小時候到姨夫家走親戚,他是個老漁民,為了讓我們玩得開心,就帶我們到他工作的漁船上溜達一圈。船頭兩側過年時貼的對聯上聯是:乘風破浪行萬里,下聯是:出入平安魚滿艙。我問橫批在哪裡,姨夫指了指主桅,在主桅的橫杆上,一幅長帖,寫著:大將軍八面威風。一般橫批都是四個字的多,我問姨夫為什麼這樣寫橫批,姨夫就耐心坐下來給我講什麼是八面威風。具體怎麼講的倒是忘記了,只記得他說,好的船老大不管風向如何,他總能把船開到他想去的地方。當時心裡就對那個想像中的船老大無比佩服。

長大後我自己也上了船,從普通船員干起,知道自己也成了一個船老大,雖然現在船上都是機械化了,但是小時候姨夫講的故事依然縈繞在心頭,也特別喜歡琢磨這個道理。

帆船(在傳統船員口中是不叫帆船的,因為帆翻同音,忌諱這個,一般我們稱呼跑風船,帆就直接叫做篷)在海里航行,受到兩個力的作用,風力、水流的推力,風力通過調節船帆的角度可以分解成兩個作用力,水下水流的推力可以通過調節舵的方向,也能分解成兩個作用力。知道這一點,順風不必解釋,側風也好理解,調節帆的角度,讓側面來的風力分解成一個對船體橫向的推力,一個往船前進方向上的推力,這樣船就會變成往前並且往下風方向前進,再通過調節舵的角度,利用水流的推力,化解抵消船體受到的側風推力,最後只剩下往前推的風力了。逆風行船,比較麻煩,得首先把迎面的風變成側向風,通過來回調節,讓船沿「之」字形路線前進,比如北風,船也要往北走,首先往東偏北方向前進,一定距離後再調節帆與舵,往西偏北方向前進,慢慢迂迴,最後總會到達目的地,就是這個過程比較長,要求船上水手配合默契。

現代競賽帆船比較小,船桅也少,比較好操作,古代大型遠洋帆船,往往會有前後幾隻豎桅,每支豎桅上又有幾道桁桿,航行時操作起來不亞於一個系統工程,每掛帆的角度不同,又可以產生不同大小與角度的分解力,這個得有專門精於計算的人負責,仔細了解了這些,你也會不由自主的敬仰我們祖先的偉大成就。

操作帆船,除非天氣狀況不允許,有風總比無風好,真正就怕的是沒有一絲風,這種情況下只好操槳,所以幾乎所有的帆船上都會備槳,現代條件下一般都配備有動力系統。


當然可以,帆船無論是逆風還是順風都可以前進。這跟船的製造技術無關,再普通的帆船都能做到,主要是靠船員的駕駛手段做到的。

我們都知道,風會吹動物體往相反的方向運動,這是最基本的物理常識。帆船也是利用了這個物理現象前進的。

如果順風,風直接吹到帆上面,產生推力,船會航行的非常快。

如果是逆風,那就需要技巧了。垂直硬著風肯定不行,那就被風吹的倒著跑了。這個時候就需要把船調整一下方向,讓風吹到帆的側面,讓風與船帆形成一個大概30度的角。這個時候風會把船往側面吹的同時,有一個像前的力。下面是我畫的草圖。請忽略畫功。

大致上就是這樣,藍色箭頭是風吹來的方向,紅色箭頭是船前進的方向。在風的作用下,船會往左前方行駛,前進一段路程後把船調轉方向到右邊,船就會往右前方行駛。

通過這樣的S形,達到往前跑的目的。在物理學中這叫做伯努利效應。


古代帆船可以在逆風時前行。古代帆船可以利用伯努利效應,走「之」字型路線,來實現逆風航行。

下圖是一張我們非常熟悉的圖,初中、高中教科書,以及很多科普讀物上都有涉及:

這是飛機的機翼截面圖,機翼上部凸起,下部平整。由於空氣通過上下的時間是一樣的,所以上面的空氣流速會高一些。進而,上面的壓力就小於下面的壓力,從而形成了升力。

帆船的船帆在特殊情況下,可以看成是特殊的機翼——一個豎起來的機翼。逆風的時候,在適當的角度下,可以產生向前的合力分量:

如圖,灰色箭頭是產生的向前推進力,黃色箭頭是阻力,風則從圖的上方吹來。在適當的角度、設計下,阻力不足以抵消向前的分力,從而帆船向右上方前進。前進一段距離之後,將船帆反過來,則會向左上方前進。如此反覆,船就會走「之」字向前運動。從而實現了逆風航行。

但是要注意的是,不是所有的帆都可以這樣。因為這裡要求這個帆可以自己保持自己的形狀,或是可以穩定的保持這樣的形狀。如上圖,若是在逆風下,船帆被吹的反了過來,那也就無法產生向前的力了,逆風航行也就無從談起了。

所以總結來說,帆船逆風航行,利用的就是伯努利原理,使得船帆獲得一個(近似)垂直於風的力,然後在適當的角度下,這個力可以推動帆船迂迴前行。


在古代,船的主要動力來源,就是風;順風的時候,我們都知道帆船能夠快速前進,那麼當風向是側風或者逆風時,帆船如何前進呢?

