帆船逆風航行比順風速度還快,甚至比風速快,原理大揭密

2021-01-10 好奇世界的舒宜昂

前幾天看到了新聞,在我國海南海口舉辦了帆船比賽。說實話,我沒什麼興趣,不過還是有點吃驚,居然有這樣的比賽。船確實是離我的生活比較遠,更不要說帆船這種聽上去特別復古的交通工具。對於大部分人應該都是這樣,因為各種各樣的限制,船不可能成為我們日常的交通工具,甚至去坐船都會非常難得。就算是沿海城市的人們,應該也就是比其他地方的人看到多一點,但是乘坐的機會始終比較少。(文章最後有我個人對文章重點的總結,趕時間的話可以直接跳到最後面看總結。)

另一方面,也對自己狹小的生活範圍感到無奈。世界那麼大,人們都有自己的生活,而在自己看似日常的部分,在別人的眼中可能就是一次新鮮的體驗。人們往往在體驗了他人的日常時興奮不已,當回到自己生活的地方仍然是繼續重複原來的生活。雖然我沒辦法去親身試下帆船,但我還是很好奇帆船的原理。

提到帆船原理,大家第一反應肯定是以風為動力,隨風而行。古代確實是這樣,那時的帆船都是很大的帆布和桅杆,橫在船的中央,儘可能擴大面積來御風而行。但現在帆船大部分已經不是完全依靠風力了,現在有很多三角帆船,船帆豎在船中間。就算逆風也可以快速前進。那到底是什麼讓帆船動起來的呢?答案是伯努利效應。

按照慣例,我們先來介紹一下發現者伯努利。丹尼爾·伯努利是瑞士數學家、物理學家,伯努利家族成員之一,是最傑出的一位。他的工作涉及到代數、微積分、級數理論、微分方程、概率論等方面,但他最出色的工作是將微積分、微分方程應用到物理學,研究流體問題、物體振動和擺動問題。他被推崇為數學物理方法的奠基人,同時還是流體力學、概率和數理統計領域的先驅。

伯努利效應,又稱邊界層表面效應。伯努利效應適用於包括液體和氣體在內的一切理想流體,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。

伯努利效應在現實中的運用還是很廣泛的。就我們剛才說的帆船就是其中之一,三角帆船是曲面帆。雖然是逆風,但是因為風要繞過曲面帆,就產生了伯努利效應。迎風的一面風速大,壓強小,背面則是風速小,壓強大。所以船就向著壓強大的方面行駛。伯努利效應的產生,也是要有一點角度和條件的,特別是順風的時候,是不可能出現的。當在利用伯努利效應航行的時候,也需要採取Z字型進行前進。從不同角度逆風,產生最快的前行速度。

除了帆船運用了伯努利效應,還有其他的運動。比如兵乓球。上旋球是一種攻勢兇猛,進攻距離短和球飛行弧度大的攻球。桌球在打出瞬間,向上旋轉,在球體表面形成環流,球因向前飛還遭受空氣阻力。這時,環流在球體上面和空氣阻力相反,在球體下面和空氣阻力相同。也就產生了伯努利效應,球就有了一個向下的力和加速度。我們國家的兵乓運動員,都是使用伯努利效應的高手,多位運動員靠著上旋球輕鬆奪冠。足球中的香蕉球也是同樣的道理。

飛機和鳥飛行其實也是因為伯努利效應。不知道大家有沒有發現,飛機的機翼都是下面平坦,上面鼓起。這個幅度就是產生伯努利效應的關鍵。甚至飛機機身也是下面平坦,上面鼓起來,這並不只是為了在內部裝東西才這樣設計。如果沒有伯努利效應,它們都不可能在天空中翱翔。再想一想,飛機起飛的時候並不是像直升飛機一般垂直起飛,而是通過助跑緩緩起飛。這個時候如果沒有伯努利效應,飛機根本就是不可能飛起來,只有可能在陸地上前進。

而鳥的翅膀也是同樣的,翅膀都是有點彎。鳥的身體在飛行的時候,也是保持著腹部的平坦。所以扇動翅膀只是輔助飛行,真正讓它們翱翔的是伯努利效應。當它們俯衝的時候,為什麼會速度更快,也是一樣的道理。

另外還有一些日常的事例。我們在坐火車、高鐵和地鐵之前,要在站臺等著上車。那裡是不是會有一條黃線,之所以有這個範圍規定,就是因為車輛駛來會產生伯努利效應,從而把人向車輛吸,這是非常危險的。所以為了自己的人身安全,一定不要太靠近黃線範圍。

一個效應,應用廣泛,只不過我們並不知道而已。其實大部分人都是不會去追根究底,不會去探究其原理。當了解了一個原理,我們卻可以知道多種東西的運作方式。或許看似並不重要,但是當涉及相關問題的時候,我們就可以以最快的速度去解決。這就是我們無法及時得到的好處。

個人覺得是重點的總結:

1.丹尼爾·伯努利是瑞士數學家、物理學家,伯努利家族成員之一,是最傑出的一位。他被推崇為數學物理方法的奠基人,同時還是流體力學、概率和數理統計領域的先驅。

2.伯努利效應,又稱邊界層表面效應。伯努利效應適用於包括液體和氣體在內的一切理想流體,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。

3.很多運動都會使用到伯努利效應,比如帆船、兵乓球的上旋球和足球的香蕉球。

4.飛機和鳥的飛行也是運用了伯努利效應。

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