三桅帆船- 维基百科,自由的百科全书
帆船逆风而行所靠的最主要动力是吸力。
根据空气动力学原理,流体速度增加,压力就会减低。空气要绕过向外弯曲的帆面,必须加快速度,于是压力减小,产生吸力,把船帆扯向一边。船帆背风一面因压力降低而产生的吸力相当大,可比迎风一面把帆推动的力量大1倍。
风在帆两侧产生的吸力和推力,使船侧向行驶;但中插板阻止船侧向行驶,于是,风力分解为两个分力,一个分力推动帆船向前行驶,另一个分力则使船向背风一面倾侧,要由帆舵手在船的另一边探身出外,保持平衡。
帆船不能完全正面顶着风航行。一艘长12米的帆船可与风向成12-15度的夹角逆风行驶。如果要正面迎着风的方向前进,必须以“之”字形路线航行。逆风行驶时,船与风向的夹角越小,速度越慢。舵手若以角度较大的“之”字形路线航行,船速会加快,不过航程会更长。
帆船航行的原理
圖(一) | 帆船的動力來源﹕ 一般人對於帆船往往會有一個錯誤觀念,以為帆船是被風推著跑的。 其實帆船的最大動力來源是所謂的---『白努利效應』,也就是說當空氣流經一類似機翼的弧面時,會產生一向前向上的吸引力,如圖(一)﹑(二)。 也因此,帆船才有可能朝某角度的逆風方向前進。 而正順風航行時,白努利效應消失,船隻反而不能達到最高速。 |
圖(二) |
圖(四) | 帆船的航向限制與效益﹕ 但帆船的航向也不是完全沒有限制,在正逆風左右各約45度角內,是無法產生有效益的前進力的,如圖A區。 但是太順風也不是很好的,這時白努利效應消失,船速在再度慢下來,同時也進入不穩定狀態,如圖C區。 只有B區才是最好的航行方向。 |
圖(五) | 而有逆風航行能力的船,若要往逆風方向前進,必須採取Z字形的路線才能到達目的地,如圖(五)。 |
圖(六):橫帆船隻 |
所以,不能張成有效弧形的帆,是沒有逆風航行能力的,如圖(六)。
這些船隻航行於大海上,往往要靠依照季節改變方向的貿易風,才能有去有回。 |
圖(七):縱帆船隻
風浪板(windsurfing)最早的概念,來自1962年兩位航空學(aeronautic)工程師—吉姆德瑞克(jim drake)與佛瑞德潘恩(fred payne)----之間的一段閒聊。兩人平日就喜歡衝浪、滑雪等運動,由於在玻多馬河(potomac)畔租了間小屋,這兩個精通航空動力學以及空氣動力學的工程師開始構思用(風箏)來驅動的滑水橇(kite-powered water ski)以及用風箏驅動的衝浪板(kite powered surfboard),以便休假期間可以拿來航行玻多馬河。然而由於當年製造風箏的技術還未像今天這樣成熟,因此構想終究只停留在構想。
除了這兩位航空工程師,六0年代的頭五年,另外兩個人做的事情,為風浪板運動的發展使做了些前置功課。當時年僅12歲的英國小朋友彼得其費斯(peter chilvers)隨家人去海靈島(hayling island)渡假期間突發奇想,拿了一塊木質門板,在門板上的洞裡插一枝桿子,又拿一塊帆布擊在桿子上作為船帆,然後把這艘(帆船不像帆船)的東西推下水,自己踩在那塊門板上遊河。1965年左右,住在美國中西部的紐曼達比(newman darby)仿照彼得其費斯小弟的方法,做了一枝特大號風箏,將中央骨架插到沖浪板中央當成(桅桿mast),變成一艘單人操作、竹筏不像竹筏、帆船不像帆船的玩具。同時為了讓帆能夠順應風力調整帆面吃風的角度,又自行研發出一種(萬向接頭universal joint),就是可以往三百六十度任意旋轉彎曲的一種 (關節),作為聯繫船板與桅桿的接頭。這種(風箏版)由於難以操作、並未受大眾的重視。 