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簡介工作原理 船帆的作用

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簡介工作原理 船帆的作用

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【簡介工作原理 船帆的作用】基本信息編輯
中文名
帆船
外文名
Sailboat
拼音
chuán fān
作用
利用風力給海船提供動力
分類
船首帆、船尾、.上帆、斜帆
船帆編輯
利用風力給海船提供動力的帆布
船帆 ， 掛在桅桿上張開時能利用風力推動船只在水上前進的獸皮、帆布或其他織物 。
根據風吹來的方向不同可以調整角度 ， 以有效利用風能推動船前進 。
目錄
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簡介
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chuán fān
船帆的種類 ， 根據位置的不同 ， 分為船首帆、船尾、.上帆、斜帆、四角帆和三角帆『主帆』 。這其中根據作用的不同大致又分橫帆和縱帆『拉丁帆』 。相比較下 ， 橫帆適于順風航行 ， 縱帆適于稍微斜一點的風航行 ， 也就是說在順風時候橫帆的速度快一點 ， 在逆風情況下縱帆的效果比橫帆好 。
船帆的最先著風之帆緣稱作前緣 ， 它位于船只的前部． 后部的船翼后緣稱作帆的后緣． 從前緣到帆的后緣的假想水平線稱作弦． 船帆的曲度稱作吃水 ， 并且從弦到最大吃水點的垂直距離稱作弦深． 充滿空氣以形成凹面彎曲的船帆的一面稱作迎風面．向外吹以形成凸起形狀的一面稱作背風面．
工作原理
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簡介工作原理 船帆的作用

