帆船、帆板运动的力学原理简介_趣味物理-查字典物理网

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。

2 帆船的航向限制和效益

图6

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。如图7所示。

3 帆船的控制和转向

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，帆船主要靠航。帆板则靠帆的位置和重力的中心的转变。如图9是帆船靠舵改变航向的原理示意图。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，除了航以外，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。

由上可见，驾驶帆船和帆板有一定的技术难度，但它能回馈给你的成就感与刺激感也高。只要你认真学习，积极操练，不久就可以体验御风而行的快感了。

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