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[size=2][font=Times New Roman][摘要]帆船顺风航行并不能获得最快的速度。迎风航行时获得静压力,速度反倒更快。
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[size=2][font=Times New Roman]帆船比赛是一项既好看,又具有挑战性的项目,用浮标在海面围出一块多边形水域,参赛帆船绕标航行,海面的风力、风向复杂多变,这就要求选手们“见风使舵”,拿出各自的看家本领、迎接挑战。
俗话说,“外行人看热闹,内行人看门道”,一般人认为,帆船是被风推着跑的,顺风航行能让船获得最快的速度。事实果真如此吗?其实,帆船完全顺风反而不能获得最佳速度。这是什么原因呢?让我们从空气动力学来分析一下吧。
实际上,空气作用于帆的力有两种形式:一种是动压力,即当空气流动的时候,对挡住去路的物体能产生冲击力。帆船顺风行驶时,就是靠空气的动压力推动前进的,这一点非常容易理解。另一种是静压力:当船帆的两侧空气流速不同的时候,就会产生压强差。为什么呢?
这要利用到流体力学中的“伯努利原理”。该原理揭示,气体流动速度越大的地方,静压力越小;流速愈小的地方,静压力愈大(例如用纸折一个小纸桥,往桥洞里吹气,桥面下弯,而不是上鼓)。这样气体流速小的一侧对流速大的一侧产生一个侧向的压力,这个力就是静压力。当帆船迎风航行时,正是在这个静压力的推动下前进的。
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[size=2][font=Times New Roman]船帆之所以能够产生静压力,是因为帆具有像机翼一样的弧形。由于机翼和帆的两侧形状不同,当气流流过机翼或帆时,机翼的上面和帆的突出一侧的气流流速要快,另一侧气流流速慢。流速慢处的压强比流速快处的压强大,正是这个压强差使机翼产生了向上的升力,也使帆船获得了向前的动力。
当保持船头与海风的方向呈30-40度角时,推动效率最高。在2000年8月,法国人设计的“Hydroptere”号帆船在风速只有15节的情况下,速度却达到了35节(略低于70公里时速)。这一点是不是非常反直觉?但这就是客观事实。
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