自然風(fēng)是為帆船提供動(dòng)力的唯一來源，那么它們的航行速度怎么能比風(fēng)吹的還要快上很多倍呢?這看似違背直覺，但并不違反物理規(guī)律，不過其作用機(jī)理著實(shí)有些匪夷所思。風(fēng)帆火箭2號(hào)（Vestas Sailrocket Ⅱ）于2012年，在風(fēng)速約46公里每小時(shí)，也就是6級(jí)風(fēng)的海況下，航行出了創(chuàng)紀(jì)錄的125.95公里峰值時(shí)速，達(dá)到風(fēng)速的2.7倍，超過了很多摩托艇，但這仍不是終點(diǎn)。
事實(shí)上，我們多數(shù)人所熟知的古代傳統(tǒng)方形船帆是做不到這一點(diǎn)的，因?yàn)檫@種帆只有一種作用力，就是風(fēng)直接吹在帆面上形成的推力。而隨著船速的增加，帆與風(fēng)之間的速度差逐漸減少，推力也就越來越小，直至與航行中水的阻力相平衡，加速度變?yōu)榱氵M(jìn)入勻速行駛狀態(tài)。在這種情況下，船速只能無限接近風(fēng)速，但永遠(yuǎn)也超越不了；也做不到直接逆風(fēng)行駛，只能采用斜順風(fēng)方式，在大范圍內(nèi)用之字形路線緩慢迂回來實(shí)現(xiàn)逆風(fēng)前進(jìn)。
所以，若想要進(jìn)一步提高航行速度和前進(jìn)效率，就必須要尋找直接推力以外的其它更加強(qiáng)大的動(dòng)力來源。這種力還真的存在，就在大自然中隱藏著，只是一直在等待著人們或被動(dòng)的在偶然間、或主動(dòng)的試驗(yàn)研究去發(fā)現(xiàn)。
因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是物體之間的相對(duì)位置變化，所以飛機(jī)可以看作是被大風(fēng)吹上天的，但若從飛機(jī)的正下方以起飛速度的風(fēng)力垂直的直接向上吹，這種平均作用于整個(gè)機(jī)體上的推力很難將飛機(jī)吹上天，但若是平著吹卻能夠獲得穩(wěn)定而強(qiáng)大的升力。
這得益于上下不對(duì)稱的曲面機(jī)翼設(shè)計(jì)，機(jī)翼上方的氣流速度快、壓強(qiáng)小，下方速度慢、壓強(qiáng)大，壓力差形成了強(qiáng)大的上升力。這就像是用手拿著一張紙，它會(huì)自然的彎曲垂下，但若向上表面吹氣，紙就會(huì)飄起來；往兩個(gè)乒乓球中間吹氣也是一樣，球不但沒有分開得更遠(yuǎn)，反而是貼得更近了。流體速度快的地方壓強(qiáng)就小，這就是源自機(jī)械能守恒的著名伯努利原理。
從下面這張水槽實(shí)驗(yàn)的動(dòng)圖中可以看到，上下表面的水流在水平位移上行進(jìn)的時(shí)間差不多，但是曲面的路程距離更長，所以流速要比另一面更快。
上下表面對(duì)稱的翼型，若保持一個(gè)仰角，上表面的流速依然是更快的。
自然界中，很早就已經(jīng)發(fā)展出了利用這種物理規(guī)律的方式。
那么，既然這種方式能夠提供更大、更高效的作用力，沒理由不擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。例如，將弧形機(jī)翼豎起來插在帆船上，然后側(cè)風(fēng)航行。
這樣，就將能夠使沉重龐大的飛機(jī)飛上天的巨大的垂直升力，轉(zhuǎn)換成了在水平方向上使帆船前進(jìn)的動(dòng)力。
此時(shí)，風(fēng)作用在船帆上的力分為兩部分，一是因曲面帆兩側(cè)氣流速度不同而形成的升力使船只前進(jìn)，二是由于帆的凹面對(duì)風(fēng)形成的阻力而產(chǎn)生的側(cè)向推力（在逆風(fēng)帆位時(shí)，升力方向的改變會(huì)分解出更大的側(cè)向分力，見后文）。為了克服側(cè)向力，帆船的底部都有各式各樣的板狀龍骨，在水中快速航行時(shí)可以對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的阻力，從而阻止帆船在前進(jìn)過程中的橫向移動(dòng)。
