自然風(fēng)是為帆船提供動力的唯一來源，那么它們的航行速度怎么能比風(fēng)吹的還要快上很多倍呢?這看似違背直覺，但并不違反物理規(guī)律，不過其作用機理著實有些匪夷所思。風(fēng)帆火箭2號（Vestas Sailrocket Ⅱ）于2012年，在風(fēng)速約46公里每小時，也就是6級風(fēng)的海況下，航行出了創(chuàng)紀錄的125.95公里峰值時速，達到風(fēng)速的2.7倍，超過了很多摩托艇，但這仍不是終點。

事實上，我們多數(shù)人所熟知的古代傳統(tǒng)方形船帆是做不到這一點的，因為這種帆只有一種作用力，就是風(fēng)直接吹在帆面上形成的推力。而隨著船速的增加，帆與風(fēng)之間的速度差逐漸減少，推力也就越來越小，直至與航行中水的阻力相平衡，加速度變?yōu)榱氵M入勻速行駛狀態(tài)。在這種情況下，船速只能無限接近風(fēng)速，但永遠也超越不了；也做不到直接逆風(fēng)行駛，只能采用斜順風(fēng)方式，在大范圍內(nèi)用之字形路線緩慢迂回來實現(xiàn)逆風(fēng)前進。

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所以，若想要進一步提高航行速度和前進效率，就必須要尋找直接推力以外的其它更加強大的動力來源。這種力還真的存在，就在大自然中隱藏著，只是一直在等待著人們或被動的在偶然間、或主動的試驗研究去發(fā)現(xiàn)。

因為運動是物體之間的相對位置變化，所以飛機可以看作是被大風(fēng)吹上天的，但若從飛機的正下方以起飛速度的風(fēng)力垂直的直接向上吹，這種平均作用于整個機體上的推力很難將飛機吹上天，但若是平著吹卻能夠獲得穩(wěn)定而強大的升力。

這得益于上下不對稱的曲面機翼設(shè)計，機翼上方的氣流速度快、壓強小，下方速度慢、壓強大，壓力差形成了強大的上升力。這就像是用手拿著一張紙，它會自然的彎曲垂下，但若向上表面吹氣，紙就會飄起來；往兩個乒乓球中間吹氣也是一樣，球不但沒有分開得更遠，反而是貼得更近了。流體速度快的地方壓強就小，這就是源自機械能守恒的著名伯努利原理。

從下面這張水槽實驗的動圖中可以看到，上下表面的水流在水平位移上行進的時間差不多，但是曲面的路程距離更長，所以流速要比另一面更快。

上下表面對稱的翼型，若保持一個仰角，上表面的流速依然是更快的。

自然界中，很早就已經(jīng)發(fā)展出了利用這種物理規(guī)律的方式。

那么，既然這種方式能夠提供更大、更高效的作用力，沒理由不擴大它的應(yīng)用范圍。例如，將弧形機翼豎起來插在帆船上，然后側(cè)風(fēng)航行。

這樣，就將能夠使沉重龐大的飛機飛上天的巨大的垂直升力，轉(zhuǎn)換成了在水平方向上使帆船前進的動力。

此時，風(fēng)作用在船帆上的力分為兩部分，一是因曲面帆兩側(cè)氣流速度不同而形成的升力使船只前進，二是由于帆的凹面對風(fēng)形成的阻力而產(chǎn)生的側(cè)向推力（在逆風(fēng)帆位時，升力方向的改變會分解出更大的側(cè)向分力，見后文）。為了克服側(cè)向力，帆船的底部都有各式各樣的板狀龍骨，在水中快速航行時可以對橫向運動產(chǎn)生很大的阻力，從而阻止帆船在前進過程中的橫向移動。

在風(fēng)的側(cè)向力與龍骨產(chǎn)生的反作用力雙重作用下，帆船的穩(wěn)定性大為提高。

風(fēng)對帆產(chǎn)生的側(cè)向力也會使船嚴重側(cè)傾，所以我們經(jīng)常能看到輕型帆船在快速行駛的時候，很多船員們都坐在一側(cè)充當(dāng)人肉壓艙石來進行平衡。

