
一般来说,船顺风才能航行,但在奥运会比赛中,航向常常要经历360度的变化,这就需要选手们能逆风行使。 这是如何实现的呢?有关专家解释说,如果将手中的拖把垂直对着地板,拖把无法推进,但倾斜一个角度,拖把就能向前移动了。在桌面上紧贴着直尺放一块三角板,施加在斜边上的力会把三角板沿直尺方向“挤”跑。帆船在水中能逆风行驶,就是帆和风的方向形成45度左右的夹角,风的压力作用在船帆上,便能产生向前推动的分力。最根本还在于帆的改变。 公元9世纪,阿拉伯人发明了三角帆,船帆不再是装风的口袋,而成了飞翔的翅膀。三角帆酷似一个竖直而立的机翼,风在帆的前缘被劈开,再流到后缘去会合。由于帆的迎风面凹陷,背风面凸起,形成了一定的曲度,致使空气在背风面的流速大于迎风面的流速而形成低压区。这时,船帆从海平面静止气压中获得巨大的空气动力,成为帆船前进的引擎。奥帆赛规定,帆船逆风行驶时,必须通过不断地转舵换舷,沿着之字形路线航行。专家指出,逆风航行段是选手最容易拉开距离的赛程。
最开始时,只有在顺风情况下才可以用帆捕捉风,风力推动帆船前进;发展到到后来出现了横帆,三角帆,纵帆,使帆船在顺风,横风,逆风情况时都能行驶。帆船在没有风的情况下,人们会借助桨、橹来划船,这是一项很辛苦的工作,另外用船舵来改变其方向,船航行的速度都很慢。
帆船逆风前进是走之字路的,风向与船的行驶方向有大于零的夹角.将风吹向帆的垂直于帆的分力又分解为两个分力,沿船行驶方向的分力F1和垂直于船行驶方向的分力F2,由于垂直于船的行驶方向水的阻力f2很大(船的形状、斯托克斯原理),F2与f2平衡,使船不会打横.行驶方向水的阻力则很小,F1略大于f1,至少等于f1,则船在这个方向就加速或者匀速前进.当然为了不偏离目标太远,到了一定的时刻,要改变航向,使风从另一个侧面吹来,原理同上.所以要走之字路才能利用逆风,又不偏离方向.现在的帆板运动员照样要利用这个原理来比赛
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,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,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”。
下面我们来看帆上的静压力是如何推动船前进的。帆所受的静压力FT,并不能全部用来推动船前进,真正用来推动船前进的是FT沿船头方向的分力FR,FR的值要小于使船横向移动的分力FH。尽管横向力较大,但在实际行驶时,很少看到船横向移动。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FR虽然比横向力FH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,FR推船前进效果就相当显著。
航向限制和效益
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。但帆船的航向不是完全没有限制,在正逆风左右各约45度角内,是无法产生有效的推进力的,如图6所示的A区。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,如图中C区。所以动压力对帆船来讲,并不是持续高效的动力来源。只有如图中B区才是最好的航行方向,这时船航行方向与风向成一定夹角,船在静压力推动下,能得到持续稳定的推动力,使船获得比较高的航行速度。 若船要逆风行驶,船的航行方向应与风向成一夹角,所以必须采取Z字型的路线。
控制和转向
由于帆的受风力的中心点与船体侧面受水阻力的中心之间有一定的距离,FH这个力使船横移虽不显著,但使船向下风倾斜的作用却相当显著。如图8所示,这就要运动员随时用自己的体重来调节船的重心,以保持船的平衡(常称为“压弦”)。
由于风力的大小随时会变化,横倾力的作用也随之变化。所以压弦是要随时灵活变化的,这是运动员的一种重要的操作技能。
推力FR在推船前进的同时,同样有一种使船前倾的作用,虽要比横向力FH使船致倾的作用小得多,但它同样会使船失速,所以运动员还要随时注意可能出现的纵倾,设法通过压弦来保持船的平衡。
改变航向,帆船主要靠舵。帆板则靠帆的位置和重力的中心的转变。当船在行驶时,水流给舵一个垂直航面的力F,F的一个分力F1能使船产生旋转,另一个分力F2阻挡船前进。由于F2对船起阻力作用,所以转向时舵角一般不要推得太大。当然,要完成转向动作,除了舵以外,还要和帆的位置,船员的移动相配合。
帆板的转向,当运动员把能活动的桅杆倒向下风后方,板首就向迎风转,相反把桅杆倒向上风前方,板首就离风偏转。通过桅杆的倒动,移动帆心,使帆板产生了旋转的力矩,从而促使其转向。
帆船本身没有动力,靠风力鼓动船帆航行。因此,相对船身而言,帆通常做得 很宽大,从而能充分利用风力。
帆船顺风航行时速度相当快,可是,它遇到顶风时, 如何航行呢?
