,但事情并不是如此的简单的,人们通常认为帆船只能沿风吹动的方向移动,即顺风移动。其实不然,大家经常会看到,使用三角帆的现代帆船还能够迎着风移动(逆风行驶)。而且,熟知帆船运动的人会发现,帆船完全顺风反而不能获得最快的速度,这又是为什么呢?

\

实际上,空气(也就是风)作用于帆的力有两种形式:一种是动压力,即当空气流动的时候,对挡住去路的物体能产生冲击力。帆船顺风行驶时,就是靠空气的动压力推动前进的,这一点非常容易理解。另一种是静压力:当船帆的两侧空气流速不同的时候,就会产生压强差,为什么呢?

船帆的最先着风之帆缘称作前缘,它位于船只的前部.后部的船翼后缘称作帆的后缘。从前缘到帆的后缘的假想水平线称作弦。船帆的曲度称作吃水,并且从弦到最大吃水点的垂直距离称作弦深。充满空气以形成凹面弯曲的船帆的一面称作迎风面。向外吹以形成凸起形状的一面称作背风面。1738年,科学家丹尼尔•伯努利发现,气流速度与周围自由气流成比例增加,从而导致压力的降低,而这可令气流速度更快,这种情况在帆的背风面发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区域。在期间,在帆的迎风面发生相反的情况。随着更多的空气流过背风面,迎风面上流过帆的凸起面和自由气流之间的扩展空间的空气将减少。由于这些气流四散流动,所以其流速下降到比周围空气还低的速度,这导致压力增加。这就是著名的“流速增加、压强降低”伯努利效应。

\

由伯努利原理知道,当空气向一个方向流动时,它向侧面作用的力就要相对减小。也就是说气体流动速度越大的地方,动压力压强越大,而静压力压强越小。流速愈小的地方,动压力压强愈小而静压力压强愈大。这样气体流速小的地方对流速大的地方就会产生一个侧向的压力,这个力称为静压力。当迎风驶帆时,船正是在风的静压力推动下前进的。

帆所受静压力的产生,主要是帆具有像机翼一样的弧形。我们把帆的横截面和机翼的横截面对照一下,就可以看到它们的共同点。当气流通过帆或机翼时,由于机翼上面和帆的前面的气流要走更长的距离来和机翼下面和帆后面的气流相会合,因而就加快了流速,使帆的前面和后面及机翼的上面和底面的气流产生了不同的流速。流速慢处的压强比流速快处的静压强大,这个压强差使机翼产生了向上的升力,也使帆获得了向前的动力,在这里不妨也称它为“升力”。

\

这样,我们知道风帆压力是如何形成的,但这些压力是如何令船只前行的呢?

帆所受的静压力,并不能全部用来推动船前进,真正用来推动船前进的是沿船头方向的分力,这个向前的分力的值要小于使船横向移动的分力。同时,增加船帆作用以获得更多向前的驱动力还导致侧向力的更大的增加。因此,当风施加在侧面的力量达到最大时,船只是如何前行的呢?合力的方向与帆弦近乎垂直,当帆弦与船只的中线平行时,主要力量几乎完全施加在侧面。但是,如果船帆成一点儿角度,以便船帆产生的力量稍微向前,则船只本身会立即前行,这是为什么呢?

船的中线(即龙骨)作用于水的方式类似于船帆作用于风的方式。龙骨的水翼效应产生的力量与船帆倾斜力相反的力量,抵抗船帆产生的侧向分力,从而只保留船帆的前进分力。 它使船完全保持船帆形成的力量的方向,并且尽管风帆合力始终作用于迎风的那面,但正确的迎角将使船只前行。船帆的角度距离船体中线越远,着力点施加于正面相对于施加于侧面的数量越多。将正向力量的稍微调整与水相对于空气的反向力量结合起来,将使船只迎风前行,因为现在水流的阻力最小。

\

除了帆产生推力以外,还有一个重要因素就是船底的流线型,船浸入水中部分的横向截面积远大于纵向截面积,向前的推力虽然比横向力小,但船在水里前进时所受的阻力要比船横向移动所受的阻力小许多。所以,向前的推力推船前进效果就相当显著。

