逆风行船的物理原理

龙源期刊网逆风行船的物理原理作者：孟海阳来源：《中国科技博览》2019年第03期[摘要]船只是人们日常生活中非常重要的交通、游览工具。人们常规的认识中，船只会顺风而行，对那些缺少生活经验的同学们来说，他们可能很难注意的船逆风航行的现象以及它的物理原理。逆风行船主要是船只的风帆在发挥作用，当然正顶着风的船只是无法前进的，在逆风条件下行驶，船只前进的方向与风向要成一夹角。这个现象中蕴含着非常丰富的物理知识，笔者展开高中生的角度来这类问题进行了探究，希望对深化这一问题的理解以及推进高中物理学科的学习有所帮助。[关键词]逆风；行船；物理原理；分析中图分类号：O313文献标识码：A文章编号：1009-914X（2019）03-0096-01理解船只的基本构造是探究逆风行船物理原理的前提。以帆船为例，船帆最先接触风的位置叫做前缘，后部船翼部分称作帆的后缘。从前缘到后缘存在一条假想的水平线，叫做‘弦’。船帆的曲度称作吃水，实际的行进中因为充满空气而凹陷的那一面叫做‘迎风面’，其背侧被称作‘背风面’。以上便是常见的帆船结构，能够正常下水的帆船都含有以上几部分内容。实际情境下，还需要考虑风和洋流对逆风行船的影响。综合考虑其影响因素才能够探究这一现象背后的本质。一、逆风行船涉及到的物理知识“伯努利效应”是逆风行船中运用到的主要物理知识，它是由科学家丹尼尔·伯努利于1738年提出的，又称为“边界层表层效应”：若流体的速度加快，那么物体与流体接触面上的压强就会变小，这一变化会产生强大的动力。这一效应适用于包括气体在内的所有流体，更是逆风行船涉及到的主要物理知识。[1]生活中常见的喷雾器、飞机机翼以及乒乓球等球类比赛中用到的上旋球都应用到了“伯努利效应”。二、逆风行船的动力好像船只一直是被风“推着”前进的，殊不知风作用于船只的形式主要有两种：首先船只的前进方向与风向保持一致，顺风状态下，风就会推动船只前进。这种行进方式是对风能的直接利用。其次帆与风的方向相逆或者相斜，成一夹角的状态下其行进最为稳定，这便是“伯努利效应”的利用。逆风状态下前进的船只，风会聚集在船帆的背面，从而扯起船帆。而迎风面上流过帆凸起面以及自由气流之间的空气就会减少，加之自由气流会四散流动，故而当其流速下降到低于空气流速的速度时，其压力就会增加。龙源期刊网三、船只逆风前行的受力分析以船只为例，它主要由船体以及风帆两部分组成，两者依靠桅杆连接，行船者桅杆便能够使船前进。海上的风或者波浪在气压以及温场等因素的影响之下，作用在帆上的是一个不确定的力，所以只有配合行船者的调整才能够使其顺利前进。船只的行进过程应当是一个无重力的漂浮状态，受到了海风、海浪以及洋流的共同作用。基于物理学的角度分析，这是最为复杂的受力分析模型。1、顺风状态下的船只受力分析由上图可得，该船只正在沿水平方向向右前行。设VT为实际状态下的真实风速，其与船只航行方向的夹角为α，α可以称为“真实风向角”。船只航行的速度为Vs，γ为船只纵轴线与航行方向的夹角。Va为船只上的运动员实际感受到的风速。β为船只航向与相对丰富的夹角，为了便于区分我们也将其称为相对风向角。[2]最后αw为相对风速与帆翼弦线的夹角，Φ为船只纵轴线与帆翼弦线的夹角。观察上图，我们可以得出以下等式：αw+γ+Φ=β。船只行进中空气对帆翼的绕流作用类似于机翼，垂直方向上的相对风速产生的升力为FL，其产生的阻力为FD，再者船只行进引起的水绕船体也会产生两个分力，即Fs和FR他们分别与船只前进的方向垂直和与船只前进的方向相反。