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发表于 2008-12-16 12:12
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迎角的角度必须十分精确。如果该角度保持与风太近,则船帆的前部将“抢风”或摆动。如果其角度太宽,则沿着帆的曲面流动的气流将分开并且周围的空气重新聚合。这一分离产生了旋转空气的“停转区域”,导致风速下降、压力增加。因为船帆的曲率将始终导致帆的尾端与风向所成的角度大于与最先着风之帆缘所成角度,所以帆的后缘的空气不能沿着曲面流动并返回周围自由空气的方向。理想上讲,在气流到达帆的后缘前不应开始分离。但随着船帆的迎角加宽,分离点逐渐前移并将其后的一切保留在停转区域。
迎角的影响
您可能看到,除了迎角保持正确角度以使空气能够顺利通过外,关于风与帆关系的另一重要因素就是船帆必须具有正确的曲率,以保证空气始终附着在船尾。如果曲线太小,则气流将不弯曲,并且将不会产生导致速度增加的压挤效果。如果曲线太大,则气流不能被附着。因此,只有在曲率不太大并且迎角不太宽的情况下才能发生分离。
这样,我们现在就知道风帆压力是如何在理论上和实际中形成的。但这些压力是如何令船只前行的呢? 让我们更深入地了解其中的奥妙。
在海平面上,每平方米的气压是 10 吨。当船帆的背风面上的气流增强时,您从上文可以知道气压将下降。假定每平方米将下降 20 千克。同样,迎风面上的气压将增加 - 假定每平方米增加 10 千克(请记住,下拉压力强于推送压力)。并且即使背风压力是负向并且迎风压力是正向的,它们都作用于同一方向。因此现在我们每平方米约有共 30 千克的压力。将其乘以 10 平方米风帆大小,我们在该风帆上已产生了共 300 千克的合力。
船帆上的每一点都作用了不同的压力。压力最强处位于弦深处,即船帆曲面最深处。这也是气流最快和压力下降最大的地方。随着气流向后移动并分离,力量也随之减弱。这些力量的方向也会更改。在船帆的每一点上,该力量与帆面保持垂直。船帆前部的力量最强处也在最前方向上。在船帆的中部,力量更改为侧方向,或倾斜方向。在船帆的后部,随着风速的下降力量也逐渐减弱,并导致向后方向或往后拉的方向。
船帆各处上的压力都可以计算出来,以便确定其每一面上前部、后部和牵引部位的相对力量。因为向前的力量还是最强的,所以施加在船帆上的合力还稍偏向前的,但主要是侧方向。增加船帆作用以获得更多向前的驱动力还导致侧向力的更大的增加。因此,当风施加在侧面的力量达到最大时,船只是如何前行的呢? 这涉及船帆与风的迎角,还涉及船只与水的阻力问题。 水
在船只逆风航行时作用的力量
合力的方向与帆弦近乎垂直。当帆弦与船只的中线平行时,主要力量几乎完全施加在侧面。但是,如果船帆成一点儿角度,以便船帆产生的力量稍微向前,则船只本身会立即前行。为什么会这样?船的中线(即龙骨)作用于水的方式类似于船帆作用于风的方式。龙骨产生的力量与船帆倾斜力相反的力量 - 它使船完全保持船帆形成的力量的方向。并且尽管风帆合力始终作用于迎风的那面,但正确的迎角将使船只前行。
船帆的角度距离船体中线越远,着力点施加于正面相对于施加于侧面的数量越多。 将正向力量的稍微调整与水相对于空气的反向力量结合起来,我们将令船只迎风前行,因为现在水流的阻力最小。 |
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