顺风行驶

帆船既可在动压力的推动下顺风行驶,也可在静压力推动下逆风行驶,但是太顺风也不是很好的,因为这时伯努利效应消失。船靠风对帆的动压力推动,而动压力的大小决定于风对帆的相对速度,相对速度越大,动压力就越大。然而船在动压力的推动下,前进速度逐渐增加,风与船相对速度就会减小,因而风对帆的动压力减小,船速会再度慢下来,同时会进入不稳定状态。所以动压力对帆船来讲,并不是持续高效的动力来源。在平常微风的时候,顺风航行的前进速度是最慢的,因为除了风的推力外,没有伯努利效应的助力;而在强风的时候,又容易因风的推力集中在左舷或右舷,而一直向另一舷转向。对小帆船的入门水手而言,顺风却是具有相当难度的,问题在于顺风时,风的来向和船平行,没有横向的压力作为平衡之用,很容易因为失去平衡而翻船。

\

横风行驶

横风行驶时,风从侧向来,被帆化作两股力量,一个是让船侧滑的力量,一个是让船前行的力量,而侧滑的力量则被"中央板(龙骨)"化作侧倒的力量,再由水手的重心调整相抵,只剩极少的侧移力量,而大部分的力量是使帆船向前行的力,这就是横风行驶,也叫侧风行驶。现在知道,帆船运动中压舷的意义和重要性了吧!

\
\

逆风行驶

如何更形象的理解帆船逆风行驶呢?我们先来做个小实验:以左手把直尺压在桌上,上面再放一把三角板,使三角板大直角边与直尺贴合,右手拿笔在三角板斜边从上往下方向推,那么三角板会往那边运动呢?

由实验可知,不论笔尖从那一方压到三角板的斜边上,三角板都依白箭头方向移动。当笔尖沿着v的方向压到三角板的斜边上时,由于三角板是光滑的,它受到的压力R是垂直于斜边(也就是与v的方向无关)。这个压力R可以分解为两个分力F1和F2,F1使三角板平行直尺移动(图中白箭矢的方向);F2使三角板压向直尺,而直尺有一反抗力P作用于三角板,把F2抵消,故三角板只能沿着F1的方向而移动。由此可见,笔尖从北向南压向三角板,但三角板却能向东北移动。同理,右侧图表示,帆船以一定角度迎风行驶时,帆所受的风力R,R可以分解为F1和F2两分力。F1就是帆船的前进力,而F2则使帆船横向移动,叫做横流力。由于龙骨帆船船底有一大片龙骨,龙骨受水的阻力为P,此阻力抵消横流力F2,使船身不致发生较大的横向移动,只能前进,这就是帆船逆风行驶比较直观的解释。当然,实际中的帆船并不仅仅是这么简单的受力分析,从流体力学的角度,帆船处于风、流、浪共同作用下的无动力漂浮运动状态,被认为是最复杂的物体受力和运动问题,上述提到的船帆受力,还涉及到空气动力学。现在你知道一个真正合格的帆船运动员,想要真正的利用自然条件,发挥爱船最优秀的性能,那还真的必须是要做到“上知天文,下知地理,中间还要懂物理”,如果出个国比个赛,还要掌握至少一门外语,怎一个“全才”了得!

\

航向限制,帆船可以向任何方向行驶吗?

上文提到,帆船可以在顺风、逆风、横风状态下行驶,那么有人不禁就会问,是不是只要有风,帆船就可以向任何一个方向行驶呢?答案是否定的,帆船的航向也不是完全没有限制,在正逆风左右各约45度角内(某些赛船能在迎风30度的情况下行驶),是无法产生有效益的前进力的,称之为无法航行区域,船驶入这个区域之后船帆会剧烈摆动,失去速度,慢慢停下来。在航行或比赛间隙,可以故意将船驶入这个无法航行区,使船停下来,在不降帆得情况下用餐或稍作休息。除了无法航行区域之外的其他区域,都是可以到达的。当然,无法航行区域是指不能直线到达,我们想要到达迎风方向的目的地,可以通过之字形前进,在经过一次或多次换舷之后到达的。

\