浅谈帆船、帆板运动的力学原理
王韵 成都实验外国语学校（西区）
摘要： 目的：为了研究帆船外形的设计要点和运动原理，提出了通过力学分析的基本方法，分析了帆船运动的物理学原理；方法：通过分析作用力产生的机理，给出了帆船运动由气压差推动的原理；介绍了帆船的几种类型以及外形空气力学设计，选取了单桅帆船作为模型从动力来源及驶风原理、帆船运动的受力分析以及影响因素、帆船航向操纵原理三方面进行简单介绍，最后简述研究帆船帆板运动的物理学原理的意义；结果：表明合适的力学设计结构是帆船外形的力学基础，外形设计的实际性能由反过来可以指导帆船外形设计的创新；结论：帆船的稳定性问题以及运动或控制问题，都和力学分析有关。
关键词： 帆船运动 受力分析 驶风原理 操纵原理
引言
帆船类型多种多样，有多种外形和分类方法；这些帆船主要分为三大类：第一种是龙骨艇（keelboat），这类型的帆船体型大、稳定性好、帆力强。以上龙型、星型、暴风雨型、索林型均属此类，是帆船运动中最重的船型，由于体积和质量大，有相对较好的航行稳定性和抗风抗浪能力，同时吃水深度较深，适合深水航行。此类帆船由于力学惯性大而不易侧翻，主要有两个原因：一是现代龙骨帆船运用了不倒翁原理，底部具有配重,其重心较低，在侧倾后有反向的扭转力矩，在倾斜后有自动回正的能力；二是龙骨有助于保持帆船的稳定，起到压舱物的作用。第二种是稳向板艇（Centerboard boat）稳向板艇和龙骨艇都属于单体帆船。稳向板艇的船体中部有槽，可以安放稳向板，稳向板根据需要可以上下移动，这种灵活度为合理利用风向和风力提供了多种选择。其特征是重力轻，经济性好，操纵也比较灵活，可以在浅水航行或者作为训练船只。次类帆船以火球型为例，火球型帆船一般由三个帆构成：主帆的面积为居中，前帆面积最小，球形帆面积最大。帆船运动中，考虑帆船的运动特性，设计更加经济安全的帆船类型，需要对已有帆船的力学特征进行回顾，同时对帆船维持稳定平衡的方法进行分析。
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1 动力来源及风向影响
1.1 帆船运动的动力来源
无自主动力的帆船，船帆为主要受力体，帆受力来源是风；风速及风力是影响帆受力的主要因素。空气流动的快慢，使一个物体迎风面受到空气的冲击不一样，总的里的大小，还取决于帆迎风面的大小。此时帆受到的这个力，即为空气压力，这个压力同时也是驱动力。同时帆船还受重力等静力，运动过程中受动力和静压力的影响。当流体速度加快时，空气变得稀薄，则物体与流体接触界面的压力减小，反之压力将会增加，帆的两面受风的速度不同，反应出两面的压强与流速不同，则帆可能受到向不同方向的合力，则通过控制帆的方向，可以获得灵活的力矢量，控制帆船向不同的方向运动。帆船受力矢量图如图1，其中曲线表示风力：
图1 帆船受力示意图
1.2 帆船运动的与风向的关系
帆船的受力方向与风瞬时的方向形成的夹角有关，风与帆前进的方向的夹角为锐角时，帆船顺风航行；其中当角度很小时，受到的顺风最大，其中当角度略大时，受到的风阻变小。风与帆前进的方向的夹角为钝角时，帆船顶风航行；其中当角度略大于90°时，受到的风阻较小，其中当角度更大时，受到的风阻最大。风向角的大小，不仅影响着帆受力方向和大小，同时还影响着帆船的航行方向。即风为助力或者阻力，取决于夹角θ：
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（2）伟晶岩标志：根据勘查成果及研究资料，规模的大伟晶岩往往具有较充分的结晶、分异空间，铌钽矿往往集中在规模较大的伟晶岩脉中。因此，幕阜山岩体西南缘片岩地区规模较大的伟晶岩脉可以作为重要的找矿标志。
利用风力，帆船可在压力差的推动下顺风行驶或者逆风行驶。同时帆船的航向可以时受控的，由于风帆设计成可转舵，在正逆风形成的约45度角扇面内，无论顺风或者逆风，其分量都不大，此时对帆船的操纵比较困难。
2 受力分析及影响因素
2.1 帆船运动的受力分析
2.2 帆船运动的受力影响因素
基于以上的分析，常常会有一种直觉，认为帆船往往是被风推着跑的，前文的分析表明帆船的运动方向和多种因素有关，有时风并不起主导作用。按照力学的观点，合力力矢量的指向和大小，才是决定帆船运动的因素。而其中帆船的最大动力来源是所谓的“伯努利效应”。即风帆两面的压力差。
图2 帆船横移的受力分析图