1966年,吉姆德瑞克在南加州的一個派對上,向沖浪板好手(hoyle schweitzer)提到他當初與潘恩提到過的(風浪板)概念,引起何耶高度的興趣。兩人隨即一塊跑去當地製造衝浪板的工場撿選適當的船板,做為打造(風浪板)的材料。德瑞克打造一枝(萬向接頭)、捨棄1962年(風箏)構想、與其佛斯小弟想到同樣的(單人帆船)概念、結合本身豐富的空氣動力知識,在當地船帆製造商(bob broussard)的襄助下,於1967年五月打造出史上第一艘[風浪板]。 第一次下水測試的時候,由於實在不知怎樣在水上把帆拉起來,所以還得請同行的巴布站在水裡面把船帆舉起來遞給站在船板上的吉姆---每次[起帆]都要兩個人操作。第二次下水測試,他們添加了一條[起帆繩(uphaul line)],改良了原本無法單人操作的問題,今日風浪板的幾大要素至此瑧於完備。 德瑞克將風浪板的力學原理寫成一份科學學術報告,在1969年第一屆美國航太研究中心的研討會上發表。後來[風浪板]在荷耶與妻子黛安(diane schweitzer)的行銷策略推廣下,成為風行歐美國家的新興水上運動。 現在每當有人讚譽吉姆 [風浪板之父]、[風浪板發明者],他都謙虛地推掉,說自己只能算是「風浪板」重複發明者,雖然他在發明出[風浪板]的當時,並沒聽聞過另外兩個人的創見,而且另兩位的發明其實並不算[成功],然而由於在時間上,另兩人都比他早了幾年,他認為之前的兩位---才是第一及第二發明者,自己只能算第三位[重複發明者]。 回最上面
人們通常認為帆船只能沿風吹動的方向移動-既順風移動.但三角帆使帆船還能夠迎著風移動(逆風移動).在理解如何逆風移動之前,我們首先需要瞭解一些與船帆有關的知識.
船帆最先著風之帆緣稱作前緣,位於船隻的前部.後步的船翼後緣稱作帆的後緣.從前元到繁的後緣的假想水平線稱作弦.船帆的區曲度稱作吃水.並且從弦到最大吃水點的垂直距離稱作弦深.充滿空氣已成凹面彎曲的船帆的一面稱作迎風面.向外吹以形成凸起形狀的一面稱作背風面.瞭解了這些術語後,我們將繼續介紹帆船運轉.
船隻借助帆的每一面所產生的力量沿著迎風方式移動.迎風面的正向方力量(推力)和背風面的負向力量(拉力)合在一起形成了合力,這兩種力量都作用於同一方向.盡管你可能不認同,但拉利確實是這兩種力量中較強的力量.
在1738年,科學家丹尼爾-柏努力發現,氣流速度與周圍自由氣流成比例增加,縱而導致壓力的降低,而這可令氣流速度更快.這種情況再帆的背風面發生-空氣流動速度加快並在帆的後面形成低壓區域.
為什麼空氣加速?空氣與水一樣,都是流動的.當風匯聚並且被帆分開時,一些風附著在凸起面(背風面)並將帆扯起.為了其上(未附著)的空氣穿過帆,帆必須向不受帆影響的氣流外彎曲.但此類的自由氣流往往保持其直線流動並妨礙航行.自由氣流和彎曲的船帆在ㄧ起形成一個窄道,起初的氣流必須從中經過.因為他不能自行壓縮.所以空氣必須加速以從該窄道擠過.這就是氣流速度在帆的凸起面增加的原因.
ㄧ但發生這一種狀況,伯努力的理論就得以生效.窄道中增加的氣流要快於周圍的空氣.並且在氣流速度加快的區域壓力將下降.這就產生鏈式反應.隨著新的氣流接近最先著風之帆緣並分開,他更多的流向背風面-氣流被吸引到低壓區域並被高壓區域所排斥.現在即使更大塊的空氣也必須更快地擠進凸起帆面和自由氣流行成的窄道,這令空氣壓力更低.這一情況不斷發展直至達到現有風力條件地最大速度.並且在背風面形成最大低壓區域.請注意,只有在氣流達到曲面(弦深)的最深點後氣流才會增加.在這一點之前,空氣不斷匯聚和加速超岀這一點後,空氣氛開並減速,直到再次與周圍空氣速度相當.
