帆船運行原理

張開一張帆,風向順了,船就走,那風向不順呢? 船就不動了嗎? 是不是船無法逆風而行?

Bernouli Effect (白努利原理): 在外界不做功的情況下,當氣/液體"流速增加"時,將會造成氣/液體的壓力減少

試想,帆是不是都有弧面? 機翼剖面是不是也是一個弧面? 當風經過一弧面,風路徑一分為二,凸面表面的風速"必須"較快(因路徑較長),平面表面的風速度較慢,故依Bernouli Effect,平面壓力會大過凸面,物體將將受力往凸面移動。(附圖一) 

這個原理,應用在弧面機翼上,及弧面帆面上都有同等作用。
所以,機翼受向上力量舉起,帆面受力往凸面外的方向推動。(附圖二)

再進一步將帆面受力A,分割為B和C;C力與船底部於水裡吃水剖面或長的像鰭的Keel力量相互抵銷,剩下B力,這就是推進帆船的力量。

是故,帆船在相當多角度是可以逆風航行的。(附圖四: 船無法行駛於完全逆風的45度角內,剩下的270度角內都可藉力行駛)

是不是覺得帆面的弧度很美呢? 它不只美,還有很深的物理意義。

Source: Physics of Flight:Lift / Physics of Sailing / Kyosho Corporation

 

圖一 : Bernouli Effect (白努利原理): 在外界不做功的情況下,當氣體流速增加時,它的的壓力會減少;因弧面距離較平面長,相同時間內,氣流速度必須越快穿越,是故弧面壓力較小,平面壓力較大。因此弧面受一推力,帆的弧面受力就是如此。

 

圖二 / 圖三

   

 

圖四 : 帆船在相當多角度可以逆風航行