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帆船的工作原理是怎样的?

发布时间:2019-05-01 20:56 来源:未知 编辑:admin

  风帆的工作道理是如何的?

  刚得知正尾风不是使风帆获得最大速度的缘由,所以特来就教道理。

  99,373

  10个回覆

  182 人附和了该回覆

  简直正尾风不是最好的。环节是理解相对活动,向量分化,Bernoulli道理。

  设初始时,风帆静止在水面,俄然大风以速度V从船尾吹来,我们扬帆启航,起头时很爽。

  风帆速度越来越大,好比到了0.6V的时候,风速相对水面却没有变,相对船却只要0.4V了。

  我们的速度越快,风给我们的力就越小,最初水的阻力和风的推力均衡,就再也快不了了。

  这时若是还要加快,就不克不及光靠风的推力,而要调整风帆,和风向呈一个角度。

  抱负环境下,帆面迫使风改变标的目的(而不是遏制),风就给帆面一个反感化力。

  若是节制的好,风滑润擦过帆面,帆面此时就像飞机机翼,发生Bernoulli效应。

  顺风航行时,若是长于操纵上面两条,所获得的动力比单靠风的推力无效得多。

  pic from :

  逆风行船时,巧妙操纵力的分化,加上Bernoulli道理,风帆完全能够Z字形前进。

  并且此时速度越大,相对风帆风速也越大,有更多动力,所以逆行也可跨越风速。

  pic from :

  phys.unsw.edu.au/~jw/sa

  iling.html

  编纂于 2012-03-14

  附和 182

  17 条评论

  12 人附和了该回覆

  泻药,以上两种回覆曾经很细致了。

  风帆次要靠风差力鞭策,在横风的时候,速度是最快的。

  简单说,你只需记住,你船行的标的目的和风向接近垂直的时候,风帆的速度是最快的。

  操作:1. 看好风向,船上一般有风向标,适合初学者

  2. 调整船舵,让船向和风向接近垂直

  3. 绷紧船帆,如许你就能感触感染风帆的速度了。

  小我建议,先上手,记下简单的步调,至于具体道理,在你玩的时候会慢慢理解的。如许进修风帆更好点,终究这个是个靠实操的文娱项目。

  发布于 2012-12-19

  附和 12

  4 条评论

  德国新风系统 Dephina 产物工程师 白手道无级

  81 人附和了该回覆

  我越看都越糊涂了,仍是找了个教科书,但愿把这回覆尽量搞得通俗易懂些。

  起首,用一个简单尝试做个示意:

  以左手把直尺压在桌上,右手执笔以下图所示标的目的推向挨在直尺旁的三角板,三角板会向哪一方挪动?由尝试可知,非论笔尖从哪一方压到三角板的斜边上,三角板都依白箭矢标的目的挪动。当笔尖沿着v的标的目的压到三角板的斜边上时,因为三角板是滑腻的,它遭到的压力R是垂直于斜边(也就是与v的标的目的无关)。这个压力R能够分化为两分力(component of force)F1和F2, F1使三角板平行直尺挪动(如图中白箭矢的标的目的);F2使三角板压向直尺。而直尺有一抵挡力P感化于三角板,把F2抵消,故三角板只能沿着F1的标的目的而挪动。由图可见,笔尖从北向南压向三角板,但三角板却能向东北挪动。

  于是,按照以上方式,下图暗示风帆只需恰当地驶帆及操舵,就能够采用之字路线逆风航行!

  发布于 2015-04-25

  附和 81

  21 条评论

  良风有传,是认为记

  12 人附和了该回覆

  小学过几天,能开但开的一般吧,所以就匿了= =。

  别的需要领会的是, 风帆的动力来自于风,所以必需领会风向角、帆转角与航向角之间的关系才能更好的操控风帆。

  风向角=帆转角+航向角

  至于感化,恩,看看文献吧,我也不太清晰。。。

  三种行进体例及路线,横风,顺风,逆风

  ps:尽量不要顺风开,由于一来不容易掌控,速度太快,二来很容易垂直扎入水底,翻船。

  发布于 2012-03-14

  附和 12

  7 条评论

  灯塔体育首席练习生/风帆圈的科学扫盲快乐喜爱者

  53 人附和了该回覆

  风帆的工作道理不是言简意赅能够说清的,那些个说伯努利的,都是大忽悠!!!