側風

船員們轉動帆的角度,將側面來的風分解成為船頭前進方向和前側方向的力,由於分解後前側方向的力與水中的阻力幾乎抵消,就剩下船頭前進方向推動船體向前運動。

側風情況受力示意

逆風

這時前進就更難了,不過由上面側風情況可知,同時調整船體和船帆的角度,可將逆風的風力分解為兩個力,一個船體往側面推,另一個力往船頭方向推,側面的力由於船體吃水的阻力被抵消,另一個力推動船體向船頭方向前進。

逆風情況受力示意

每隔一段時間,船員們更換一次船體和船帆的方向,這樣船就可以沿之字形路線前進,水手們把這種行船法叫做「搶風行船」。

之字形前進!

這裡需要補充一點的是,上述模型是進行了簡化了的,而且不是完全按照理論力學的力的分解方法來進行分析的;實際上風帆也不是平面,而是一個曲面,其中的還有一部分空氣動力學的原理,此處只是許多解釋中的一種簡單的解釋,不予詳細分析。

科技千里眼評論

由上可知,帆船是不能夠完全「逆風行駛」,但是由於採用了之字形的搶風行駛,它又能夠在逆風條件下,向著它的目標行駛,這是否能夠給我們的人生一些啟迪呢?

——當你明確方向時,即使走了一些「彎路」,也早晚能到達目的地。

進一步地,如果你不知道自己想要什麼,那麼永遠都不會有所謂的「順風」。


在中國稱為「嗆風,之字拐",是力學分解的巧妙運用,不僅有「嗆風帆,而且還有「嗆水板"把風力分解力垂直於帆和平行於帆,平行的貼帆而過不受什麼力,被「浪費「掉,垂直的會推動帆,「前側風"可使船前行,純逆風可用「之字拐"變逆風為前側風,折線實現總體前行。

有水流而無風的水面還可以用船底的嗆水板,實現無風前行。

在陸地工地或運輸車隊,也有插風帆的獨輪車,藉助風力省力,叫帆羽,或羽帆,有時形象的稱為「羽林鈴」。

總結一下,這種力學分解應用有水上嗆風帆,陸上嗆風帆,和水下嗆水板,幾種應用,節能使力,只是機動力出現後被取代。


使用三角帆,運用伯努利效應

1726年,伯努利通過無數次實驗,發現了「邊界層表面效應」:流體速度加快時,物體與流體接觸的界面上的壓力會減小,反之壓力會增加。為紀念這位科學家的貢獻,這一發現被稱為「伯努利效應」。伯努利效應適用於包括氣體在內的一切流體,是流體作穩定流動時的基本現象之一,反映出流體的壓強與流速的關係,流速與壓強的關係:流體的流速越大,壓強越小;流體的流速越小,壓強越大。


答案是能。古代帆船的動力來源有兩個,一個是風,一個是人力。順風或者偏風的時候,升起帆即可航行,如果遇到逆風,就降下帆找避風港停下來。人力是在無風的時候作為動力保持航行的。所以逆風條件下,帆船無法前行,即使人力也不可改變。首次實現逆風航行是蒸汽機應用到帆船上以後,也就是我們說的輪船。至於提問者的問題,船在逆風下能不能走,當然能了,往後走!逆水行舟,不進則退,退不是走嗎?


為什麼說到古代呢?到上世紀70年代,在中國沿海跑運輸的多是帆船。走船不怕逆風,就怕沒風。逆風就是走之字,逆風就變成側風了,風越大越好走。有一次六七級風時逆風坐船,船傾斜得很厲害,看到船帆都要刮的海浪了,嚇得夠嗆,看到船老大很泰然,也就慢慢放心了。


大家說了很多,我總結一下,補充一點。船使八面風,在任何情況下都前進,這在海里或大湖裡是沒問題的,古代的遠航海帆船都是組合帆;江河裡的船一般是單面帆,順風用帆,逆風順水則收帆放桅靠水流驅動,逆風逆水就要收帆放桅靠人力拉縴了。


古代的帆船設計不及現代帆船,逆風是不能行駛的,最多能走到側風航行,所以在古代只能等季風的到來,所以在古代出門一次時間挺長的,古代中國沿海基本就是冬天順北風南下,夏天順南風北上。


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