帆船運(yùn)動學(xué)原理

帆船運(yùn)動學(xué)原理RevisedonNovember25,2020帆船、帆板運(yùn)動的力學(xué)原理簡介浙江省上虞市春暉中學(xué)陳炳龍帆船、帆板運(yùn)動是奧運(yùn)會的比賽項(xiàng)目，這項(xiàng)運(yùn)動被越來越多的人所喜愛。但要想學(xué)會駛帆，必須首先弄清它的力學(xué)原理。1帆船的動力來源一般人對于帆船往往認(rèn)為是被風(fēng)推著跑的。其實(shí)風(fēng)的動力以兩種形式作用于帆，如圖1、圖2所示，帆船的最大動力來源是所謂的“伯努利效應(yīng)”。我們知道，當(dāng)空氣流動得快的時(shí)候，在正面擋住它的物體就會受到空氣的沖擊，這種沖擊產(chǎn)生的壓力我們稱為動壓力。當(dāng)帆船如圖1所示順風(fēng)行駛時(shí)，就是空氣對帆的動壓力推動帆船前進(jìn)的。由“流速增加，壓強(qiáng)降低”的伯努利原理知道，當(dāng)空氣向一個(gè)方向流動時(shí)，它向側(cè)面作用的力就要相對減小。也就是說氣體流動速度越大的地方，動壓力壓強(qiáng)越大，而靜壓力壓強(qiáng)越小。流速愈小的地方，動壓力壓強(qiáng)愈小而靜壓力壓強(qiáng)愈大。這樣氣體流速小的地方對流速大的地方就會產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的壓力，這個(gè)力稱為靜壓力。當(dāng)迎風(fēng)駛帆時(shí)，如圖2所示，船正是在風(fēng)的靜壓力推動下前進(jìn)的。帆所受靜壓力的產(chǎn)生，主要是帆具有像機(jī)翼一樣的弧形。我們把帆的橫截面和機(jī)翼的橫截面對照一下，就可以看到它們的共同點(diǎn)。如圖3所示，當(dāng)氣流通過帆或機(jī)翼時(shí)，由于機(jī)翼上面和帆的前面的氣流要走更長的距離來和機(jī)翼下面和帆后面的氣流相會合，因而就加快了流速，使帆的前面和后面及機(jī)翼的上面和底面的氣流產(chǎn)生了不同的流速。流速慢處的壓強(qiáng)比流速快處的靜壓強(qiáng)大，這個(gè)壓強(qiáng)差使機(jī)翼產(chǎn)生了向上的升力，也使帆獲得了向前的動力，如圖4所示。在這里不妨也稱它為“升力”。下面我們來看帆上的靜壓力是如何推動船前進(jìn)的。如圖5所示，帆所受的靜壓力Ft，并不能全部用來推動船前進(jìn)，真正用來推動船前進(jìn)的是ft沿船頭方向的分力Fr，F(xiàn)r的值要小于使船橫向移動的分力fh。盡管橫向力較大，但在實(shí)際行駛時(shí)，很少看到船橫向移動。而船向前進(jìn)的速度卻相當(dāng)大，先進(jìn)的帆船和帆板，最快的時(shí)速，可達(dá)30至40km造成這樣的前進(jìn)速度，除了帆產(chǎn)生推力以外，還有一個(gè)重要因素就是船底的流線型，船浸入水中部分的橫向截面積遠(yuǎn)大于縱向截面積，推力Fr雖然比橫向力fh小，但船在水里前進(jìn)時(shí)所受的阻力要比船橫向移動所受的阻力小許多。所以，F(xiàn)r推船前進(jìn)效果就相當(dāng)顯著。2帆船的航向限制和效益帆船既可在動壓力的推動下順風(fēng)行駛，也可在靜壓力推動下逆風(fēng)行駛。但帆船的航向不是完全沒有限制，在正逆風(fēng)左右各約45度角內(nèi)，是無法產(chǎn)生有效的推進(jìn)力的，如圖6所示的A區(qū)。但是太順風(fēng)也不是很好的，因?yàn)檫@時(shí)伯努利效應(yīng)消失。