  友谊提醒:因为本文很是之长,还有各类魂灵画手的创作图,所以建议大师更衣洗澡后再慢慢看…哈哈哈哈哈~~文章次要分为五部门,第1部门为帆面受力,第2部门为攻角和升力,第3部门为优势舵与下风舵,第4部门为扭捏龙骨与水翼,最初一部门为翼帆工作道理与航行点。

  起头今天的长篇大论之前,我们先来特地谈谈这个在风帆界如雷贯耳的名字——伯努利。(港澳台地域仿佛是叫[bǎi]努利,其实小我比力喜好这么叫,“伯努利,白勤奋,挺顺~”哈哈哈哈…)

  伯努利:“鄙人面常听到你们呼喊我的名字,所以我来和你们打个招待...能不克不及别隔三差五的来烦我?!”

  风帆锻练:“这...伯努利大叔,不找你站台找谁站哦?”(尴尬脸)

  伯努利:“找隔邻村种苹果的牛大爷去!”

  不断以来,风帆的运转道理几乎就是个未解之谜。下面就说一种市场上最支流的注释。

  我们晓得,风帆航行其实能够简单的理解为一个扭转90度的飞机机翼。所以我们也凡是会把帆面当成是一个机翼来阐发。从上图可知,空气从机翼的左侧流向右侧,并在尾部汇合。明显,机翼上方的长度弘远于机翼下方的长度。所以,上方的气流速度大于下方的气流速度。留意:这时候伯努利大叔要呈现了...由于按照伯努利道理可得知,速度快的气体压力小,速度慢的气体压力大,所以机翼下方的压力大于上方的压力,于是机翼发生了一个向上的升力,这也注释了风帆航行的道理。

  上面的阐发过程,听国表里的各类风帆锻练注释过,也在各类风帆教材中见过,但很可惜,它错的很完全。飞机起飞是伯努利道理,风帆航行仍是伯努利道理,估摸着如果白叟家活到此刻,必定得现身说法,卧槽,这真特么和我不妨...下面,我们就来说说为什么。

  起首,相较于飞机机翼,帆面的厚度是能够忽略不计的,因而帆面上方的长度大于下方的长度的说法底子无从说起。其次,谁和你说上方空气和下方空气必需同时在尾部汇合啊同志们?!摆现实讲事理,先来放一张风洞模仿图。

  至于风速大压力小的伯努利道理,更是一个大曲解。相对于固体力学,流体力学不断是一门雷同于形而上学一样的具有,各类道理的利用范畴极其之窄。而伯努利道理的合用范畴如下:1. 不成压缩流体 2.流体非粘性 3.定常流:在流动系统中,流体在任何一点之性质不随时间改变。4.封锁区间 5.... 6...7...(还能不断写下去很多多少- -)So,伯努利道理没有错,只是我们错了。光是封锁区间和不成压缩流体这两条,风帆道理就曾经和伯努利道理说bye bye了。举个 ,下图是封锁区间内的伯努利道理仿真器,管道内的流体确实秉承着流速快压力小,流速慢压力大的特点。

  比起开船的和开飞机的,一个管道工谈伯努利道理,可能会更合适一些。要我说啊,这与其把锅甩给伯努利大叔背,不如好好感激英国伦敦的牛顿牛大爷。接下来,再放一个帆面的二维风洞图。

  按照帆面上下部门的气流线能够发觉,帆面四周的气流线都是沿着帆面的外形弯曲的。(插播一下,这种流体沿着物体概况发生偏转的现象,也叫康达效应。)起首,我们取一条P下和P2之间的气流线(已用红色虚线标注)具体阐发一下。

  牛大爷的三大定律告诉我们,力是物体发糊口动的缘由,而这条气流线的偏转,也必然伴跟着一个感化力。若是把这条气流线想象为圆周活动的此中一段,就能够晓得,向心力F等于(P下-P2)*单元面积,且F0。所以呢,P下P2。

  而帆面上部也是同样的阐发方式,能够得知:

  在无限远处,

  P大气压1=P大气压2=P大气压,

  毗连等式1和2,可得:

