比风速还要快的帆船,是如何做到逆风航行的?解析帆船原理

科普记 2023-11-04 16:22:41

浩瀚的汪洋大海中,一艘小小的帆船正在乘风破浪,每每看到这样的画面都会感到十分震撼。

如今的帆船,常常作为一种比赛项目。也就是依靠着自然风力作用于船帆的同时,由人操作着船只行驶。

那么它究竟是怎样做到在风浪中稳步前行的呢?

相信在大多数人的想法中,顺着风行驶是最便捷也是最正常的行驶方式。的确,风从后方吹来,可以很自然的推动着船只前行,要不怎么会有“一帆风顺”这个成语呢。

然而现实却是,顺风前行具有相当的难度。因为在顺风时,风的方向和船是平行的,这就导致了帆船失去了左右横向压力,船只很容易因失去左右平衡而翻船。

除此之外,如果仅仅是有微风的情况下,顺风航行的前进速度会很慢。因为微风的风力,根本无法将伯努利效应的助力应用在船帆上。但如果是强风的话,效果就不一样了。

2012年,“风帆火箭2号”超高速帆船,在46.3公里每小时的风速下,跑出了119.95公里的时速,比风速还要快2.5倍。而除了顺风行驶外,还有侧风和逆风两种行驶方式。

侧风行驶很好理解。风从侧面吹来时,会被船帆切分为两股力量,一股侧滑的力量,一股前行的力量。

其中,侧滑的力量会被中央板化为侧倒的力量。同时,再由水手调整船帆重心,使船体只剩下极少的侧倒力量。如此一来,大部分的力量就偏向了向前行。

说完了顺风和侧风行驶,那么帆船为何还能逆风行驶呢?

首先要更正一下,这里的逆风并不是直挺挺的冲着风航行。而是使船先侧风行驶,然后再将船的行驶方向与风向形成一个夹角,接着调整船帆。

此时的船帆会将风分解为两个力,同样两个力一个向前一个向侧。侧面的力与船体受到的水阻力相互抵消,于是就只剩下向前进的力了。

但就这样的角度行驶一段距离后,会稍稍偏离目的地。因此,在逆风行驶的过程中,必须采取Z字形的路线行走才能到达目的地。因此,逆风行驶也被称为“Z字形行船法”。

其实不论是顺风逆风还是侧风,对于帆船运动来说,水作为陆地、风就是动力。因此,在帆船比赛中,一般都会要求风力持续达到3米每秒以上才能开始比赛。并且当风力大于20米每秒,且能见度小于1500米时,则会考虑到安全因素而停止比赛。

值得一提是,在比赛中,为了进一步的增加抗横倾力矩和降低船的重心,运动员常常会将身体全部悬挂在船舷外。这种披波斩浪的精神展现了运动之美。

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