[轉載]風帆的藝術（一）

peterchiu60 2016-10-14

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1765年試航的第四代勝利號（今天保存于樸茨茅斯古代船務）在逆風航行（學名：“近迎風”航行）

看到這兩幅畫中戰(zhàn)艦翩然張開風帆穩(wěn)健行進的雄姿，博主我不禁暫時停下追憶19世紀舊事的腳步，細細品味畫中操帆行船的種種巧妙之處——畢竟已經寫了這么多回，還幾乎沒有講過風帆戰(zhàn)艦的帆。當然，作為一頭文藝的理科胖達，博主的這種品味還是充滿了姿勢，盡量通過圖片與形象描述讓它便于理解。

但凡描繪帆船的繪畫作品里，背景一般都是天光云影和船體下時而洶涌狂暴時而萬頃碧波的海面、航道，就像這兩幅畫一樣。但其實畫中除了船、天、海，還有一個無形的重要配角，那就是風。比如這兩幅畫，風向是怎樣的呢？不管船往那邊開，帆總是盡量迎風張開的，相信即使沒有出過洋，圖上那樣的帆也會讓人產生這樣的感覺。

沒錯，上面兩張圖里帆“打開”的角度給人感覺是不同，風仿佛就從帆的后面吹來。但這是無形的，有形的標志在所有的帆船畫里也都存在，那就是桅桿和船尾插的旗子。上面第一幅圖里，戰(zhàn)艦朝左行進，旗子也朝左，說明戰(zhàn)艦是順風航行；而第二幅圖里，戰(zhàn)艦朝畫面里左前方行進，但是旗子卻朝戰(zhàn)艦右后方飄著，說明戰(zhàn)艦在逆風航行。

寫到這里可能有的朋友就覺得納悶了，圖中這種帆能夠逆風航行么？這種帆都是迎風張開、被風兜起來，然后推著往前走的，怎們能逆風航行呢？

這種疑問很有道理。博主高中一年級和二年級的時候在物理和數學課上，學過“向量分解”和“相對運動”的知識，也許不少的朋友也都學過了吧。根據這些科學道理可以推論，戰(zhàn)艦上旗子瓢擺的方向，其實是風相對于船只航行方向的一種“表觀”體現(xiàn)，并不是真實的風向，18世紀后期的海軍軍官才開始隱約意識到這個問題。這下問題就復雜了，戰(zhàn)艦到底能不能逆風航行呢？還要從了解戰(zhàn)艦上的風帆開始。

如圖是一艘17世紀的英國三層甲板戰(zhàn)列艦（加冕號 HMS Coronation, 1685）。模型特意沒有掛帆，整個林林總總、迷宮般的繩索就是操作那些帆，讓戰(zhàn)艦能夠靈活順分和逆風行駛的必須設備，那這樣看來是可以告別本博客了——這至少200多個零件是不可能記得住的。

但這種充滿韻律感，具有平衡的、秩序美感的“桅桁帆索”（Rigging）是每艘戰(zhàn)艦不可缺少的核心部件、帆船推力的來源。不過好在這看似復雜的索具，原理非常簡單，跟幾千年前人類剛剛學會駕風使船的時候是一樣的，就像下面的古船模型：

這是一艘北歐帆船，只有一面帆，跟船體首尾方向大致垂直，可以順風航行。當然順風很少是從正后方來的風，學名“正尾風”（Following wind），一般會從左右側后方來。那么為了獲得最大推力，顯然這面帆需要能夠左右轉動、偏轉，保持時刻迎風張開。就像上圖那樣，如果左邊是船頭，那么風就是從右后方來，帆稍稍朝右舷偏轉。（實際上這是一艘雙頭船，前后都可以行進，不用轉彎）

還有另外一種風帆，比較類似今天的風帆賽艇運動，如下圖17世紀的瑞典仿荷蘭風格“游艇”（Yacht，當時就是小快艇的意思，國王金碧輝煌裝飾天鵝絨地毯的，也叫yacht，村頭二愣子家的擺渡船，破麻繩加破木板，也叫yacht）：

這種帆是大致沿著船體首尾方向張開的，除了順風航行，還可以逆風航行。比如風打北邊吹來，那船可以朝東北、西北方位航行，而且往往還可以朝更貼近風向的方向航行，比如正北方偏東30度、正北方偏西30度。