  基于风洞气流线的阐发到此竣事,再次对牛顿暗示跪拜。若是当前再给帆海菜鸟注释风帆航行道理,望列位服膺牛顿同志的教育,切勿再让无辜的伯努利背锅。

  不断以来,甩专业术语不断都是每个圈子评判“道行”深浅的一项主要技术。沃尔沃全球风帆赛,美洲杯,旺代全球赛也让扭捏龙骨,水翼,翼帆这类最新手艺成为了茶余饭后的吹法螺逼本钱。这一篇,我们将继续从风帆航行道理入手,脱掉这些风帆高科技的奥秘外套。

  在上一篇的“背锅大侠伯努利”中我们说到,帆面的受力缘由得归功于牛顿大爷。那既然和伯努利不妨,这个力又从何而来呢?想象一下小时候扔纸飞机的阿谁动作,是不是,长如许??⬇️理论上来说,只需角度对,手劲儿够大,板砖都能飞起来。

  下图就是一个飞机机翼的横截面,机翼的最前端叫做前缘(leading edge),最初端叫做后缘(trailing edge),在他们之间的这条绿线就叫做弦。而弦的耽误线和相对风之间的夹角,就叫做攻角(Angle of Attack)。有了攻角当前呢,机翼遭到的合力能够分成俩儿子,一个垂直于风的标的目的,叫升力(Lift),另一个平行于风的标的目的,叫阻力(Drag)。

  那下面,就发生了这么一个问题。由于机翼最初遭到的是合力,那我们当然但愿升力越大越好,阻力越小越好,是吧?其实呢,这就是为什么无论是机翼仍是帆面,我们都优化成了带弧度的曲面,而没有采用纸飞机的那种平面。那既然此刻的升力弘远于阻力,那我们就偷个懒,忽略阻力,只扔一个很是简单的升力公式(如下图)

  图中的L代表升力,后面的几个字母则别离代表着机翼的升力系数,空气密度,风速和机翼面积。因为后面的3个数据都是定值,所以升力只和升力系数Cl成反比。升力系数越大,升力越大。那升力系数又是个什么鬼?继续看下面~

  这张图是升力系数和攻角之间的关系图,能够看到,跟着攻角的添加,升力系数也会直线上升,但在达到某个颠峰之后,升力系数又霎时怂了,直线下坠。阿谁升力系数的最高点,就叫做失速点。(注:这里插一句,其实这个升力系数的测算很是之复杂,涉及了库塔-茹科夫斯基定理,纳维-斯托克斯方程等一系列高难度计较,所以一般我们城市间接用CFD软件间接绘制出来。这方面的八卦也足够出色,当前有空了再特地聊~)

  上图是一个在一个合适的攻角下,因为之前提过的康达效应,机翼四周的气流线把机翼完满的包裹了起来。这时候的升力和阻力都是相当抱负的,打个100分!但若是我们不竭增大攻角,就会变成下面如许~

  能够看到,机翼尾部发生了良多的乱流(高bigger一点也叫湍流),气流线和机翼概况分手了,升力也起头急剧减小。这个点,就叫做失速点。片子里常听到的飞机失速,说的也就是这回事儿。

  在起头这部门的烧脑之前,先简单总结一下前面说的三点。

  1. 攻角是机翼受力的缘由

  2.所受的力可分为升力和阻力,且彼此垂直

  3.攻角过大,会发生失速,导致升力急剧下降

  接下来,我们就起头风帆的受力阐发,魂灵画手开张~

  起头受力阐发之前,先大致讲一下思绪,因为风帆的各部门受力是有先后挨次的,挨次如下:(帆受力 V偏航 V合 V水流 龙骨受力 风帆逆风航行)

  上图中,红色代表帆面所受的力,前面曾经说过,帆面的受力能够间接等同于机翼,因而帆面遭到了升力,阻力。这两者的合力是F帆合力。

  因为龙骨的反映比力慢,所以先不考虑水下龙骨,在F合力的感化下,风帆会在F合力的标的目的发生一个偏移速度V偏移(已用蓝色箭头标出)。初始船速V船和V偏航的合速度,就是风帆的航行标的目的V合。