但若風(fēng)力過大而帆位或航向調(diào)整不及時可能就壓不住了。。。

并且人肉壓艙石也不太好當(dāng)啊，壓著壓著可能就睡著了～～

現(xiàn)在我們清楚了，船帆設(shè)計成曲面而形成的側(cè)風(fēng)升力能夠使船更高效而穩(wěn)定的航行，但若物理規(guī)律僅止于此的話，帆船仍然是達不到數(shù)倍風(fēng)速的。

因為航行得越快，水對于船的前進阻力也會隨之快速增大，很快就又達到了平衡進入勻速行駛狀態(tài)。想要繼續(xù)加速，就需要更大的風(fēng)來產(chǎn)生更大的升力。就好比飛機在時速100公里的時候是飛不起來的，風(fēng)不夠大沒有足夠的升力，波音737得需要近300公里的時速才能起飛，但這么大的風(fēng)是由發(fā)動機創(chuàng)造出來的。

可是，對于帆船來說，更大的風(fēng)究竟要從哪里來呢？

自然就是如此的超乎想象，這種更大的風(fēng)源居然是由帆船自己創(chuàng)造出來的，然后供自己使用。。。

假若在一個西向微風(fēng)的天氣中，你走在路上能夠清晰的感覺到風(fēng)向和風(fēng)力，但你騎上自行車以時速20公里向北行駛，這時你感覺到的風(fēng)向和風(fēng)力就都發(fā)生了變化，風(fēng)力會略大于20公里，風(fēng)向是北偏西一點。

運動是相對的，你的運動速度發(fā)生了變化，感覺到的風(fēng)也就隨之產(chǎn)生了變化。自然的風(fēng)，也就是相對于陸地或海面的風(fēng)稱為“真風(fēng)”，你在運動狀態(tài)中感覺到的風(fēng)叫做“體感風(fēng)”或“視風(fēng)”，視風(fēng)的大小與方向是真風(fēng)和你運動速度產(chǎn)生的行進風(fēng)疊加的結(jié)果，三者是矢量關(guān)系。行進風(fēng)是假設(shè)周圍空氣靜止時，運動對象感受到的風(fēng)，與運動速度相同只是方向相反，在船上就叫做船風(fēng)。

視風(fēng)是由運動中的觀察者所真實經(jīng)歷的唯一的風(fēng)，如果隨身攜帶風(fēng)力儀器的話，記錄到的風(fēng)就是視風(fēng)。在運動狀態(tài)中，是不知道真風(fēng)大小和方向的，因為你只能感受到視風(fēng)，真風(fēng)只能根據(jù)記錄到的視風(fēng)和自己的運動數(shù)據(jù)通過計算得出。

由此，我們可以知道真實作用于船帆上的風(fēng)是視風(fēng)，在側(cè)真風(fēng)至逆真風(fēng)范圍內(nèi)航行時，視風(fēng)總是大于船速和真風(fēng)的（注意看矢量三角形中三條邊長的比例和角度）。

那么，這就帶來了一個相當(dāng)違背直覺的現(xiàn)象，只要船在真風(fēng)的作用下開始動了、有了初速，視風(fēng)風(fēng)速就增加了（大于真風(fēng)），作用于船帆上的升力也隨之增大；增大的升力進一步將船加速，船速的增加又使得視風(fēng)的風(fēng)速進一步增大，繼而升力繼續(xù)增大、船繼續(xù)加速。。。。。。

循環(huán)加速，匪夷所思！自力更生的典型。。。

這個循環(huán)可以無限進行下去、最終速度無極限嗎？感覺上好像是不可能，但在數(shù)學(xué)理論上來說的確是沒有限制的，一旦進入數(shù)學(xué)中的無限概念就令人感到恐懼與絕望，因為好像真的可以無限接近、無限大、無限小。。。

然而，真實世界中物理規(guī)律終歸無法超越，多個物理量是在同時發(fā)揮作用、相對變換、也在彼此限制的。對于帆船來說，視風(fēng)的速度雖然在不斷增加，但它的方向也是隨之在不斷變化的，逐漸向正逆風(fēng)方向接近。

在這個過程中，如果保持帆位不變，船帆對視風(fēng)的迎角將變小，空氣流過船帆凸面和凹面時的壓力差減小，升力也隨之變小，直至與水的阻力相平衡而勻速行駛。風(fēng)若是直接吹到了曲面船帆的凸面上，不但沒有升力了，還會把船吹得倒退。