在期間,在帆的迎風發生相反的情況.隨著更多的空氣流過背風面,迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴展空間的空氣將減少.因為這些氣流四散流動,所其流速下降到比周圍空氣還低的速度,這導致壓力增加.
在了解了這些潛在的力量之後,我們如何在實際中借助這些力量來使船移動呢?我們需要在風帆和風之間建立理想的關係,使風不但加速流動,而且可以沿著帆的凸起面流動.船帆和風之間的這一關係的一部分稱作迎角.描繪與風平直的船帆.空氣均勻分開到每一面上-船帆下垂而不是充滿成彎曲形狀,空氣沒有加速以背風面形成低壓區域,並且船沒有移動.但如果船帆嶼風向剛好成正確角度,則船帆會依下子充滿風並產生空氣動力.
迎角地角度必須十分精確.如果該角度保持與風太近,則船帆地前不將(搶風)或擅動.如果其角度太寬,則沿著帆的曲面流動的氣流將分開並且周圍的空氣重新聚合.這一分離產生了旋轉空氣的(停轉區域),導致風速下降,壓力增加.因為船帆的曲率將始終導致帆的尾端與風向所成角度大于與最先著風之帆緣所成角度,所以凡蒂後緣的空氣不能沿著曲面流動並緩回周圍自由空氣的方向.理想上講,在氣流到達帆的後緣前不應開始分離.但隨船帆的迎角加寬,分離點逐漸前移並將其後的一切保留在停轉區域.
你可能看到,除了迎角保持正確角度以使空氣能夠順利通過外,關於風與帆關係的另一重要因素就是船帆必須有正確的曲率,以保證空氣始終附著在船尾.如果曲線太小,則氣流將不彎曲,並且將誤會產生導致速度增加的壓擠效果.如果區率太大,則氣流不能被附著.因此,只有在曲率不太大並且迎角不太寬的情況下才能發生分離.
這樣,我們現在就知道風帆壓力是如何在理論上和實際中形成的.但這些壓力是如何令船隻前的呢?讓我們更深入地了解其中第奧妙.
在海平面上,每平方米的氣壓是10頓.當船帆的背風面上的氣流增強時,你從上文可以知道氣壓將下降.假定每平方米將下降20千克.同樣,迎風面上的氣壓將增加-
假訂每平方米增加10千克(請記住,下拉壓力強於推送壓力).並且即使背風壓力是負向並且迎風壓力是正向的,她們都作用於同一方向.因此現在我們每平方米約有共30千克的壓力.將其乘以10平方米風帆大小,我們在該風帆上已產生了共300千克的合力.
船帆上的每一點都作用了不同的壓力.壓力最強處位於弦深處,即船帆趨面最深處.這也是氣流最快和壓力下降最大的地方.隨著氣流向後移動並分離,力量也隨之減弱.這些力量的方向也會更改.在船帆的每一點上,該力量與帆面保持垂直.船帆前部的力量最強處也在最前方向上.在船帆的中部,力量更改為側方向,或傾斜方向.在船帆的後部,隨著風速的下降力量也逐漸減弱,並導致向後方向或往後拉的方向.
船帆各處上的壓力都可以計算出來,以便確定其每一面上前部,後部和牽引部位第相對力量.因為向前的力量還是最強的,所以施加在船帆上的合力還稍偏向前的,但主要是側方向.增加船帆作用已獲得更多向前的驅動力還導致側向力的更大的增加.因此,當風施加在側面地利量達到最大時,船只是如何前行的呢?這涉及船帆與風的迎角,還涉及船隻與水的阻力問題. 水
合力的方向與帆弦近乎垂直.當帆弦與船隻的中線平行時,主要力量幾乎完全施加在側面.但是,如果船帆成一點角度,以便船帆產生的力量稍微向前,則船隻本身會立既前行.為什麼會這樣?船的中線(既龍骨)作用于水的方式類似于船帆作用于風的方式.龍骨產生的力量與船帆傾斜力相反的力量-它使船完全保持船帆形成的力量的方向.並且盡管風帆合力始終作用于迎風的那面,但正確的迎角將使船隻前行.