  而在水面下的龙骨,则会有一个与V合标的目的相反的水流速度V水流。然后,同样的环境又发生了,因为龙骨的弦和V水流之间也构成了一个攻角,所以龙骨会遭到F龙骨升力和F龙骨阻力两个力,他们的合力为F龙骨合力。

  最初,由于F龙骨合力与F帆合力,是风帆上独一的两个力,假设他们的受力点位于同不断线,那么他们的合力标的目的,既是风帆最初的航行标的目的,这也和初始速度V船重合。(注:其实风帆的舵也会遭到和龙骨一样的力,但这里为了简化阐发,所以忽略不计了~)

  讲到这儿,俯视图下的风帆航行道理看似曾经处理。但其实,并没有,由于这时候就涉及了别的两个新词汇,CE和CLR。若是忽略F龙骨合力与F帆合力在V船标的目的的分化力,我们就能获得下面这个图,F帆合力忽略速度标的目的分力之后的力,我们叫做CE。F龙骨合力忽略速度标的目的分力之后的力,叫做CLR。

  连系如上两个侧视图和俯视图我们能够得知,最左侧的划子是最完满的形态,CE和CLR的受力点位于不断线,所以船体不会发生偏转。而两头的划子,CE受力点位于CLR前方,所以船头会向下风偏转,这就是所谓的“下风舵(Lee helm)”。最左边的划子,CE受力点位于CLR后方,所以船头会向优势偏转,这就是所谓的“优势舵(Weather helm)”。

  而在现实航行的过程中,我们并不会采用最左侧的完满形态,由于若是受力点承平衡会导致一个问题,舵感太轻。这就比如开高速时汽车的标的目的盘若是太轻,就会欠好掌控,风帆也是如斯。所以呢,我们凡是会选择2~4度偏转的优势舵。这时候可能有人会问,为嘛不消下风舵?那就又回到了攻角的问题,继续往下看。

  优势舵VS下风舵

  起首,假设在风帆航行过程中,帆形不发生形变。那按照攻角和升力关系我们能够晓得,鄙人风舵时,若是你的手抓紧舵且不调帆,那么帆面与风之间的攻角会逐步增大(下图中的攻角b攻角a),帆面升力也会加强。这时候,船的侧倾角会添加,以至会有翻船的危险。

  若是是在优势舵的环境下,手抓紧舵且不调帆,帆面与风之间的攻角会逐步减小(下图中的攻角b攻角a),帆面升力也会削弱。这时候,船的侧倾角会减小,会达到一个平安的均衡形态。

  凡是,调帆,缩帆,调桅杆倾角这一类的操作,都是为了调整CE的位置,使其能够连结在轻细的优势舵。

  在继续下一部门的科普之前,先扔两个初学者经常会问的问题。

  问题1: ”风帆为什么不会翻?”

  问题2:“为什么几十平米的帆面遭到的力,光靠一个小小的龙骨就能回正呢?”

  要处理这两个问题,光靠上面的所有阐发是不敷的,我们需要带上出名的阿基米德先生,和我们一路去一探事实。

  上图别离是静止形态下的后视图风帆受力和极限侧倾形态下的后视图风帆受力。在静止形态下,因为龙骨承受了风帆绝大部门的分量,所以我们把重力的受力点放在了龙骨位置。与此同时,船体还收到了一个向上的浮力,且指向稳心。在极限侧倾形态下,正如前面提到的一样,因为帆面上发生了F帆合力,于是龙骨发生了相对应的F龙骨合力。重力及指向不变,而浮力则会因为侧倾而向右偏移,但仍然指向稳心。然后,我们一路去找一下阿谁撬地球的阿基米德。

  阿基米德对物理学的贡献,除了浮力之外,最为人熟知的就是那句,“给我一个支点,我能翘动整个地球。”这就是——“杠杆道理”。杠杆道理的精髓就在于力矩,那力矩是个什么工具呢?力矩=力x力臂,也就是下面这个图。