挂在桅杆上的风帆可以根据风向随时改变角度。
帆船逆风行驶时,常 常侧转船身,使帆与船身形成一定的角度,帆的一面鼓满风,另一面所受的压力较 小。船体利用这种压力差前进。这样前进时,船的行进方向与目的地方向有偏差, 因此,帆船航行一段时间后,需要通过调整帆的方向,来改变航向,从而呈“之” 字形前进。
风帆良好,舵机良好,水域宽广无障碍,
帆船逆风前行时,其物理原理基于牛顿第三定律和气流相互作用的基本原理。当帆船的帆收到逆风的冲击时,帆布会向风的方向偏转,这会形成一个对船体向前推进的力,我们称之为“侧推力”。因为逆风的存在,侧推力并不是朝着船的正方向,而是在一个侧向方向上,这就需要帆船通过一定的技巧来利用这个力量来达到逆风前行的目的。
帆船克服逆风前行的基本原理是通过利用逆风和帆布之间的相互作用力,使船体向前推进。在逆风的情况下,帆船需要将帆布调整到一定的角度,使得逆风不是直接冲击帆布,而是在帆布的两侧形成一个气流,这个气流会形成一个低压区,从而在帆布的反面形成一个高压区,这个高压区会产生一个朝着帆船正前方的力,也就是推进力,这个推进力越大,帆船前进的速度就越快。同时,舵手还需要不断调整舵的方向和帆布的角度,以保证帆船能够保持一个稳定的方向和速度。
因此,帆船逆风前行的物理原理是利用逆风和帆布之间的相互作用力产生推进力,通过调整帆布和舵的方向和角度来控制帆船的前进方向和速度。
帆船可以逆风行驶,这是通过利用帆的反向拉力来推动帆船前进的。当风向逆向时,帆船需要利用侧风来制造推动力,此时帆的位置必须调整到侧方,以便利用风力对帆的反向拉力进行推动。帆船的原理是利用风的动能,从而产生动力,这也是帆船能够逆风行驶的根本原因。具体来说,当风从侧方吹来时,帆船的船帆通过与风的形成一个角度,将风的力量转化为水的力量,从而抵消了水的阻力,使帆船能够向着风的方向行驶,这就是帆船逆风行驶的原理。除此之外,帆船的行驶还与帆船的设计有关,如帆船的舵轮,舵柄等都能影响它的性能。帆船有着多样化的航线计划和调整,可以选择出合适的路线,以适应不同的风向和海况。
逆风时,把船的移动调整到向左前方或又前方,同时调整帆的方向,使原来逆风的帆可以受风推动船向左前或右前移动,前进一段时间后,再把方向改向另一边,(原来向左的就向右),这样逆风时帆船就可以沿Z字形路线前进了
伯努力原理。和飞机机翼产生升力的原理一致。所以帆船逆风是不能走直线的。只能在逆风的风向里走Z字航线。靠调整帆的角度,取得风在帆上向逆风风向产生的分力。
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