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帆船怎么可能比风还要快?

时间:2023-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:好吧,看到这道面试题,我第一个本能的反应就是:这个问题一定有诈,因为帆船不可能跑得比风还快。江河里漂流木的前进速度不可能超过水流的速度,那么帆船的速度又怎么可能超过推动它前进的风速呢?当然,飞机的升力是垂直向上的,而帆船的升力是水平方向的,能够推动船只快速前行。三角帆船的前进速度几乎可以达到风速水平。

(工程学,牛津)

好吧,看到这道面试题,我第一个本能的反应就是:这个问题一定有诈,因为帆船不可能跑得比风还快。江河里漂流木的前进速度不可能超过水流的速度,那么帆船的速度又怎么可能超过推动它前进的风速呢?这些不都是常识吗?哼,你们骗不到我的!当然,我也可以表现得稍微“聪明”一点,说肯定是因为帆船带有“外挂式发动机”或者“放在飞速行驶的货车上”。但是这些油腔滑调、自作聪明的回答最多只能吸引面试官一两秒钟的注意力,总的来说对回答问题并没有太大的帮助。

如果你能沉下心来认真思考一下帆船的工作原理,马上就会意识到有时候仅凭常识是找不到正确答案的。在科学发展史上,一些最伟大的突破性成就往往来自某位天才人物某一天突然认识到常识性的和明显的答案实际上恰恰是最不靠谱的答案。亚里士多德曾经根据常识做出判断,认为如果没有持续推动力或牵引力的作用,物体的运动速度很快就会放慢并最终静止不动。两千多年来人们一直对该观点深信不疑。后来,才华横溢的伽利略认识到摩擦力在减慢物体运动速度的过程中起了决定性的作用,而物体本身并没有放缓运动速度的自然倾向。实际上,与亚里士多德当初的判断刚好相反,如果没有外力的作用,一个运动中的物体会以同样的速度一直运动下去,而使其运动速度放缓的作用力通常均来自摩擦力。当然,现在人们对摩擦力的认识已经成为一种常识,这主要应该归功于伽利略那个著名的斜面实验。

再回到帆船这个问题上来。同样道理,在回答这个问题的时候根据常识得出的结论也并非正确答案,如果你稍有一些驾驶帆船的经验就会知道答案与常识刚好相反。虽然本能告诉我们是风在吹动帆船前行,但实际上今天的帆船很少有只靠风力鼓动风帆推动船只前行的。

当然,早期的帆船和现代帆船的工作原理不大一样。人类最早的帆船使用横帆索具,即在桅杆的梁上或帆桁上横跨船只垂直悬挂方形船帆。这种船帆虽然构造简单,但却十分有效,而且符合常识观念,是由风力从后推动船只前行的。这样的帆船在行驶的时候永远处于下风口,在风力的推动下永远“跑在”风的前面。因为风的推动力来自后方,虽然船上的帆和桅杆会随风转动,但船只本身会一直保持稳定。

此外,推动老式帆船前进的风力并非必须来自正后方,因为帆桁可转动45度捕捉来自不同方向的风作为船只的前进动力。通过走“Z”字形路线抢风行驶,这些构造简单的方帆船甚至可以逆风前进(风向和前进方向的夹角不得超过70°),不过这种船的行驶速度永远都无法超越风速。

距今约两千年前,中东某个地区的人发明了纵向帆船。这是人类历史上一个重大的科技突破,可惜其价值经常被人低估。构造简单的老式方帆船其风帆横跨船只且垂直于头尾方向,而纵向帆船上的船帆与头尾方向保持一致,船上的风帆可以是方形的,也可以是三角形的,今天的阿拉伯独桅三角帆船就保留了早期纵向帆船的风帆形状。三角帆的一边固定在桅杆的帆桁上,从顶点斜向下拉至船尾,船尾那个角用绳子固定。

三角帆的工作原理与方形帆迥异,它更像是飞机的机翼,其动力来自以任何角度吹向帆面的风力。如果帆与风的角度合适,由于船帆本身的曲线导致其两侧存在风压差,风帆就会产生像机翼一样的“升力”。当然,飞机的升力是垂直向上的,而帆船的升力是水平方向的,能够推动船只快速前行。

风帆所承受的压力也会导致船只侧翻,因此需要在船底设置龙骨以降低帆船倾覆的风险,这同时也能确保船只与风向保持一定的角度,从而保持风帆所承受的压力。帆船能在水面上飞掠前进的关键就在于要保持风压与侧面水压之间的平衡关系。

三角帆船的前进速度几乎可以达到风速水平。早期的三角帆船最多能够在与风向夹角保持40°的水平前行,而有些现代游艇的前进方向与风向夹角可低至20°以下。一般情况下,普通巡航游艇的行驶方向与视风(相对于船只的风)呈约45°角,高性能现代赛艇则可低至27°左右。如果风帆能与风向保持正确的角度,帆船就可以产生足够的升力,推动船只以高于风速的速度前行,有些现代化的双体船可以很轻松做到这一点。

实际上,最快的双体船速度可达风速的两倍,有些沙艇甚至可达风速的三倍。2012年,澳大利亚人保罗·拉森(Paul Larsen)驾驶Vestas Sailrocket三体水翼艇以最高时速65.45海里打破了最快帆船的世界纪录。这已经是风速的2.5倍了,但拉森相信还能跑得更快!

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