  上图中,若是F1 x 力臂1=F2 x 力臂2,这么力矩均衡,力矩均衡下的杠杆,就会连结静止,反之,则会顺时针或逆时针动弹。下图的风帆力矩,也是同样的事理,在极限侧倾形态下,风帆的杠杆仍然连结静止。这是因为,F帆合力和F龙骨合力城市使杠杆顺时针扭转,而重力则会让风帆逆时针扭转。既(F帆合力 x 力臂1)+ (F龙骨合力 x 力臂3)=重力 x 力臂2。

  这时候,若是风力继续加大,那F帆合力也会继续增大,力矩不均衡会导致翻船。在方程(F帆合力 x 力臂1)+ (F龙骨合力 x 力臂3)=重力 x 力臂2中,因为F帆合力增大,所以等式摆布不均衡。因为力臂1,F龙骨合力,力臂3都是定值,曾经不成更改,那若是要让等式从头均衡该怎样办?谜底就是添加等式左边重力 x 力臂2的乘积,重力不成变,力臂2就成了独一的救世主。So,重点来了,这个能够添加力臂2的酷炫手艺,就是——扭捏龙骨(Canting Keel)。沃尔沃风帆赛,悉尼霍巴特风帆赛中的很多赛船,都采用了扭捏龙骨,由于可变的力臂使得赛船能够利用更大的帆,跑得更快。

  和固定龙骨一样,扭捏龙骨也会有一个极限值,那这时候,我们还有什么方式能够继续提高船速呢?于是,更酷的一项手艺被发了然,它就是——水翼(Hydrofoil)。

  图中右下角的阿谁L型翼片就是水翼,仍是因为攻角的关系。水流会给他带来一个向上的托举力和一个与F龙骨合力同标的目的的回正力。托举力会使得船身的入水面积削减,从而削减了水中的阻力。而另一个回正力,则是能够理解为一个小型龙骨,它能添加风帆的回正力,使船跑的更快。(此刻,越来越多的双体船配水翼其实也是同样的道理,美洲杯的AC72,Moth级水翼船都是因为水翼向上的托举力)。

  至于本部门隔首的第一个问题,相信列位也曾经有了谜底。至于第二个问题,则是由于水的密度弘远于空气,具体可参考第一部门的升力公式。

  Part 5:翼帆道理与航行点

  说到美洲杯,除了AC72最牛逼的处所在于两点,一个是有水翼,会飞。而另一点,则是超等小的No-Go-Zone,通俗风帆的禁航区角度为90度摆布,而美洲杯赛船的这个角度,听说只要摆布各30度出头,也就是60度摆布(若是没概念,能够参考下面下面再下面下面的那张图,里面黑色的区域就是No-Go-Zone)。

  上图就是这么牛逼的缘由——翼帆(wingsail)。这个翼帆又是个什么鬼?其实呢,翼帆,就是从隔邻飞机场端了个飞机机翼,然后何在了风帆上。和通俗风帆上的主帆纷歧样,翼帆的概况是硬的,并且分两截,就和下图的这个机翼一样,这两片翼帆就像是两块能够调理角度的大塑料板,装在了船身上。

  察看图中的机翼能够发觉,在机翼后侧还有一段可扭转的翼片,这一丢丢工具就叫做襟翼(Flap),前面说过,前缘和后缘的连线叫做弦,弦和风之间的夹角叫做攻角。So,我们只需节制襟翼,就能够调整飞机机翼的攻角。比拟于保守的软性帆,硬性的翼帆在轻风形态下结果更好,由于不会碰到无法连结帆形和帆面不受力(Luffing)的问题,于是,翼帆也能跑出更小的近风角度。

  上图就是分歧赛队AC72的翼帆设想,但总体来说,都是航空范畴玩儿剩下的,大同小异,这里也就不再具体比力了。说完翼帆,若是再看下面这张世人皆知的Point of Sail图,我们看看会发生什么。

  在进修分歧角度航行的时候,锻练经常会说,船和风之间的夹角变大,就得放帆。夹角变小,就得收帆。但一问具体缘由,老是换来一个含糊其词的谜底。横风跑要放帆是由于如许受风面积大?Too Naive!那,我们来继续破局,说个最最最简单的注释方式。

  上图中,翼帆的攻角为a。我们晓得,在一个确定的风速中,必然会具有一个数学上的最佳攻角,使得翼帆收到的升力最大。特别是像我这种懒人,那必定是但愿每时每刻都能连结这个最佳攻角啦,我们假设a就是这个最佳攻角~~

  然后,懒人要开船了,我们决定临时啥都不调,只是调转船头横风行驶。具体环境如上图,能够看到,若是不调帆,在横风的环境下,翼帆的攻角变成了角度b。前面我们提过,攻角并不是越大越好,一旦过大,就会形成失速,升力骤减。那怎样办嘞?

