逆风中行舟的探索性研究

逆风中行舟

a Sailboat Sailing against the Wind

帆船本身是无动力的，当有风吹在它的帆面上时，它会随之运动。在通常情况下，静水中帆船总是顺着风向而走。但有经验的帆船运动员或船夫，他们能巧妙地选择帆船的方向，有效地设置船帆与船的夹角，让船的航向与风向成一钝角，侧面迎风，同时间隔一段时间转动一次帆的取向，通过走“之”字形线路，实现帆船借着风力逆风航行。这现象可用来演示动量原理，特别是动量的矢量特点及其动量原理的实际应用。

实验装置

实验装置为逆风行舟实验演示仪或自制演示仪。一个鼓风机，能够吹出方向确定且均匀的气流，一个水盆（最好面积稍微大一点），一个帆的方向可以转动且锁定的模型帆船，帆应该是弯曲的，前面的1/3长度和后面的2/3长度间成约40°的角度。

图片摘自：http://pec.buaa.edu.cn/yanshi/neirong_1_nifeng.htm

图片摘自：http://phy.ujn.edu.cn/expresou/upimg/userup/0905/221K10631E.jpg

现象观察

（1）先设置好风道与水槽的方位，调好帆形，把船放入水中，帆形、风向与船前进方向约为40°，帆面的前1/3部分应始终保持与风向平行，后2/3部分是拉紧的，且平行于前进方向。水面略低于槽沿（1～2cm），确保实验时水不晃出来。

（2）打开电源，启动风扇，让风向一定、风力均匀的风吹在水池的水面上。把船放置于水面风力均匀处，调节船使其斜帆方位与实验原理指示的一致，放开船，即可见到船沿侧逆风的方向行进。注意风力不宜太大。

现象解密

船可以逆风而行是因为风对船帆有作用力，且因帆的形状不同作用力方向也不同，我们可以用以下的模型来解释这一现象。假设帆对风来说是光滑的，摩擦力可以忽略，按照动量定理，风对帆的作用力F₀是垂直于帆的。这个力作用在帆上并传导给船体，并可分解为如图所示的垂直船的方向和沿船行进的方向两个分力F₂和F₁。(www.xing528.com)

但这两个分力对船的运动起的作用是明显不一样的。因为船底设有龙骨，使船侧向运动的阻力很大，即使有力F₂从侧面作用于船，由于水的阻力，船也很难因此向侧面运动。但F₁的作用就明显不一样，因船体是流线型的，在沿着船行进的方向上如果受到作用力F₁的话，船就会很容易沿这个方向运动。

船的行进方向，是与风向成一定角度的。行进一定路程后，改变帆的方向，船就向另一侧斜着运动了。如此走“之”字形，借助于风力航行的船便实现了逆风行舟。

知识拓展

也有人用空气动力学原理对帆船的逆风而行做出解释，他们认为帆船能够逆风而行所靠的最主要动力是吸力。根据伯努利原理，流体速度增加，压力就会减小。空气要绕过向外弯曲的帆面，必须加快速度，于是压力减小，产生吸力，把船帆扯向一边。船帆背风一面因压力降低而产生的吸力相当大，可比迎风一面把帆推动的力量大1倍。

风在帆两侧产生的吸力和推力，正面作用在帆上，风力分解为两个分力，一个分力推动帆船向前行驶，另一个分力则使船向背风一面倾侧，但船底的龙骨阻止了船的侧向移动。同时，要由帆舵手在船的另一边探身出外，才能保持平衡。

帆船是不能完全正面顶着风航行的。一艘长12米的帆船可与风向成12°～15°的夹角逆风行驶。但如果要实现正面迎着风的方向前进，必须以“之”字形路线航行。逆风行驶时，船与风向的夹角越小，速度越慢。舵手若以角度较大的“之”字形路线航行，船速会加快，不过航程会增加。

本段节选自：http://zhidao.baidu.com/question/56318837.html

思考题

1.按动量原理，瞬间的速度改变可以产生很大的冲力。请分析估算一下一个从10楼上掉下的苹果砸在地面的玻璃板上可能对玻璃板产生多大的冲击力。

2.利用动量的变化可以产生持续的力：如水力挖泥，水力采煤，水力打孔。你能分析估算关于连续体的作用力吗？

3.火箭也是利用反冲而实现加速的装置，你能应用动量原理，对火箭所受的推力进行分析估算吗？