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。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,在这里不妨也称它为“升力”。
这样,我们知道风帆压力是如何形成的,但这些压力是如何令船只迎风前行的呢?
帆所受的静压力,并不能全部用来推动船前进,真正用来推动船前进的是沿船头方向的分力,这个向前的分力的值要小于使船横向移动的分力。同时,增加船帆作用以获得更多向前的驱动力还导致侧向力的更大的增加。因此,当风施加在侧面的力量达到最大时,船只是如何前行的呢?合力的方向与帆弦近乎垂直,当帆弦与船只的中线平行时,主要力量几乎完全施加在侧面。但是,如果船帆成一点儿角度,以便船帆产生的力量稍微向前,则船只本身会立即前行,这是为什么呢?
开始受力分析之前,先大致讲一下思路,由于帆船的各部分受力是有先后顺序的,顺序如下:(帆受力V偏航V合V水流龙骨受力帆船逆风航行)
上图中,红色代表帆面所受的力,前面已经说过,帆面的受力可以直接等同于机翼,因此帆面受到了升力,阻力。这两者的合力是F帆合力。
由于龙骨的反应比较慢,所以先不考虑水下龙骨,在F合力的作用下,帆船会在F合力的方向产生一个偏移速度V偏移(已用蓝色箭头标出)。初始船速V船和V偏航的合速度,就是帆船的航行方向V合。
而在水面下的龙骨,则会有一个与V合方向相反的水流速度V水流。然后,同样的情况又发生了,由于龙骨的弦和V水流之间也形成了一个攻角,所以龙骨会受到F龙骨升力和F龙骨阻力两个力,他们的合力为F龙骨合力。
最后,因为F龙骨合力与F帆合力,是帆船上唯一的两个力,假设他们的受力点位于同一直线,那么他们的合力方向,既是帆船最后的航行方向,这也和初始速度V船重合。(注:其实帆船的舵也会受到和龙骨一样的力,但这里为了简化分析,所以忽略不计了~)
我们了解了帆船可以迎风航行,但是我们怎么迎风达到目的地呢。帆船中所说的迎风航行,并不是指船正对着风行驶,而是船可以迎风成一定角 度行驶。当你将船正对着来风时,你就会发现帆像旗子一样在风中抖动却不发生任何作用。但是此时如果你将帆收紧,并将船艏转向迎风大约35°-45°(不同 的帆船可达到的迎风角度有区别),将帆鼓满风的时候,船就可以迎着风向前进。所以当帆船要逆风行驶到某一目标时,航行路线是Z字型的。
想更深入的了解还是上船出海体验吧。