当空气快速流动的时候，由于有气体类似于膨胀效应，该气团对外的压力减小；反之当当空气流速减慢的时，由于有气体类似于压缩效应，该气团对外的压力增加。帆船顺风或者行驶时，就是空气对帆的压力差，结合船头行驶方向推动帆船前进的。这也是伯努利原理所解释的流体现象。
3 帆船运动的简单操纵力学原理
帆船运动的载体是淡水或者海水，淡水的流速相随缓慢，海水由于受到浪和涌的影响，受力比较复杂。受力的几个因素来自于水湍流、瞬时风向、即时风速、潮汐等。尤其在海洋中水的流速和方向变化非常块，即使能迅速判断流水的方向，也很难对水流的作用力进行实时的调整，因此对水流向的判断较难对于帆船航行产生大的作用。在静风或者风速较小时，借助流水的推动可能会比单独依靠风行驶要顺畅，逆流时实际的航行速度，会比单独受风影响时还要慢，水横向流动时，由于同时受风力的影响，力矢量分解表明翻船不仅向前行驶，而且会向产生横移。其原因在于力沿两个方向的分解：
风向的判断对于帆船运动及其调整十分重要，风向同水流一样，跟随时间是不停变换的，为了实时的测量了解，帆船的桅杆顶部会装有风向仪，通过观察可以实时的依据风向仪来采取航行方案和调整策略，同时可以根据观察的情况调整帆船船头的方向，使得受风的横力平衡受浪的横力，再实际合力上指向船要前行的方向。
风对帆船的力的作用方向相反。
帆的形状受风的影响很大。帆所受静风压力时，其合力来自于两面的静止压力。比如帆具有像机翼一样的弧形。类似于机翼的横截面，其共同点在于，空气流经上下表面所经过的路径长度存在固定的差异，那么风经过帆两侧时，被强行分开，在两侧产生的压缩或者膨胀作用，恰好产生了相反的效果。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，机翼下面和帆后面的气流走更短的距离，因而就绕动了气流，帆的前面和后面，或者机翼的上面和底面的气流产生了不同的压强。流速慢处的流体压强比流速快处的静压强大，这个压强差使两侧产生了朝向一边的合力，利用这种作用可以使帆获得向前的动力，通过调整，也可以获得向后的动力。
3.1 帆船运动的位移特征
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我们常常看到帆船的运行速度很快，动能来自于风，但操舵的转盘即是操舵装置的作用也是很大的。比如说船在前进过程中，通过转舵装置调整了舵角，船前行时劈开的水流会对舵产生一个压力，对这个力进行矢量分解，产生两个相互垂直的分力，其中之一平行于舵，转动力矩为零，不会使帆船产生转向。另一个垂直于舵，其转动力矩不为零，推动帆船转向作用。则舵实际成为转向装置。通过调整舵角，就像控制转向装置，改变力的大小从而影响矩大小，从而转向速度也不一样，可以较快调整航向，由于调整的连续性，即使受到不断变化的浪涌的影响，对抗这种影响的方式也是灵活的。帆船在不断变化的风向的影响下，其在水中的位移可能是曲折向前的曲线，其曲率和半径都是较为随机的。位移示意于图3：
图3 帆船受变化风向影响位移示意图
开始受力分析方法如下，根据帆船各部分受力先后顺序，在一般情况下先是帆受力，然后帆船开始偏航，此时合力使得水流的受阻方向也变化，船转向至龙骨受力变化，帆船航行状态变化。
如前文说帆面的受力可以直接等同于机翼受力，因此帆面受到了的合力。由于龙骨的反应比较慢，所以先考虑水面部分，然后考虑水下龙骨，在合力的作用下结合水中的浪涌，帆船会在合力的方向产生一个横向偏移速度。初始船速V船和V偏航的合速度，就是帆船的航行实际方向。而在水面下的龙骨，应为相对运动的影响，存在一个与合方向相反的水流阻力。然后，分别在水下做受力分析，以及在水面上结合风力，作受力分析；通过力矢量的合成，可以获得整个帆船的合力；这里我们可以得到帆船的运动方向，通过气压差分析，可以获得扭转力矩的方向，通过该力矩确定船头稍微偏移的角度。
4 结论
通过分析作用力产生的机理，给出了帆船运动由气压差决定的原理；本文介绍了帆船的类型以及空气力学设计，研究了动力来源及驶风原理、帆船运动的受力分析以及影响因素、帆船航向操纵原理三方面进行简单介绍，研究帆船帆板运动的原理和意义；结果表明合适的力学设计结构是帆船外形的力学基础，外形设计的实际性能又能反过来可以指导帆船外形设计的创新；结论是帆船的稳定性问题以及运动或控制问题，都和力学分析有关。
参考文献
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