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帆船、帆板运动的力学原理简介
帆船、帆板运动的力学原理简介
2007-8-7 10:40 【大 中 小】 【我要纠错】
浙江省上虞市春晖中学 陈炳龙
帆船、帆板运动是奥运会的比赛项目，这项运动被越来越多
的人所喜爱。 但要想学会驶帆， 必须首先弄清它的力学原理。
1 帆船的动力来源
一般人对于帆船往往认为是被风推着跑的。其实风的动力以
两种形式作用于帆，如图 1、图 2 所示，帆船的最大动力来
源是所谓的“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。
2 帆船的航向限制和效益
图6
帆船既可在动压力的推动下顺风行驶，也可在静压力推动下
逆风行驶。但帆船的航向不是完全没有限制，在正逆风左右
各约 45 度角内，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