帆船运动原理
帆船运动原理
2008年北京奥运会帆船比赛在青岛举行，作为青岛市民我感到无比骄傲，也因此对帆船运动产生了兴趣。我查阅资料，学习了一些有关帆船的知识，并初步了解了帆船运动的原理。
帆船在海上航行依靠的是自然风作用于船帆上产生的动力。要了解帆船运动原理，首先要了解帆船结构。图1是帆船结构示意图。帆船主要由以下几部分组成：
图1 帆船结构示意图
（1）帆 ( sail )。
（2）帆桁 ( Boom )，用来固定支撑帆底部。
（3）桅杆 ( Mast )，用来升降及伸展帆。
（4）船体（Hull）。
（5）中央板 ( Daggerboard )，在船体下方，可调整吃水深度。不仅起着保持船身平衡的作用，还可以帮助船在航行中保持航向稳定。
（6）方向舵(Rudder)，用来控制船行进方向。舵柄类似于汽车的方向盘，转动舵柄改变舵向，船体就会转向。
帆船比赛采用的比赛航线多为奥林匹克梯形航线，该航线包含了迎风（逆风）、横风和尾风（顺风）航程，如图2所示。
图2 奥林匹克梯形航线，右图是外绕的竞赛航线，顺序是：起航
-1-2-3-2-3-终点；左图是内绕的竞赛航线，顺序是：起航-1-4-1-2-3-终点。
风帆用柔软的材料制成，在顺风的情况下，风正对着吹向帆面，气压在风帆迎风面大于背风面，使风帆受到推力，向背风一侧鼓起，风帆的拉扯使船顺风前进。推力只能使船顺风跑，那么，在横风和逆风航程上，帆船靠什么力量前进呢？
飞机机翼横截面的形状如图3所示，它有平坦的底部和突起的上部。当气流
图3 飞机机翼横截面形状
流经机翼时，远处的气流不受机翼影响仍然直行，近处的气流就要绕着机翼流过。由于机翼向上突起，空气流经机翼上方时就要经过一个窄的通道，在这个窄通道里，气流速度增大，就像水从粗水管流进细水管时流速增大一样。当气流速度增大时，气压就会减小，这种现象叫做伯努力效应，于是机翼上部受到的压力就会小于机翼下部，从而使机翼获得向上的升力。在横风和逆风航程上，帆船就是靠升力前进。
帆船以一定的角度逆风行驶时所受到的升力作用如图图4所示。风吹鼓了风帆，气流绕风帆流动。风帆背风面附近气流速度增大，气压减小；迎风面附近气流速度减小，气压增大，于是帆受到如图方向的升力。升力沿航向的分力驱动船前进，升力的侧向分力会被舵、船体和中插板抵消。此时帆船也受推力作用，推力沿航向的分力对船的前进起阻碍作用。除推力外，
船体还受到水和大气的阻力，
当沿航向的升力分力大于帆船所受阻力时，帆船才能够前进。当航向与逆风向夹角大于45度时，帆船能够获得较大的前进速度。因此，在逆风航程上，帆船应当走Z字型路线，在Z字型路线的每一折线段上应尽量使得航向与逆风向夹角大于45度，如图5所示。
航向
风向 升力
图4 帆船受到的升力
风向
帆船
图5 帆船在逆风航程上的行驶路线
在横风航程上，升力的方向与航向相同，升力全部用于驱动帆船。此时，推力沿风向的分力也推动帆船前进。
在顺风航程上，升力消失，只剩下推力充当动力。推力取决于风和帆的相对速度，随着船速增大，风和帆的相对速度减小，推力也减小。当推力减小到与阻力平衡时，船速不再增加。因此在顺风航程上反而不能获得很高的船速。