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要了解龍骨帆船的航行原理，首先我們要認(rèn)識什么是帆船、什么是龍骨帆船。 龍骨帆船 帆船是指利用風(fēng)力前進(jìn)的船(一些帆船有機(jī)器作為輔助動力)，龍骨帆船指一切含龍骨部件的帆船。龍骨帆船有許多種，例如：
注：以上3幅圖選自RYA Competent Crew一書 現(xiàn)代帆船的龍骨置于船底，有不同的形狀，但功能都類似，主要功能是減少側(cè)移，維持航向，更可以降低因受風(fēng)傾斜而翻覆的幾率。關(guān)于龍骨很難有嚴(yán)格定義，普遍認(rèn)為現(xiàn)代龍骨一般不可以完全地被收入船體之內(nèi)。
為應(yīng)對沃爾沃環(huán)球帆船賽的復(fù)雜海況，Volvo 65型帆船的龍骨為可控?fù)u擺式龍骨 理解了龍骨帆船，接下來講解它的航行原理。對于初學(xué)者來說很容易誤解帆船航行的原理，一般人對于帆船往往會有一個錯誤觀念，以為帆船只能被風(fēng)推著跑。其實風(fēng)的動力以多種形式作用于帆，順風(fēng)航行和逆風(fēng)航行在原理上是完全不同的。 順風(fēng)航行 順風(fēng)航行是最簡單易懂的一種方式，任何一種形狀的帆都可以兜住風(fēng)并利用風(fēng)的力量使船順著風(fēng)前進(jìn)。當(dāng)一個物體被置于移動中的氣流中時，移動的空氣分子受迫不得已被分開并且被鄰近的氣流擠壓著吹過此物體。順風(fēng)航行其實就如同我們在強(qiáng)風(fēng)天氣張著傘，會被強(qiáng)風(fēng)吹在傘上所產(chǎn)生的強(qiáng)大力量拉著走，甚至連傘帶人離地吹起，順風(fēng)航行利用的就是這種降落傘效應(yīng)。一般而言增加帆面積可以讓船跑得更快，不過要與船體相匹配，否則順風(fēng)中失控時非常容易造成安全隱患。
如上圖，當(dāng)順風(fēng)航行時球帆很容易失控，船會被打偏，在龍骨的作用下球帆恢復(fù)正常后，船就容易回正。 迎風(fēng)航行 帆船可以順風(fēng)航行，此事不難理解，但是為什么能夠逆風(fēng)前進(jìn)，就有點難以想像。其實，帆船中所說的逆風(fēng)航行，并不是指船正對著風(fēng)行駛，而是船可以迎風(fēng)成一定角度行駛。當(dāng)你將船正對著來風(fēng)時，你就會發(fā)現(xiàn)帆像旗子一樣在風(fēng)中抖動卻不發(fā)生任何作用。但是此時如果你將帆收緊，并將船艏轉(zhuǎn)向迎風(fēng)大約30°-45°（不同的帆船可達(dá)到的迎風(fēng)角度有區(qū)別），將帆鼓滿風(fēng)的時候，船就可以迎著風(fēng)向前進(jìn)。所以當(dāng)帆船要逆風(fēng)行駛到某一目標(biāo)時，航行路線是Z字型的哦！
想要了解為什么帆船可以迎風(fēng)前進(jìn)的現(xiàn)象，首先我們要來學(xué)習(xí)下科學(xué)家伯努利的實驗發(fā)現(xiàn)。 伯努利效應(yīng) 十八世紀(jì)的瑞士科學(xué)家伯努利通過實驗發(fā)現(xiàn)：流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。伯努利效應(yīng)適用于包括氣體在內(nèi)的一切流體。 為了更好的理解，我們可以先以飛機(jī)機(jī)翼為例作說明?？諝庥錾蠙C(jī)翼阻隔時被迫分開從兩面通過，如下圖。通過機(jī)翼上方的氣流速度必須比能過機(jī)翼下方的氣流速度快，兩者才能及時在機(jī)翼尾端會合，機(jī)翼上方因而產(chǎn)生低壓，這使得飛機(jī)向上飛。