船靠風(fēng)對帆的動壓力推動，而動壓力的大小決定于風(fēng)對帆的相對速度，相對速度越大，動壓力就越大。然而船在動壓力的推動下，前進(jìn)速度逐漸增加，風(fēng)與船相對速度就會減小，因而風(fēng)對帆的動壓力減小，船速會再度慢下來，同時(shí)會進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，如圖中C區(qū)。所以動壓力對帆船來講，并不是持續(xù)高效的動力來源。只有如圖中B區(qū)才是最好的航行方向，這時(shí)船航行方向與風(fēng)向成一定夾角，船在靜壓力推動下，能得到持續(xù)穩(wěn)定的推動力，使船獲得比較高的航行速度。若船要逆風(fēng)行駛，船的航行方向應(yīng)與風(fēng)向成一夾角，所以必須采取Z字型的路線。如圖7所示。3帆船的控制和轉(zhuǎn)向由于帆的受風(fēng)力的中心點(diǎn)與船體側(cè)面受水阻力的中心之間有一定的距離，fh這個(gè)力使船橫移雖不顯著，但使船向下風(fēng)傾斜的作用卻相當(dāng)顯著。如圖8所示，這就要運(yùn)動員隨時(shí)用自己的體重來調(diào)節(jié)船的重心，以保持船的平衡（常稱為“壓弦”）。由于風(fēng)力的大小隨時(shí)會變化，橫傾力的作用也隨之變化。所以壓弦是要隨時(shí)靈活變化的，這是運(yùn)動員的一種重要的操作技能。推力fr在推船前進(jìn)的同時(shí)，同樣有一種使船前傾的作用，雖要比橫向力fh使船致傾的作用小得多，但它同樣會使船失速，所以運(yùn)動員還要隨時(shí)注意可能出現(xiàn)的縱傾，設(shè)法通過壓弦來保持船的平衡。改變航向，帆船主要靠航。帆板則靠帆的位置和重力的中心的轉(zhuǎn)變。如圖9是帆船靠舵改變航向的原理示意圖。當(dāng)船在行駛時(shí)，水流給舵一個(gè)垂直航面的力F，F(xiàn)的一個(gè)分力F1能使船產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)分力F2阻擋船前進(jìn)。由于F2對船起阻力作用，所以轉(zhuǎn)向時(shí)舵角一'般不要推得太大。當(dāng)然，要完成轉(zhuǎn)向動作，除了航以外，還要和帆的位置，船員的移動相配合。帆板的轉(zhuǎn)向，當(dāng)運(yùn)動員把能活動的桅桿倒向下風(fēng)后方，板首就向迎風(fēng)轉(zhuǎn)，相反把桅桿倒向上風(fēng)前方，板首就離風(fēng)偏轉(zhuǎn)。通過桅桿的倒動，移動帆心，使帆板產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的力矩，從而促使其轉(zhuǎn)向。由上可見，駕駛帆船和帆板有一定的技術(shù)難度，但它能回饋給你的成就感與刺激感也高。只要你認(rèn)真學(xué)習(xí)，積極操練，不久就可以體驗(yàn)御風(fēng)而行的快感了。風(fēng)帆的的力學(xué)原理（物理）一般人對于帆船往往認(rèn)為是被風(fēng)推著跑的。其實(shí)風(fēng)的動力以兩種形式作用于帆，如圖我們知道，當(dāng)空氣流動得快的時(shí)候，在正面擋住它的物體就會受到空氣的沖擊，這種沖擊產(chǎn)生的壓力我們稱為動壓力。當(dāng)帆船如圖1所示順風(fēng)行駛時(shí)，就是空氣對帆的動壓力推動帆船前進(jìn)的。由“流速增加，壓強(qiáng)降低”的伯努利原理知道，當(dāng)空氣向一個(gè)方向流動時(shí)，它向側(cè)面作用的力就要相對減小。