帆船的航行原理.pdfVIP

2008 年 8 月 20 日,奥运会帆板比赛在青岛分赛场举行,在女子帆板 RS-X 级决赛里,中国选手殷剑获得 冠军,为中国代表团夺得奥运会历史上第一枚帆船项目的金牌(图 1).奥运会帆船比赛在绕标航行阶段,要 经过逆风行驶阶段,帆船是依靠风力作为动力的,为什么可以逆风行驶呢?市春晖中学 陈炳龙 帆船、帆板运动是奥运会的比赛项目，这项运动被越来越多的人所喜爱。但要想学 会驶帆，必须首先弄清它的力学原理。 1 帆船的动力来源 一般人对于帆船往往认为是被风推着跑的。其实风的动力以两种形式作用于帆，如 图 1、图2 所示，帆船的最大动力来源是所谓的“伯努利效应”。 我们知道，当空气流动得快的时候，在正面挡住它的物体就会受到空气的冲击，这 种冲击产生的压力我们称为动压力。当帆船如图 1 所示顺风行驶时，就是空气对帆的动 压力推动帆船前进的。由“流速增加，压强降低”的伯努利原理知道，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，如图 2所示，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。如图 3 所示，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，如图 4 所示。在这里不妨也称它为“升力”。 下面我们来看帆上的静压力是如何推动船前进的。如图 5所示，帆所受的静压力 F ，并不能全部用来推动船前进，真正用来推动船前进的是 F 沿船头方向的分力 F ，F T T R R 的值要小于使船横向移动的分力 F 。尽管横向力较大，但在实际行驶时，很少看到船横 H 向移动。而船向前进的速度却相当大，先进的帆船和帆板，最快的时速，可达 30 至 40 km 造成这样的前进速度，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，推力 F 虽然比横向力 F 小，但船在水里 R H 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，FR 推船前进效果就相当显