帆船能逆風(fēng)前進(jìn)與機(jī)翼同理，把機(jī)翼立起來就可以看到，因為帆不是一個硬繃繃的平面 ，在受風(fēng)時，它是三度空間形狀。這種弧形使得吹過帆下風(fēng)面的氣流與通過帆上風(fēng)面的氣流有壓強(qiáng)差，從而產(chǎn)生推力。
下面我們來分析下浮升力是如何推動船只前進(jìn)的（下圖），帆所受的浮升力并不能全部用來推動船前進(jìn)，真正用來推動船前進(jìn)的是其沿船頭的分力-前進(jìn)力，而前進(jìn)力的值是小于橫向力的。盡管橫向力較大，但是實際行駛過程中，很少看到船橫向移動，有一個重要的因素就是船底龍骨和它的流線型所起到的作用。
船浸入水中部分的橫向截面積遠(yuǎn)大于縱向截面積，向前力雖然比橫向力小，但船在水里前進(jìn)時所受的阻力要比船橫向移動所受的阻力小很多，所以前進(jìn)力推船前進(jìn)的效果相當(dāng)顯著。另一方面，側(cè)向力同時也產(chǎn)生使船身傾斜的力量，但是這種力量可以由船上人員的體重或船底的壓鉛平衡。這就要求船員隨時用自己的體重來調(diào)節(jié)船的重心（常稱為壓弦）。由于風(fēng)力的大小隨時會變化，側(cè)向力的作用也隨之變化，所以壓舷是要隨時靈活變化的。 帆船的航向限制 雖然上面講到了帆船既能順風(fēng)行駛又能逆風(fēng)行駛，但是帆船的航向不是完全沒有限制，一般情況下在正逆風(fēng)左右各約45°角內(nèi)（圖A區(qū)域）帆無法張滿，帆面無法產(chǎn)生浮升力，船只無法前進(jìn)，這個區(qū)域我們稱為無法航行區(qū)（No go Zone）。不過現(xiàn)代帆船的技術(shù)讓某些類型的帆船可以在30°角內(nèi)也能順利航行。
但是太順風(fēng)也不是很好，如E區(qū)，這時伯努得效應(yīng)完全消失，同時這種航行狀態(tài)也會比較危險。所以對于帆船來講，B/C/D區(qū)域才是能讓帆船安全航行的方向，特別是D區(qū)，這時船航行方向同風(fēng)向成一定夾角，船可以獲得比較高的航行速度，但也可能意味著要走較遠(yuǎn)路程。 當(dāng)帆船進(jìn)到E區(qū)時，使用繩索做成的防護(hù)裝置(Preventer)可以防止超強(qiáng)陣風(fēng)或舵手失誤狀態(tài)下，橫桿突然失控，減少危險。
從帆制造品牌North Sail的順風(fēng)效果圖來看，當(dāng)順風(fēng)航行時，三類不同類型的帆，每類帆能夠在不同的風(fēng)力和角度下達(dá)到不同的速度。在不同的風(fēng)速下達(dá)到最佳船速的相對向的風(fēng)向角是不同的，相對風(fēng)向夾角在90°-150°之間時速度最快，但走的路徑也可能會長。（點擊可查看大圖）
備注：AWA=Apprarent Wind Angle 風(fēng)向角度；TWS=True Wind Speed 真風(fēng)速度；A=Asymmetrical spinnaker不對稱球帆 ; S=Spinnaker 球帆（此處為對稱球帆）; G=Genoa大型前帆 以上是帆船基本航行原理的一部分，理論知識會比較難消化，但是如果你能夠結(jié)合帆船實練，再回頭看就會恍然大悟啦！ 賽領(lǐng)整理，感謝國家體育總局青島航校副校長曲春、升洋設(shè)備和澳洲船只技術(shù)師周愷杰對本文部分內(nèi)容的貢獻(xiàn)，轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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