所以，為了繼續(xù)獲得升力，就需要不斷的調(diào)整帆位。而帆位的調(diào)整將使升力的方向發(fā)生改變（升力垂直于風(fēng)向），但它可以分解出在航行方向上的分力，只是這個航向力將隨著視風(fēng)向正逆風(fēng)方向的不斷偏轉(zhuǎn)而逐漸減小趨于零，同時升力的側(cè)向分力逐漸增加，帆的凹面對風(fēng)的阻力也成為前進的阻力之一。在隨視風(fēng)不斷增大的加速過程中，航向力先是隨之增大，然后又逐漸減小，直至與總的前進阻力平衡而終止了加速，此時達到最大航速。

作用在帆船上的力詳解圖，可以簡單的理解為航向力、前進阻力和側(cè)向力就行。

實際上，在達到理想的最大航速之前，側(cè)向力已增長到難以抗衡，航向與姿態(tài)都會失控，很容易側(cè)傾翻船。下圖中這艘三體運動帆船，雖然三名船員已經(jīng)展平了身體來努力抗衡側(cè)傾，但他們那一側(cè)的船身還是升的比較高。通過前面的分析，我們已經(jīng)知道了船體的側(cè)傾，并不是因為真風(fēng)從橫向吹成這樣的，而是來自斜前方視風(fēng)形成的升力的側(cè)向分力造成的。

在現(xiàn)實的工程設(shè)計中，想要獲得更高航速的關(guān)鍵之處主要在于三點，一是盡量減小行駛阻力，二是能夠最大限度的以接近正逆風(fēng)的角度航行，三是克服側(cè)向力和側(cè)傾。所以，很多運動帆船都采用了水翼設(shè)計，就是像飛機那樣讓船在水中“飛”起來，減少船身的行駛阻力；為了克服側(cè)傾，多采用雙體、三體船身來加寬；海上的風(fēng)向在小角度內(nèi)并沒有那么穩(wěn)定，迎角過小時軟面的織物船帆很容易鼓不起來癟掉了，此時像機翼一樣的剛性帆體就成為首選。

為美洲杯設(shè)計的雙體輕型帆船能夠達到2倍真風(fēng)速，小小的兩片水翼就能讓它飛起來，巨大的主帆是硬質(zhì)剛性的，采用可操控的活動襟翼來改變帆面的曲度。

碧海藍天，御風(fēng)而行，美妙至極～～

但對駕駛技術(shù)的要求非常高。。。

單體帆船為了對抗側(cè)向力更是絞盡腦汁，例如這樣舉著一只腳跑的。。。

而純粹為打破速度紀錄而設(shè)計的風(fēng)帆火箭2號，舍棄了操控性將船帆設(shè)計成傾斜的以更好的平衡各種力之間的作用來穩(wěn)定航行姿態(tài)，空重也僅有275公斤。

就連團隊負責(zé)人兼駕駛員保羅的頭盔都是這樣的。。。

不過這是在風(fēng)帆火箭1號時戴的，當(dāng)時船體的氣動設(shè)計仍有不足，導(dǎo)致船飛了起來，好在保羅沒有受傷。

現(xiàn)代高性能帆船的設(shè)計理念，最初由美國物理學(xué)家伯納德·史密斯在1963年出版的《40節(jié)（74公里）帆船》一書中提出，這個概念遠遠超出他的時代。伯納德參與過火箭和導(dǎo)彈設(shè)計，業(yè)余時間對超級帆船的設(shè)計研究了很多年，詳細闡述了剛性船帆和水翼以及龍骨的運用，激發(fā)了很多設(shè)計師的熱情。但直到2007年，保羅的團隊才突破了40節(jié)的航速，當(dāng)他興奮的聯(lián)系伯納德告訴他的想法成為現(xiàn)實時，伯納德已經(jīng)97歲高齡了。

在空氣沒有被壓縮之前，速度仍然可以繼續(xù)提高，并且保羅也認為他們可以繼續(xù)創(chuàng)造紀錄。但是，水中的航行限制仍然非常大，船重、行駛阻力、側(cè)向力、側(cè)傾之間的問題很難平衡，海面上的波浪也導(dǎo)致了巨大的顛簸，穩(wěn)定性的降低使得進一步突破3倍風(fēng)速異常困難。

那么，把帆船安上輪子、在平坦的陸地上行駛?cè)绾危?/strong>