帆船中的物理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,帆船中的物理,物理学院,07,级,-,李承珉,帆船的历史,帆船,即利用风力前行的船,.,起源于居住在海河区域的古代人的水上交通运输工具。,15,世纪初期，中国明代,郑和,率领庞大船队,7,次出海，到达亚洲和非洲三十多个国家。而现代帆船则始于荷兰,.,现在他已是奥运会的重要比赛项目,比赛用的一般是三角帆,它的桅杆高为,4.3,m,，,张有三角形帆，帆的面积约,6,m,2,，,帆面在运动,员的操纵下，能根据风向在,360,度范围内转动。,运动员凭借自己的技巧，时速可达到,40,50,km,。,F,俯视图,风,帆,这里是帆船的基本知识,:,(1):,帆船是靠风力前进,但并不是简单的推着走,实际上它的最大动力来源是所谓,”,伯努利效应,”。,正如图所示,(2),为了最大限度的利用风力，应如何掌帆？答案是,:,使帆面保持竖直，且和风的方向垂直,(3),很多时候,风是与帆成一定夹角,那这个时候的运动就是左边的分析图了,4),那图中的运动员的身体呈什么状态？,为什么要向船舷外侧倾斜呢？,答案就在下面受力分析中,帆,F,G2,G1,F,浮,船是,如何前进的？,先来看看按牛顿受力分解得出的答案,:,1,）风的方向与前进方向一致,A,B,风,帆,俯视图：,v,风,F,风,f,2),运动方向和风的方向成锐角,船是,如何前进的？,1,）风的方向与前进方向一致,俯视图：,v,帆,f,1,F,B,A,风,F,F2,F1,f,2,f,1,俯视图：,v,风,帆,3,）逆风前进,船是,如何前进的？,B,A,风,俯视图：,v,风,帆,F,F1,F2,f,1,f,2,实践证明，帆船遇到逆风时，当帆面恰好在风向和船运,动方向所成夹角的平分线上时，行驶时获得的推力最大，仍可逆风行驶。,可是这些分析不免简单了些,在流体问题方面,我们不得不考虑,“伯努利效应”。,我们知道，当空气流动得快的时候，在正面挡住它的物体就会受到空气的冲击，这种冲击产生的压力我们称为动压力。当帆船如图,1,所示顺风行驶时，就是空气对帆的动压力推动帆船前进的。由“流速增加，压强降低”的伯努利原理知道，当空气向一个方向流动时，它向侧面作用的力就要相对减小。也就是说气体流动速度越大的地方，动压力压强越大，而静压力压强越小。流速愈小的地方，动压力压强愈小而静压力压强愈大。这样气体流速小的地方对流速大的地方就会产生一个侧向的压力，这个力称为静压力。当迎风驶帆时，如图,2,所示，船正是在风的静压力推动下前进的。,帆所受静压力的产生，主要是帆具有像机翼一样的弧形。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。如图,3,所示，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，如图,4,所示。在这里不妨也称它为“升力”。,下面我们来看帆上的静压力是如何推动船前进的。如图,5,所示，帆所受的静压力,FT,，并不能全部用来推动船前进，真正用来推动船前进的是,FT,沿船头方向的分力,FR,，,FR,的值要小于使船横向移动的分力,FH,。尽管横向力较大，但在实际行驶时，很少看到船横向移动。而船向前进的速度却相当大，先进的帆船和帆板，最快的时速，可达,30,至,40 km,造成这样的前进速度，除了帆产生推力以外，还有一个重要因素就是船底的流线型，船浸入水中部分的横向截面积远大于纵向截面积，推力,FR,虽然比横向力,FH,小，但船在水里前进时所受的阻力要比船横向移动所受的阻力小许多。所以，,FR,推船前进效果就相当显著。,那我们在看看逆风状态下的风帆,我们知道帆船是可以逆风行的,但这并不是说它没有方向的限制,.,实际上在正逆风左右各约,45,度角内，是无法产生有效的推进力的，如图,6,所示的,A,区。但是太顺风也不是很好的，因为这时伯努利效应消失。船靠风对帆的动压力推动，而动压力的大小决定于风对帆的相对速度，相对速度越大，动压力就越大。然而船在动压力的推动下，前进速度逐渐增加，风与船相对速度就会减小，因而风对帆的动压力减小，船速会再度慢下来，同时会进入不稳定状态，如图中,C,区。所以动压力对帆船来讲，并不是持续高效的动力来源。只有如图中,B,区才是最好的航行方向，这时船航行方向与风向成一定夹角，船在静压力推动下，能得到持续稳定的推动力，使船获得比较高的航行速度。,所以逆风时船走的是之字行,结语,如此,通过这次研究,我才发现其实小小帆船并不如开始我想的简单,而且也有很多我一直凭直觉以为是对的其实是错误的观点,比如说我就以为帆船的速度绝对比风速慢,.,但我现在知道,一个好的船手绝对可以让船速是风的几倍速度,.,我想,在流体力学上,我们人类了解的并不多,还有很长的路走,.,这是交给年轻的我们的任务,.,谢谢观看,