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帆船中的物理
物理学院07级
---- 李承珉
帆船的历史
帆船,。15世纪初期,中国明代郑和率领庞大船队7次出海,到达亚洲和非洲三十多个国家。
比赛用的一般是三角帆,,张有三角形帆,帆的面积约6m2,帆面在运动
员的操纵下,能根据风向在360度范围内转动。
运动员凭借自己的技巧,时速可达到40~50km。
F
俯视图
风
帆
这里是帆船的基本知识:
(1): 帆船是靠风力前进,但并不是简单的推着走,实际上它的最大动力来源是所谓”伯努利效应”。
正如图所示
(2) 为了最大限度的利用风力,应如何掌帆?答案是:使帆面保持竖直,且和风的方向垂直
(3) 很多时候,风是与帆成一定夹角,那这个时候的运动就是左边的分析图了
4)那图中的运动员的身体呈什么状态?为什么要向船舷外侧倾斜呢?
答案就在下面受力分析中
帆
F
G2
G1
F浮
船是如何前进的?
先来看看按牛顿受力分解得出的答案:
1)风的方向与前进方向一致
A
B
风
帆
俯视图:
v
风
F风
f
2)运动方向和风的方向成锐角
船是如何前进的?
1)风的方向与前进方向一致
俯视图:
v
帆
f1
F
B
A
风
F
F2
F1
f2
f1
俯视图:
v
风
帆
3)逆风前进
船是如何前进的?
B
A
风
俯视图:
v
风
帆
F
F1
F2
f1
f2
实践证明,帆船遇到逆风时,当帆面恰好在风向和船运
动方向所成夹角的平分线上时,行驶时获得的推力最大,仍可逆风行驶。
可是这些分析不免简单了些,在流体问题方面,我们不得不考虑“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。
那我们在看看逆风状态下的风帆
我们知道帆船是可以逆风行的,,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。
所以逆风时船走的是之字行