直挂云帆济沧海

2008-11-04科技之光

走近科学 2008年11期

科技之光

以风为“燃料”，以帆为“马达”，在蓝天碧海间纵横驰骋、一争高下，这便是奥运会上最悦目赏心的水上项目帆船比赛。轻盈快捷的飞行荷兰人型、芬兰人型、470型、星型、激光型、49人型；稳健厚重的暴风雨型、索林型；双体合一的托纳多型、十平方米型；小巧玲珑、介于帆船和冲浪之间的米斯特拉、RSX帆板。五彩缤纷的帆船展开了奥运会上最辽阔壮美的海上风景，也成为高悬了十多块金牌的“战略要津”。

帆船是人类驾驭自然力量最早的杰作，当万里长风鼓动了麦哲伦、哥伦布的船帆，便从根本上改变了地球文明的进程。1896年雅典奥运会上，帆船就被列为正式比赛项目，因为爱琴海天气恶劣未能举行。丹麦最杰出的帆船泰斗保罗.埃弗斯特隆曾四次蝉联奥运金牌，56岁时还和女儿特琳同船参加洛杉矶奥运会托纳多级比赛；前苏联选手瓦伦汀.曼金在奥运会中夺得三个不同级别帆船比赛冠军;美国运动员哈里.美格斯独自拿下了奥运会和美洲杯两项大赛金牌；英国姑娘艾伦.麦克阿瑟2005年打破由男性保持的帆船环球航行纪录，震惊了整个世界(图１）。现任国际奥委会主席罗格也曾经是优秀的帆船运动员，先后参加3次奥运会并获得过帆船世界杯冠军。百年之间，帆船运动风生水起，造就了许多传奇人物和传奇故事，体育界对人、船、水、风之间相互关系的理解也日益加深。

（１）比赛中艾伦.麦克阿瑟像男选手一样努力拼搏

用浮标在海面围出一块多边形水域，参赛帆船绕标航行，整个赛程下来，航向常常要经历360度的变化，这便向选手们提出了“八面来风”的挑战。顺风航行的原理浅显易懂，帆对风的阻力就是风对帆的推力，古人使用的方形横帆便是只有“一路顺风”时才能“风正一帆悬”的。但帆船能够“顶风行驶”却常常令人困惑不解，其中的奥妙何在呢？

将手中的拖把垂直对着地板，拖把显然无法推进，但如果倾斜一个角度，拖把就能向前移动了；在桌面上紧贴着直尺放一块三角板，施加在斜边上的力会把三角板沿直尺方向“挤”跑。帆船在水中能逆风行驶，也必须和风的方向形成45度左右的夹角，风的压力作用在船帆上，便能产生向前推动的分力（图２）。

（２）图组:模拟帆船逆风行使所受到风推力

更主要的原因在于，自从公元9世纪阿拉伯人发明了三角帆，船帆便不再是装风的口袋，而成了飞翔的翅膀。我们不妨先看看飞机是如何升空的:气流在机翼前缘一分为二，沿着上、下表面流到后缘会合。由于机翼的上表面凸起，下表面平直，因此上表面气流速度大，下表面气流速度小，根据“伯努利原理”，流动快的空气压强小，流动慢的空气压强大，机翼上下方的压力差便是托举飞机翱翔蓝天的升力。公元9世纪阿拉伯人发明了三角帆后，船帆便酷似一个竖直而立的机翼，风在帆的前缘被劈开，再流到后缘去会合，由于帆的迎风面凹陷，背风面凸起，形成了一定的曲度，致使空气在背风面的流速大于迎风面的流速而形成低压区，于是“伯努利原理”便“立即生效”了(图３）。这时的船帆从海平面每平方米10吨的静止气压中获得巨大的空气动力，成为帆船前进的“引擎”。当帆船逆风行驶时，必须通过不断地转舵“换舷”，沿着“之”字形路线航行。船与风向的夹角越大，航速越快，不过会以航程加长为代价。逆风航行是选手最容易拉开距离的赛程。