也就是說氣體流動速度越大的地方，動壓力壓強(qiáng)越大，而靜壓力壓強(qiáng)越小。流速愈小的地方，動壓力壓強(qiáng)愈小而靜壓力壓強(qiáng)愈大。這樣氣體流速小的地方對流速大的地方就會產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的壓力，這個(gè)力稱為靜壓力。當(dāng)迎風(fēng)駛帆時(shí)，船正是在風(fēng)的靜壓力推動下前進(jìn)的帆所受靜壓力的產(chǎn)生，主要是帆具有像機(jī)翼一樣的弧形。我們把帆的橫截面和機(jī)翼的橫截面對照一下，就可以看到它們的共同點(diǎn)。如圖3所示，當(dāng)氣流通過帆或機(jī)翼時(shí)，由于機(jī)翼上面和帆的前面的氣流要走更長的距離來和機(jī)翼下面和帆后面的氣流相會合，因而就加快了流速，使帆的前面和后面及機(jī)翼的上面和底面的氣流產(chǎn)生了不同的流速。流速慢處的壓強(qiáng)比流速快處的靜壓強(qiáng)大，這個(gè)壓強(qiáng)差使機(jī)翼產(chǎn)生了向上的升力，也使帆獲得了向前的動力，如圖4所示。在這里不妨也稱它為“升力”。帆船的運(yùn)動原理之角度風(fēng)向角：感覺風(fēng)與船體首尾線的帆角：帆弦線（通常指帆桿）與船體首尾線的夾角C，迎角：感覺風(fēng)與帆弦線的夾角帆船的運(yùn)動原理之浮升力4,帆船的運(yùn)動原理之浮升力浮升力A、帆船在順風(fēng)前進(jìn)時(shí)，帆船所受的動力原理一一降落傘效應(yīng)。順風(fēng)航時(shí)，移動的空氣分子被迫分開，向鄰近的氣流擠壓著吹過帆船。如圖示；當(dāng)前進(jìn)的氣流碰到帆時(shí)，前進(jìn)中的氣流因被帆兜住不被分開而一直推擠帆面使帆船順風(fēng)前進(jìn)。如圖示；當(dāng)前進(jìn)的氣流碰到帆時(shí)，前進(jìn)中的氣流因被帆兜住不被分開而一直椎擠帆面使帆船順風(fēng)前進(jìn)B當(dāng)帆船做迎風(fēng)航行時(shí)，其帆所受的作用力原理一一機(jī)翼原理，當(dāng)風(fēng)沿著機(jī)翼形成、、上下兩股風(fēng)流。流動距離增大造成上方風(fēng)流流速加快，形成一定的氣壓差，機(jī)翼下方風(fēng)流的浮升力將機(jī)翼向上托起帆船的運(yùn)動原理之抵抗力為了讓帆船前進(jìn)，就必須抵抗住風(fēng)往橫方向產(chǎn)生的力量。這種力就叫抵抗力，、它是依靠安裝在帆船底部的穩(wěn)向板和舵產(chǎn)生的。抵抗力會與風(fēng)的橫向壓力抵消掉一部分，但殘存的橫向壓力和帆板的前進(jìn)力形成一種合力，親推動帆船斜向前進(jìn)。帆船的運(yùn)動原理浮升力中心和水中抵抗4c、在航行中帆船向下風(fēng)推舵時(shí)：阻力中心位置就會向前移，于是浮升力作用線與阻力線之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩。那『么帆板的前進(jìn)方向便會如箭頭所示。船體會做迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)帆船教程帆船的運(yùn)動原理浮升力中心和水中抵抗2帆船的運(yùn)動原理浮升力中心和水中抵抗2A、當(dāng)帆船的尾舵與船體成條直線時(shí)：浮升力中心（效力中心）與水中抵抗力心（水中阻力中心）在一條直線上，帆船的扭轉(zhuǎn)力矩為0,