第一種帆顯然思路比較直接，所以人類早期的文明，比如古埃及時代，就開始采用了。這種稱為“橫帆”（Square sail），因為是“橫過來”，與首尾方向有很大角度的，適合簡單的順風航行。洋人思維比較線性，從古埃及到古希臘再到古羅馬再到歐洲中世紀，這面橫帆都是他們幾乎唯一的航行設備

如圖，一艘中世紀后期的歐洲帆船，至于是柯克船還是什么的胖達沒興趣糾纏概念，總之那3000年前古埃及壁畫上已經存在的橫帆仍然巍然屹立，對照1755到1860年的所謂“風帆戰(zhàn)艦”來看，后者也只不過掛了好幾層這種橫帆而已。

上圖，一艘英倫74炮戰(zhàn)列艦，巨大的三面橫帆，它們上下還各有處于折疊狀態(tài)、沒有打開的類似橫帆。

因此按道理講，這種以橫帆為主的笨重戰(zhàn)列艦是沒法逆風航行的。

第二種帆就更加構思機巧，可以逆風使船，這種帆最早是通過中亞的阿拉伯人等，從東方，即印度和南洋等地，逐漸“東法西漸”到西方的——不是因為東方人就是比西方人思維跳躍，實在是天氣條件的無奈。我國東南沿海直到南洋，都是季風氣候，風向非?；靵y多變；而西方文明則面對相對平靜的地中海和氣流規(guī)則的大西洋信風帶。所以東方帆船必須采用第二種帆，每當氣流突變，即使帆不能夠大角度張開、迎著風向，船只仍然能夠前進，甚至是逆風前進。

上圖，中國的蓬帆，大部分時間都是這樣縱向沿著首尾設置，用于適應多變的風向。

上圖，地中海各民族使用的大三角帆，也稱拉丁帆，都是基于阿拉伯人的三角帆而來的，顯然是類似于我國的蓬帆縱向前后設置的。

再加上前面歐洲的類似帆裝，這種沿著首尾縱向設置的帆就稱為“縱帆”（Fore & aft sail）。

橫帆只能順風航行，縱帆可以順風、逆風隨意航行，看上去，歐洲人要是放下他們的高傲自尊，把風帆戰(zhàn)艦都改成縱帆那不就更加如虎添翼了么？

其實橫帆、縱帆各有利弊。

橫帆雖然只能順風航行，但因為把大部分風都“兜起來”了，所以推力很強大。

16世紀直到17世紀早期的人們，憑感官覺得，帆被風吹成了弧形就是“兜住了風”，推力大，于是那時候油畫上常見上圖這樣的情景。后來到了17世紀后期才發(fā)現(xiàn)這是浪費風力，被“兜住”的風都化作了湍流（其實橫帆上被帆攔住的氣流總是最終化為渦流）。但不管怎樣，橫帆這種簡單直接的方式，推力很大。

相反，縱帆優(yōu)點就是靈活地逆風前進，如下圖10門小炮的武裝獨桅快艇（Cutter）逆風航行：

這道理就是跟飛機的機翼一樣，風從帆左右兩面流過，但是帆都朝下風一側鼓起來，就像上圖，于是帆兩面的風速不同，對帆產生的氣壓不同，就造成了一個橫向的推力（上圖，由畫面里朝外），其中有那么一點沿著首尾方向的，可作為推進力。所以縱帆船也不能完全逆風航行，只能在風向左右最小20度角的范圍內“逆風”航行，好讓縱帆上橫向的推力盡量用于推進。簡單地說，縱帆上的氣流大部分都順著帆面流走了，只有一小部分算是被“攔住”，產生了推進力。

所以縱帆逆風航行的代價是推力小。

所以風帆戰(zhàn)艦還是只能依靠橫帆——因為風帆戰(zhàn)艦太肥了，而肥是搭載火炮的需要。

這是一門18世紀的英國32磅炮（不是鴉片戰(zhàn)爭繳獲英夷的就是英國佬黑心買給天朝的陳年舊貨，鑒于這種重炮都在戰(zhàn)列艦上，被天朝繳獲的可能性基本為零，所以應該是中英奸商勾結所為。），可以看到那三米長的炮管。