（３）根据伯努利原理船帆在逆风中受到了“拉力”

但无论来自船帆迎风面的“推力”和背风面的“吸力”都会使船发生横向漂移，这又要靠安装在船底的纵向挡水板来抵消船帆的侧向分力了。和船身连为一体的挡水板叫“龙骨”，能够随时抽起和放下的叫“稳向板”。它们在水中巨大的横向阻力确保了船体能在很小的“漂角”下直行前进（图４）。

（４）图组:龙骨（左）稳向板（中）作用于帆船平面示意图（右）

1988年汉城奥运会上，加拿大帆船运动员勒比厄放弃夺金机会援助翻船的新加坡选手，一时间传为佳话。但“水能载舟，也能覆舟”的事却在帆船竞赛中屡见不鲜。静止状态下，船的重心和浮力中心在同一条垂线上，当船倾斜时，一侧的部分体积离开水面，另一侧则会有同样的体积浸入水中，浮力中心也随之外移，于是浮力力矩使船体恢复平衡。这也是平底船比尖底船稳定性更好的原因。我们把浮力作用线和船体中心线的交点称为“稳心”。“稳心”越高于重心，船就越稳定。航行中船帆的横向分力与龙骨和稳向板的阻力之间会对船产生倾侧力矩，如果船的重心落在浮力中心的外侧，也就是重心高于“稳心”时，翻船的事故就会发生了。船的龙骨使用较重的材质来“压仓”和降低重心，其稳定作用颇似科技馆里带有“配重锤”的自行车能在空中钢缆上骑行，将人-车系统变成一个“不倒翁”。帆船比赛中常常看到运动员把身体远远“挂”在船外“压舷”，有时还要穿上铅质坎肩，就是为了改变船的重心位置以保持稳定平衡（图５）。

（５）船舶稳定性示意图

2004年雅典奥运会，爱琴海上高手云集，群帆竞发。最后一轮比赛中，饱经风浪的悉尼奥运会米斯特拉级冠军森尼西却选择了错误航向，结果落到了10名以后。帆船比赛确实需要“见风使舵”的本领。海面上实际吹动的风叫做“真风”，船只运动产生的风叫“行进风”，乘员在船上感觉到的风叫做“体感风”，它是真风与“行进风”的合成，速度往往比真风更大。船在横风行驶时速度比顺风还快，因为船帆能获得更有效的推动力。而海面的风力、风向复杂多变，阵风、乱风随起随落，这便需要敏锐的观察、清醒的判断和果敢的决策。运动员随时要调整航向寻找最优路线，收放索具控制船帆拱度，千万别以为船帆上缀着那些飘动的小布条是为了装饰，英语管它们叫telltales，意思是告密者。这些气流线随时透露着风的“情报”（图６）。当迎风面和背风面上的“小尾巴”都能同时欢快流畅的飘舞时，船帆就找到了最佳的攻角。竞赛中，处于上风的船设法挡住追赶者的风，这是十分有效的计谋和战术。

（６）随风飘荡的小布条是风向的“告密者”

16世纪的时候，在茫茫大海上无法判断航船的速度，聪明的水手将等距离打结的长绳拖着漂浮物抛到海中，再定时收回进行计算，这便是海船速度通用计量单位“节”的来源（图７）。1节相当于每小时1海里，或1.852公里。今天，轻盈坚固的玻璃钢、碳纤维及新型复合材料取代木材，使船和水接触的“湿面积”不断缩小，带来波浪阻力和摩擦阻力的减少。计算机对船体流体力学性能的模拟设计，风洞试验对船帆材质和三维形状的优化选择，都使当代帆船在“头尖体长”的基本模式下不断改进。法国人设计的双体帆船在2007年创造了47.2节的航速，比“真风”的速度快3至4倍。当今帆船最高速度的世界纪录是英国人梅纳德2005年创造的，达到48.7节，已经十分接近于公认的50节极限，简直象掠过海面的水上飞机（图８）。