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科普篇帆船为什么可以迎风航行 [复制链接]

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帆船可以迎风,不可以逆风

人们常说“一路顺风”,那么船只就不能逆风航行了吗?在机动船只发明前,人类只能通过帆来航行。但是,走的时候是顺风,回来不就是逆风了吗?要是想等风向改变,就会处于一个被动的状态。因此,人类发明了可以迎风航行的帆船,也因此人类从农耕社会迈入了航海时代。此文将解释为什么帆船可以迎着风航行。

首先,我们需要先了解“伯努利原理”P为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。丹尼尔·伯努利(DanielBernoulli)(年2月8日—年3月17日),出生于荷兰格罗宁根,瑞士数学家、物理学家。丹尼尔·伯努利的研究的工作几乎对当时的数学和物理学的研究前沿的问题都有所涉及,特别是他的数学到力学的应用,尤其是流体力学和他在概率和数理统计领域做的先驱工作P为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。这一公式在其他领域也非常常见,如飞机的机翼,赛车后面的尾翼。那么这是什么原理呢?如上图,当风经过机翼时,由于上方的弧度要大,风要走更多的路程以到达终点,而上下风是同时到达的,即时间相同。小学生都知道的公式d=vt就可以得出机翼上方的风速比下方的快。回到伯努利的公式,流体的密度和速度是成反比的。因此,上方所受到的气压是小于下方气流所受气压的。这样一来,机翼便有了一个向上的升力。跑车后面的尾翼也是如此,首先,跑车的形状是流线型的,上方的风速会比下方的快,车跑着跑着就飞起来了。而赛车要的是什么?抓地性啊!于是赛车后面的尾翼通过同样的原理把车压低了。在美洲杯中,船所用的“水翼”让船基本上不碰水,最大化的降低了水对船的影响。这个水翼就像水中的机翼一样,运用的是同样的伯努利原理。

同理,船上的帆不就是竖起来的机翼嘛。迎风时,当风经过帆,下风的帆会鼓起来,风会走更多的距离,更快的速度。帆就有了一个向前的升力。

如果你想亲自体验一下这个原理,拿两张纸,朝中间吹起,你会发现他们不但没被吹开,反而还互相靠拢。然而,光是风带帆,帆带船还是不够的。特别是在大型的帆船上,风速一旦大起来,帆船就有很大几率变成“翻船”。因此,龙骨的存在是必不可少的。龙骨会将帆船向另一边拉,让船的航道基本是船头所指向的方向。是风所带来的升力和向向相反方向的来自龙骨的里所产生的合力,带动了帆船并让它走在了直线上。要注意,上图的矢量是力,而不是速度。这很重要,一是阻力会随着船速的增加而增加,当它与前进的速度相等时,只意味着船不能再加速了,这就是最大速度。此外,这些力相对独立于速度。风力确实随着风速的增加而增加,但是前进的速度可能会超过导致船移动的风速。

文字|AndyGong

排版|AndyGong

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