鑄造火炮的模具就像在地上打一口井，往里面灌注銅水或鐵水。在16世紀，因為鑄造工藝落后，為了讓融化的銅水、鐵水倒進模具后，能夠靠自重把自己壓得更加結實、緊密，從而鑄造出更加堅固的炮身，當時火炮比上圖這炮還長，可達3米半以上，所以叫它們長炮（Culverin，國內通用音譯寇菲林，差評，讀到這幾個字的人，連這是炮的名字都瞧不出來）。這樣的炮，發(fā)射時后座還要至少一米半，結果戰(zhàn)艦兩舷配備這樣的炮，就要至少寬12米以上，這樣才能在中間留下人員來往和搬運物資的過道。

上圖，16世紀的艦載鍛造大鐵炮，可見整個裝置至少四米半。

前文說了，木船不可能造得太長，50來米已經是極限長度了，所以長寬比4:1不到的戰(zhàn)艦，真是肥碩得不行（今天戰(zhàn)艦一般在8:1以上，這樣不用功率超大的主機，也能開到30節(jié)以上航速，蘇聯(lián)二戰(zhàn)后的柴電潛艇，有達到12:1這樣細長的，因為常規(guī)動力潛艇推進功率更加可憐），必須橫帆順風才能把她們推動。任何長距離的航渡，比如跨越大西洋，靠橫帆順著信風前進都是少不了的，這樣才能達到比較高的航速，不然航行時間太長，根本到不了目的地，船上的人就因為沒有淡水和食物而死了。

但是戰(zhàn)艦還要戰(zhàn)斗。此時，哪怕對手逆風航行能力再糟爛，只要我方只有橫帆，無法逆風航行，對手就可以朝我方戰(zhàn)艦去不了的方位上轉向，從那里發(fā)起攻擊，令我方無法還手。

上圖，15世紀地中海排槳船（Galley，通譯“加萊”）大戰(zhàn)“卡拉克”（Carrack）船，也就是那時候的大型武裝商船，風帆戰(zhàn)列艦的前身?？梢娺h景，也就是上風處大量排槳船駛來，畫面左下大卡拉克被排槳船從四面包圍、攻擊。劃槳船不依賴風帆，所以可以隨意逆風行進，盡管200號人劃船的速度也不過是最高4、5節(jié)，但大卡拉克幾乎無法逆風航行，于是排槳船就得了便宜。

上圖，地中海排槳船，可見船頭盒子一樣的部分里面有大小三門船頭炮，后面船身里全是槳，上百號人凄慘地在被鞭子抽打著劃槳（僅限于疲勞了沒跟上整體節(jié)奏的時候）。航渡時可用前文介紹的大三角帆。排槳船可以逆風劃到卡拉克艦載大炮射界之外，用船頭炮轟擊對手。

所以以橫帆為主的風帆戰(zhàn)艦，還是需要幾面縱帆，擁有一定的、微弱的逆風航行能力，至少風帆戰(zhàn)艦相互格斗的時候，可以大大增強機動性。

弗蘭德斯大卡拉克戰(zhàn)船，約1560年代（弗蘭德斯大約是今天法國北部、比利時這塊地方），可見艉樓上的兩座小桅桿都掛了拉丁大三角帆。如此肥碩的身軀靠它倆應該是推不動，推力還是來自前面兩根桅桿上的橫帆。但是這兩面艉縱帆遠離船體重心，又產生的主要是側向的推力，所以它們的主要作用是幫助戰(zhàn)艦轉向——力臂很大的側推力，就是“空氣舵”。

18世紀上半葉，瑞典的64炮小型三等戰(zhàn)列艦，可見戰(zhàn)艦首尾都有三角形的縱帆（把橫帆轉過來“壓扁”到畫紙上，是歷來帆船設計是帆裝示意圖的慣例，今天還是如此）。縱帆在首尾，也是因為中間部分被橫帆給占滿了，縱帆也可以布置在橫帆之間，就是用得少，主要依靠戰(zhàn)艦首尾的縱帆，來作為“空氣舵”幫助戰(zhàn)艦轉向。如下圖，紅色標注橫帆，黃色縱帆。

即，沉重肥碩的戰(zhàn)艦必須依靠大量橫帆航渡，但作戰(zhàn)時如果有一些逆風航行能力，就能蓋過對手一頭。

可是以橫帆為主的戰(zhàn)艦，縱帆很少，推力微弱，主要用于幫助轉向。

要是能把橫帆當縱帆用，從而逆風行進，豈不美哉？——就像上圖這艘戰(zhàn)艦一樣。具體實現(xiàn)的辦法且看下回。