帆船运行原理

张开一张帆,风向顺了,船就走,那风向不顺呢? 船就不动了吗? 是不是船无法逆风而行?

Bernouli Effect (白努利原理): 在外界不做功的情况下,当气/液体"流速增加"时,将会造成气/液体的压力减少

试想,帆是不是都有弧面? 机翼剖面是不是也是一个弧面? 当风经过一弧面,风路径一分为二,凸面表面的风速"必须"较快(因路径较长),平面表面的风速度较慢,故依Bernouli Effect,平面压力会大过凸面,物体将将受力往凸面移动。 (附图一)

这个原理,应用在弧面机翼上,及弧面帆面上都有同等作用。
所以,机翼受向上力量举起,帆面受力往凸面外的方向推动。 (附图二)

再进一步将帆面受力A,分割为B和C;C力与船底部于水里吃水剖面或长的像鳍的Keel力量相互抵销,剩下B力,这就是推进帆船的力量。

是故,帆船在相当多角度是可以逆风航行的。 (附图四: 船无法行驶于完全逆风的45度角内,剩下的270度角内都可借力行驶)

是不是觉得帆面的弧度很美呢? 它不只美,还有很深的物理意义。

Source: Physics of Flight:Lift / Physics of Sailing / Kyosho Corporation
 
图一: Bernouli Effect (白努利原理): 在外界不做功的情况下,当气体流速增加时,它的的压力会减少;因弧面距离较平面长,相同时间内,气流速度必须越快穿越,是故弧面压力较小,平面压力较大。因此弧面受一推力,帆的弧面受力就是如此。

 

图二 / 图三

   

 

图四 : 帆船在相当多角度可以逆风航行