船帆的角度距離船體中限越遠,著力點施加於正面相對於施加於側面地數量越多.將正向力量的稍微調整與水相對于空氣的反向力量結合起來,我們將令船隻迎風前行,因為現在水流的阻力最小.
是因為四種動力量互相作用的結果
推力、阻力、重力、升力。
飛機靠引擎的推力產生速度,促使空氣,通過機翼產生升力,當推力大於阻力,升力大於重力時就能起飛升高。當爬到一定速度或高度時就收小油門,維持定速飛行這時升力等於阻力稱為平飛。
飛機在空中飛行,因機身與機翼和空氣摩擦而產生阻力,阻力是降低飛機前進的力量,因此飛機若要保持前進,引擎必須產生足夠的推力,克服阻力。
空氣阻力雖然會抵消推力,但對起飛卻很重要,因為阻力越大可以使飛機提早到達正常的起飛速度,縮結起飛所需的跑道長度,因此一般飛機必須逆風起飛。
地球有6000公里厚度。飛機有10多公里的飛行高度。
飛機機翼的剖面,其實是一個上下不對稱水滴形,上緣的弧度大過下緣,當機翼劃過空氣,流經上方的空氣速度比下方小,因此壓力較小,下方速度慢壓力較大,壓力大者會向壓力小的擠壓,這就是升力的產生。機翼上方的浮升力可以使飛機飛上天。
如將機翼直立在帆船上,可以使帆船前進、逆風而行。
實用航法示意圖:
原作者:James Douglass,翻譯:快樂豬
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逆風前進的帆船
資料整理: 國立基隆高中--蕭金德 老師
一、簡介
帆船需藉助風力才能行駛。一般人很容易依直觀認為,帆船只能順風而行,而無法逆風行駛。在本演示過程中,利用巴沙木(飛機木)製作小滑車與風帆,可輕易觀察到帆船逆風行駛的現象。又利用直尺與三角板說明帆船逆風行駛的原理,較易被同學們理解。
二、材料
巴沙木(飛機木)、小滾輪、藥用小量杯、吹風機、原子筆、三角板、直尺。
三、操作說明
1.裁巴沙木一片,將三個小滾輪鎖在底部做成小滑車;中間挖一圓孔,大小恰可塞入小量杯。 2.另裁一片巴沙木製作成風帆,沿小量杯直徑方向切出可塞進風帆的切口。組裝如圖所示。
3.調整風帆與船身角度,如圖所示,打開吹風機,吹風機隨著帆船移動而平行移動,即可見帆船逆風行駛現象。
4.利用直尺與三角板說明帆船逆風行駛的原理,操作方式如圖,以原子筆畫向三角板之斜邊給與一作用力,則可見三角板沿直尺移動,如同帆船逆風行駛一般。
四、原理:
如圖所示,V0、V1分別為撞擊帆面前、後的風速,由力圖分析可知風力施予帆面之力為N1;帆船船底有一大片中央板,水面下的海水施予中央板一N2的阻力,阻止帆船後退。則N1與N2二力之合力將帆船沿船身方向往前推。帆船因而可以逆風作「之」字型前進,迂迴到達目標。
五、注意事項:
1.製作小滑車時,三個小滾輪務必調整成平行。 2.帆船與桌面摩擦力不能太小,正如同直尺需用另一隻手壓住,避免三角板與直尺整個裝置受力後一起後退的結果。 3.調整不同角度,會有不同的合力效果,可使帆船順風或逆風前進。 | 像現代的帆船,都擁有良好的逆風航行能力,如圖七:正在環繞地球一圈的NewEra跨世紀號)。 |
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