在風(fēng)的側(cè)向力與龍骨產(chǎn)生的反作用力雙重作用下，帆船的穩(wěn)定性大為提高。
風(fēng)對(duì)帆產(chǎn)生的側(cè)向力也會(huì)使船嚴(yán)重側(cè)傾，所以我們經(jīng)常能看到輕型帆船在快速行駛的時(shí)候，很多船員們都坐在一側(cè)充當(dāng)人肉壓艙石來進(jìn)行平衡。
但若風(fēng)力過大而帆位或航向調(diào)整不及時(shí)可能就壓不住了。。。
并且人肉壓艙石也不太好當(dāng)啊，壓著壓著可能就睡著了～～
現(xiàn)在我們清楚了，船帆設(shè)計(jì)成曲面而形成的側(cè)風(fēng)升力能夠使船更高效而穩(wěn)定的航行，但若物理規(guī)律僅止于此的話，帆船仍然是達(dá)不到數(shù)倍風(fēng)速的。
因?yàn)楹叫械迷娇?，水?duì)于船的前進(jìn)阻力也會(huì)隨之快速增大，很快就又達(dá)到了平衡進(jìn)入勻速行駛狀態(tài)。想要繼續(xù)加速，就需要更大的風(fēng)來產(chǎn)生更大的升力。就好比飛機(jī)在時(shí)速100公里的時(shí)候是飛不起來的，風(fēng)不夠大沒有足夠的升力，波音737得需要近300公里的時(shí)速才能起飛，但這么大的風(fēng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造出來的。
可是，對(duì)于帆船來說，更大的風(fēng)究竟要從哪里來呢？
自然就是如此的超乎想象，這種更大的風(fēng)源居然是由帆船自己創(chuàng)造出來的，然后供自己使用。。。
假若在一個(gè)西向微風(fēng)的天氣中，你走在路上能夠清晰的感覺到風(fēng)向和風(fēng)力，但你騎上自行車以時(shí)速20公里向北行駛，這時(shí)你感覺到的風(fēng)向和風(fēng)力就都發(fā)生了變化，風(fēng)力會(huì)略大于20公里，風(fēng)向是北偏西一點(diǎn)。
運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，你的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了變化，感覺到的風(fēng)也就隨之產(chǎn)生了變化。自然的風(fēng)，也就是相對(duì)于陸地或海面的風(fēng)稱為“真風(fēng)”，你在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中感覺到的風(fēng)叫做“體感風(fēng)”或“視風(fēng)”，視風(fēng)的大小與方向是真風(fēng)和你運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生的行進(jìn)風(fēng)疊加的結(jié)果，三者是矢量關(guān)系。行進(jìn)風(fēng)是假設(shè)周圍空氣靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)對(duì)象感受到的風(fēng)，與運(yùn)動(dòng)速度相同只是方向相反，在船上就叫做船風(fēng)。
視風(fēng)是由運(yùn)動(dòng)中的觀察者所真實(shí)經(jīng)歷的唯一的風(fēng)，如果隨身攜帶風(fēng)力儀器的話，記錄到的風(fēng)就是視風(fēng)。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，是不知道真風(fēng)大小和方向的，因?yàn)槟阒荒芨惺艿揭曪L(fēng)，真風(fēng)只能根據(jù)記錄到的視風(fēng)和自己的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過計(jì)算得出。