参照受力分析的基本原则，我们可以得出F=FLsinβ-FDcosβ这个式子。若相对风向角大于90，那么船在顺风行使的状态下FD也会对船的行进产生推力，而当推力大于阻力时，船就会加速。若此时船只的方向发生改变，那么船只的升力以及阻力也会发生改变，此时船只的操作者（舵手）可以通过改变船只的相对风向角使其静推力达到最大值。2、逆风状态下的船只受力分析我们可以通过一个“手推三角板”的小实验，来探究逆风状态下船只的受力分析。首先让直接三角板的一条直角边贴近水平的桌面，用左手的两根手指把它夹住，使他不会倒下。之后用右手的一根手指，在三角板的斜边上施加一个向右下方的力。来观察三角板会向哪个方向移动，观察发现三角板在力的作用下最终会向左移动。这是因为在斜边平滑的前提下，施加的压力与垂直于斜边向下的压力几乎相同。设压力为F，我们可以把F分为水平向左的F1和垂直向下的F2，F1就是后来人为施加的压力，因其所受到的摩擦阻力较小，所以自然就会向左运动。逆风状态下前行的船只与这个实验所呈现出来的效果非常相似，逆风状态下，舵手要做的就是避免帆面直接与逆风接触。要顺势将船头和帆面拨到两个不同的方向上，它斜向吹到船帆的一侧。在这一状态下，风力Q可以分为垂直于帆面的Q1和沿着帆面向后的Q2，Q2即为船只前进的主要动力来源。[3]四、实现逆风行船的关键点龙源期刊网要想使船只在逆风状态下行进，船只所受到的合力的方向必须与帆弦垂直，如果中线与帆弦平行，这种力量主要被施加于侧面。而船帆如果能够成一角度，这时产生的力量就会变为推动船只前进的动力。这一现状与龙骨作用于水和船帆作用于风的方式有很大的关系，龙骨产生的力量会与船帆的倾斜力相反，这种相反的力量会将船只固定在船帆所形成的力量方向上。抛开风帆合力因素的影响，只要能够保持正确的迎角，船只将会在逆风的状态下前进。[4]古时候的船只的行驶完全是借由风力来完成的，但船只本身并没有什么动力，因此为了充分利用好风的作用力，一般会把船帆做的较为宽大，这样在风的作用下，船只在顺风情况下才能保持较快的航行速度。但是天气和风速是不可控因素，面对逆风的情况船只又该如何航行呢？船帆会根据风向和风速发生角度的变化，在逆风行驶时舵手通常会选择让船身稍微倾斜，呈“之”字形方向前进，这是因为船帆和船身形成一定的角度后，不受风作用的另一面船帆所承受的压力减小，而在逆风中船只正是靠着这种压力差来前行。这也就是古代船只在行驶一段距离之后需要调整船帆的角度，改变航向的原因，它走的其实是一种“迂回路线”，但在古代这种出行方式已经极大的方便的人与人之间的交流，更催生了一系列经济、文化活动。总结虽说船只逆风前行中涉及到了很多物理知识，但我们还是可以从最基础的物理原理出发去探究其中的原理。在帆船已经成为国际运动项目的今天，对其逆风行船中涉及到的物理知识进行研究，有助于指导运动员的训练以及船只的设计、改造。上文中笔者在前人研究的基础上对这类问题进行了总结分析，其中或许有表述不当之处，希望能够得到相关人士的指正，也希望能够一起交流生活中的物理，做到快乐学物理。参考文献[1]逆风行船[J].中国远洋航务，2011（10）：2.[2]孙晓东.逆风行船，如何获得最大动力？（高一、高二、高三）[J].数理天地（高中版），2003（05）：41.[3]丁祖荣，胡文蓉.帆船运动及受力分析[J].医用生物力学，2008，（03）：248-251.[4]张鹏，吴生跃.帆船行驶时的受力分析[J].雁北师院学报，1997，（02）：68-69.