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船帆[船帆工作]
船只借助帆的每一面所產生的力量沿著迎風方向移動． 迎風面的正向力量（推力）和背風面的負向力量（拉力）合在一起形成了合力 ， 這兩種力量都作用于同一方向．
在1738年 ， 科學家丹尼爾·伯努利發現 ， 氣流速度與周圍自由氣流成比例增加 ， 從而導致壓力的降低 ， 而這可令氣流速度更快． 這種情況在帆的背風面發生即空氣流動速度加快并在帆的后面形成低壓區域．
為什么空氣會加速？空氣與水一樣 ， 都是流動的． 當風匯聚并且風被帆分開時 ， 一些風附著在凸起面（背風面）并將帆扯起． 為了其上“未附著”的空氣穿過帆 ， 帆必須向不受帆影響的氣流外彎曲． 但此類的自由氣流往往保持其直線流動并妨礙航行． 自由氣流和彎曲的船帆合在一起形成了一個窄道 ， 起初的氣流必須從中經過． 因為它不能自行壓縮 ， 所以空氣必須加速以從該窄道擠過． 這就是氣流速度在帆的凸起面增加的原因 。
一旦發生這一情況 ， 伯努力的理論就得以生效． 窄道中增加的氣流要快于周圍的空氣 ， 并且在氣流速度加快的區域壓力將下降．這就產生了鏈式反應．隨著新的氣流接近最先著風之帆緣并分開 ， 它更多地流向背風面——氣流被吸引到低壓區域并被高壓區域所排斥． 現在即使更大塊的空氣也必須更快地擠進凸起帆面和自由氣流形成的窄道 ， 這令空氣壓力更低． 這一情況不斷發展直至達到現有風力條件的最大速度 ， 并且在背風面形成最大低壓區域． 請注意 ， 只有在氣流達到曲面（弦深）的最深點后氣流才增加． 在達到這一點之前 ， 空氣不斷匯聚和加速． 超出這一點后 ， 空氣分開并減速 ， 直到再次與周圍空氣速度相當 。
在其間 ， 在帆的迎風面發生相反的情況． 隨著更多的空氣流過背風面 ， 迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴展空間的空氣將減少．由于這些氣流四散流動 ， 所以其流速下降到比周圍空氣還低的速度 ， 這導致壓力增加 。
在了解了這些潛在的力量之后 ， 我們如何在實際中借助這些力量來使船只移動呢？我們需要在風帆和風之間建立理想的關系 ， 使風不但加速流動 ， 而且可以沿著帆的凸起面流動． 船帆和風之間的這一關系的一部分稱作迎角． 描繪與風平直的船帆． 空氣均勻分開到每一面上 － 船帆下垂而不是充滿成彎曲形狀 ， 空氣沒有加速以在背風面形成低壓區域 ， 并且船只沒有移動． 但如果船帆與風向剛好成正確角度 ， 則船帆會一下子充滿風并產生空氣動力 。
迎角的角度必須十分精確． 如果該角度保持與風太近 ， 則船帆的前部將“搶風”或擺動． 如果其角度太寬 ， 則沿著帆的曲面流動的氣流將分開并且周圍的空氣重新聚合． 這一分離產生了旋轉空氣的“停轉區域” ， 導致風速下降、壓力增加． 因為船帆的曲率將始終導致帆的尾端與風向所成的角度大于與最先著風之帆緣所成角度 ， 所以帆的后緣的空氣不能沿著曲面流動并返回周圍自由空氣的方向． 理想上講 ， 在氣流到達帆的后緣前不應開始分離． 但隨著船帆的迎角加寬 ， 分離點逐漸前移并將其后的一切保留在停轉區域．
除了迎角保持正確角度以使空氣能夠順利通過外 ， 關于風與帆關系的另一重要因素就是船帆必須具有正確的曲率 ， 以保證空氣始終附著在船尾． 如果曲線太小 ， 則氣流將不彎曲 ， 并且將不會產生導致速度增加的壓擠效果． 如果曲線太大 ， 則氣流不能被附著． 因此 ， 只有在曲率不太大并且迎角不太寬的情況下才能發生分離．
這樣 ， 我們現在就知道風帆壓力是如何在理論上和實際中形成的． 但這些壓力是如何令船只前行的呢？讓我們更深入地了解其中的奧妙．
在海平面上 ， 每平方米的氣壓是 10 噸． 當船帆的背風面上的氣流增強時 ， 您從上文可以知道氣壓將下降． 假定每平方米將下降 20 千克． 同樣 ， 迎風面上的氣壓將增加 － 假定每平方米增加 10 千克（請記住 ， 下拉壓力強于推送壓力）． 并且即使背風壓力是負向并且迎風壓力是正向的 ， 它們都作用于同一方向． 因此現在我們每平方米約有共 30 千克的壓力． 將其乘以 10 平方米風帆大小 ， 我們在該風帆上已產生了共 300 千克的合力．
船帆上的每一點都作用了不同的壓力． 壓力最強處位于弦深處 ， 即船帆曲面最深處． 這也是氣流最快和壓力下降最大的地方． 隨著氣流向后移動并分離 ， 力量也隨之減弱．這些力量的方向也會更改．在船帆的每一點上 ， 該力量與帆面保持垂直． 船帆前部的力量最強處也在最前方向上． 在船帆的中部 ， 力量更改為側方向 ， 或傾斜方向．在船帆的后部 ， 隨著風速的下降力量也逐漸減弱 ， 并導致向后方向或往后拉的方向．
船帆各處上的壓力都可以計算出來 ， 以便確定其每一面上前部、后部和牽引部位的相對力量． 因為向前的力量還是最強的 ， 所以施加在船帆上的合力還稍偏向前的 ， 但主要是側方向． 增加船帆作用以獲得更多向前的驅動力還導致側向力的更大的增加． 因此 ， 當風施加在側面的力量達到最大時 ， 船只是如何前行的呢？這涉及船帆與風的迎角 ， 還涉及船只與水的阻力問題．
合力的方向與帆弦近乎垂直． 當帆弦與船只的中線平行時 ， 主要力量幾乎完全施加在側面． 但是 ， 如果船帆成一點兒角度 ， 以便船帆產生的力量稍微向前 ， 則船只本身會立即前行． 這是為什么呢？船的中線（即龍骨）作用于水的方式類似于船帆作用于風的方式． 龍骨產生的力量與船帆傾斜力相反的力量 － 它使船完全保持船帆形成的力量的方向． 并且盡管風帆合力始終作用于迎風的那面 ， 但正確的迎角將使船只前行．
船帆的角度距離船體中線越遠 ， 著力點施加于正面相對于施加于側面的數量越多．將正向力量的稍微調整與水相對于空氣的反向力量結合起來 ， 我們將令船只迎風前行 ， 因為現在水流的阻力最小．