2020-06-26 17:54

​如何让帆船逆风航行?

#动画

这是你心爱的复古大帆船,在顺风时,风会吹着这面四角帆,推着你的船乘风破浪。但如果突然刮起逆风,此时要想前行,你就只能收起船帆,让同事们伸出长桨,唱着歌儿,奋力划动。



然而,旁边这艘嚣张的小帆船,却可以当着你的面逆风前进,速度甚至比风速还要快。


能逆风航行的帆船多采用三角帆,以这种今天比赛中常见的 470 级帆船为例。船体下方安装有舵叶,用于控制行船方向,以及稳流板,可以保证船只运行平衡,避免倾覆。船体上方则是帆。



其中,球帆一般藏在船头,顺风时打开,风吹着帆,带动船只同向运动。但今天是逆风,球帆并没有逑用。


此外,船上还有靠若干支索将桅杆竖直固定并升起表面积最大的主帆,底边由帆杆固定,并通过万向节与桅杆连接,能实现大角度转动。较小的前帆则被装配在前桅支索。主帆和前帆是帆船的主要动力来源。



了解完帆船结构,就可以下水了,在洋流和划行的帮助下,你的船走起来了。但问题是,我们该往哪个方向走?


直走正对逆风显然不太行,一般来说,正对逆风左右各 45° 是帆船的禁航区。驶入这个区域,你的船就会因为失去动力而停下。


但只要斜着走,始终与风的角度保持在 45°,船就可以跑起来。只需要在适当时机调整舵叶和帆,让船转弯,我们可以让帆船在逆风中之字形前进。



我们先来看一下帆的顶视图。它的左右两端分别是前缘和后缘,连接它们即可得到一根弦。弦和风之间的夹角称为攻角。


注意这个形状,会发现跟飞机机翼的断面很像。我们知道机翼上下曲面的弧度不同,会导致空气流经时在下方的压强大于上方,从而形成向上的升力,帆也一样。



升力可通过这个公式计算(L=1/2ρV² * A * Cl),其中,流体的密度、速度、帆的面积、升力系数越大,升力也越大。而升力系数又与攻角相关,在一定范围内,加大攻角也会增加升力系数进而增大升力。



好了,我们再分析一下帆的受力情况,它会在风的平行方向上受到阻力,垂直方向上受到升力,形成一个合力。


这个合力又可以分出与帆船航行方向平行和垂直的两个分力,前者能让船前进,而后者却会使帆船向一边倾倒 。



这个时候,船体下的稳流板就派上用场了。


稳流板形状狭长,可以像机翼、帆等翼型一样在水流的作用下产生升力。由于水的密度是空气的八百倍(气温 9℃),稳流板在水下只需要很小的攻角和面积便能获得较大升力和阻力,且方向与帆产生的力相反。



帆受到的空气动力和稳流板受到的水动力矢量迭加。横向力相互抵消,纵向力迭加成为帆船航行的推动力。借此,船就会被帆和稳流板上的力同时「挤」出去。


总结一下,攻角和风速主要影响了帆受到的升力;升力决定了船的加速度和速度。也就是说,如果我们想让帆船跑得更快,就需要调节攻角和风速。



攻角的调节取决于帆的角度。在帆船上,舵手通过舵柄辅助杆来掌舵同时控制主帆,缭手控制前帆和球帆。


而比调节攻角更复杂的是调节风速。你可能会问,海上的风,人能怎么调节?



事实上在航海中,我们把客观存在于自然界中的风称为真风,但它并不是帆船在行驶时唯一会遭遇的风。当船只行进、挤压周边空气时会受到反作用力,从而产生一股与船只行进方向相反,速率相等的阻力风。


而对真风与阻力风向量相加,我们可以得到视风。这是身为船员的你能感知到的风,也是最终让帆受力的风。



带着这些知识,我们现在再回到船上。假设真风与船速均为 5 节,它们之间的夹角为 45°,根据三角函数,我们可以得出此时视风的速率大约是 9.23 节,与船的角度是 22.5°。


它们的关系是:船速 = 风速 * (sin(β) * cot(α) - cos(β))



在这个公式中,sin(β)、cos(β) 均为常数,而 cot(α) 在 0° 到 90° 之间又是一个单调递减函数。因此,当你调节攻角从而增大帆受到的升力时,船速就会加快。


此时,视风速度变大,且与船只夹角缩小,从而进一步增大帆受到的升力。理论上当视风角度到达 17.1° 时,船速可以到达真风速的 1.59 倍。



目前帆船速度的世界纪录保持者是澳大利亚的保罗•拉森。在 500 米的距离中,他和帆船跑出了 2.6 倍的风速,达到了 121 千米/小时。


掌握这些技巧多加练习,你就能让船逆风前行。但也要小心,千万别让你的帆船翻船。

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