啥?帆船比风跑得还快?

这篇文章提到,帆船的速度可以比风速还快,甚至可以达到风速的3倍以上。

啥?真的么?为啥呢?

帆船是靠风航行的,所以大家脑子里面的帆船就是船上竖起一根杆子,然后把床单挂上去,风一吹就走了。如果是这样,那船无论如何也不会比风还快呀!郑和下西洋那个年代的船就是这样,那种帆叫做平帆。

而现代帆船的三角帆,在一些绳索的束缚下,被风吹成了一个弧形,从天上看,好似竖在船上的飞机的机翼一样。

飞机,因为机翼的形状,使得机翼上侧的风速变高,从而压力变小,然后就产生了一个向上浮力,把飞机托在空中。

帆船的帆和机翼一样,只不过风的方向从前方转到了侧方,浮力的方向从向上转向了向前。

所以,另外一个答案也就揭晓了。就是只有当风是从侧面90度吹来的时候,帆船才可以获得最大的向前的拉力,而不是直觉反应的在正后方。所以,帆船是被拉向前方而不是吹向前方的。飞机也是被拉上天而不是下面有风吹上天的。

那接下来更有趣的事情发生了。当帆船静止的时候,如果是左侧风,帆船会不断加速,但是一旦帆船有了向前的速度,帆船就会感知到迎面来的风。这个风和左侧风重叠在一起,从水手的角度,风开始从左侧转向左前侧。如果船速和风速一样的时候就会变成左前侧45度。

水手需要调整帆的位置,保证帆基本上和风平行,这样才会产生 更大的拉力。但这个拉力和船的方向已经呈45度了。这个45度的力再分解成一部分的向前的(小一点的)拉力,还有就是向侧面的推力。好在帆船船底有一个大家看不到的巨大的龙骨(Keel),横向移动的时候产生了巨大的水阻力,就让帆船像铁轨上的火车一样不会被吹离轨道。

即便这样,只要船速继续增加,风的方向会继续向正前方靠近,而风产生的拉力会逐渐减少,直到动态平衡在一个速度,速度不再增加。

最终,是一个很诡异的场景。从岸上的人来看,帆船是垂直于风高速航行的,而从水手的角度来看,帆船其实是逆风飞驰的。也就是说,从水手的角度,当风从左前方吹来的时候,船速是最高的。

有一种冰帆船(Iceboat),就是下面装了冰刀在冰面上航行的帆船,这个效应更明显,它可以以风速5倍的速度航行,而它达到最高速度的时候,风其实是从正前方偏几度的方向吹过来的。神奇吧!

后注:感谢 BV Captial 带我第一次在旧金山湾驾驶帆船,感谢 Eric Zheng 同学带我学习帆船驾驶技术。

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