  很是之简单,调整翼帆的角度,使其从头等于最佳攻角a,也就是上图的这种环境。这也就是风帆调帆的素质——连结最佳攻角。(这里再插一句,在所有的point of sail中,顺风跑是个破例,由于那时候次要靠的是下降伞道理,翼帆升力的大小不起决定性感化。)

  但最初说一句,终究科学本就是一个可证伪的经验主义产品,谁都无法包管百分百的准确,但我们能够做的,是尽可能寻找谬误,由于这也是帆海精力的一种表现。”

  编纂于 2018-03-26

  附和 53

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  83 人附和了该回覆

  呵呵,曾经向良多人注释过这个问题。先要领会飞机为什么会飞。

  飞机起飞是由于空气通过机翼上下的气流不合错误称,从而发生一个向上的升力,当飞机速度越快,这个升力也就越大。

  好了,若是我们砍掉飞机的一个同党,并把飞机程度扭转九十度丢在海上,使飞机的同党垂直向上。其他功能不变,那会发生什么工作? 飞机向上的升力变成朝着机翼隆起标的目的的力,加上向前的推进力,就变成了一个偏转的合力。

  再设想一下,此刻飞机的策动机坏了,没有了向前的推进力,但海上的风仍是仍然吹过机翼。那飞机的前进标的目的若是忽略风的阻力的话,就该当朝着机翼隆起的标的目的前进。

  最初,飞机上的一个幸存者把机翼和飞机的毗连体例改成一个支点,能够180度程度扭转的勾当毗连。并用绳子操控扭转的角度,这就是风帆前进的道理了。

  有点绕,但愿能协助到你

  发布于 2014-05-10

  附和 83

  15 条评论

  YamorH

  这照旧不是我

  4 人附和了该回覆

  大帆海玩家路过弥补一下。

  若是是多桅风帆,明显风从侧面是吹过来时的受力面积更大。

  当风从后面吹来时,只要最初的帆完全被风吹到。(假设风的标的目的程度)

  当风的标的目的不程度时,程度标的目的上的分量是一样的。

  (请忽略渣画功。。

  发布于 2015-02-28

  6 条评论

  Gao Liang

  世界是本人的,与他人无关。

  2 人附和了该回覆

  没上过真风帆,可是无动力的风帆模子一度玩得比力熟练。借助帆船张开的大小和角度能够使风驱动风帆前行。没有正尾风不是风帆行进中的难点,学会分辨风向,水流的标的目的和操纵 之 字形走法,帆船的调整共同船舵能够把风力进行无效分化。风小不算出格蹩脚,大风是风帆最恐怖的仇敌,风力强到必然程度无论如何节制城市得到对船的掌控,强大的横风还会让风帆侧倾的很是严峻,导致把持愈加艰难。

  发布于 2014-05-14

  2 条评论

  cphphc

  2 人附和了该回覆

  我感觉该当把陈热铁和稀薄利亚的谜底整合到一路就完整了,以陈热铁谜底中第一幅图为例(称为图1),稀薄利亚的谜底注释了为什么会有R这个合力,由于帆被风吹鼓之后构成雷同于飞机机翼的外形(一面是平的,称为A面;另一面曲直面,称为B面),因为流体力学,发生了垂直感化于A面,标的目的向着B面的的力,就是陈热铁图中的R,然后再按照陈热铁的注释就晓得R怎样分化的,然后怎样使船逆风前进的了。

  再弥补一下,在图1中,A面能够理解为帆桅杆(称为P1点)和人手中拉着的线之间的平面)。

  感激陈热铁和稀薄利亚两位的回覆!

  编纂于 2016-08-21

  1 条评论

  pythonwood

  Linux迷Python粉

  1 人附和了该回覆

  风帆逆風前進的實驗

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