由此，我們可以知道真實(shí)作用于船帆上的風(fēng)是視風(fēng)，在側(cè)真風(fēng)至逆真風(fēng)范圍內(nèi)航行時(shí)，視風(fēng)總是大于船速和真風(fēng)的（注意看矢量三角形中三條邊長的比例和角度）。
那么，這就帶來了一個(gè)相當(dāng)違背直覺的現(xiàn)象，只要船在真風(fēng)的作用下開始動(dòng)了、有了初速，視風(fēng)風(fēng)速就增加了（大于真風(fēng)），作用于船帆上的升力也隨之增大；增大的升力進(jìn)一步將船加速，船速的增加又使得視風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)一步增大，繼而升力繼續(xù)增大、船繼續(xù)加速。。。。。。
循環(huán)加速，匪夷所思！自力更生的典型。。。
這個(gè)循環(huán)可以無限進(jìn)行下去、最終速度無極限嗎？感覺上好像是不可能，但在數(shù)學(xué)理論上來說的確是沒有限制的，一旦進(jìn)入數(shù)學(xué)中的無限概念就令人感到恐懼與絕望，因?yàn)楹孟裾娴目梢詿o限接近、無限大、無限小。。。
然而，真實(shí)世界中物理規(guī)律終歸無法超越，多個(gè)物理量是在同時(shí)發(fā)揮作用、相對(duì)變換、也在彼此限制的。對(duì)于帆船來說，視風(fēng)的速度雖然在不斷增加，但它的方向也是隨之在不斷變化的，逐漸向正逆風(fēng)方向接近。
在這個(gè)過程中，如果保持帆位不變，船帆對(duì)視風(fēng)的迎角將變小，空氣流過船帆凸面和凹面時(shí)的壓力差減小，升力也隨之變小，直至與水的阻力相平衡而勻速行駛。風(fēng)若是直接吹到了曲面船帆的凸面上，不但沒有升力了，還會(huì)把船吹得倒退。
所以，為了繼續(xù)獲得升力，就需要不斷的調(diào)整帆位。而帆位的調(diào)整將使升力的方向發(fā)生改變（升力垂直于風(fēng)向），但它可以分解出在航行方向上的分力，只是這個(gè)航向力將隨著視風(fēng)向正逆風(fēng)方向的不斷偏轉(zhuǎn)而逐漸減小趨于零，同時(shí)升力的側(cè)向分力逐漸增加，帆的凹面對(duì)風(fēng)的阻力也成為前進(jìn)的阻力之一。在隨視風(fēng)不斷增大的加速過程中，航向力先是隨之增大，然后又逐漸減小，直至與總的前進(jìn)阻力平衡而終止了加速，此時(shí)達(dá)到最大航速。
作用在帆船上的力詳解圖，可以簡單的理解為航向力、前進(jìn)阻力和側(cè)向力就行。
實(shí)際上，在達(dá)到理想的最大航速之前，側(cè)向力已增長到難以抗衡，航向與姿態(tài)都會(huì)失控，很容易側(cè)傾翻船。下圖中這艘三體運(yùn)動(dòng)帆船，雖然三名船員已經(jīng)展平了身體來努力抗衡側(cè)傾，但他們那一側(cè)的船身還是升的比較高。通過前面的分析，我們已經(jīng)知道了船體的側(cè)傾，并不是因?yàn)檎骘L(fēng)從橫向吹成這樣的，而是來自斜前方視風(fēng)形成的升力的側(cè)向分力造成的。
在現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)中，想要獲得更高航速的關(guān)鍵之處主要在于三點(diǎn)，一是盡量減小行駛阻力，二是能夠最大限度的以接近正逆風(fēng)的角度航行，三是克服側(cè)向力和側(cè)傾。所以，很多運(yùn)動(dòng)帆船都采用了水翼設(shè)計(jì)，就是像飛機(jī)那樣讓船在水中“飛”起來，減少船身的行駛阻力；為了克服側(cè)傾，多采用雙體、三體船身來加寬；海上的風(fēng)向在小角度內(nèi)并沒有那么穩(wěn)定，迎角過小時(shí)軟面的織物船帆很容易鼓不起來癟掉了，此時(shí)像機(jī)翼一樣的剛性帆體就成為首選。
為美洲杯設(shè)計(jì)的雙體輕型帆船能夠達(dá)到2倍真風(fēng)速，小小的兩片水翼就能讓它飛起來，巨大的主帆是硬質(zhì)剛性的，采用可操控的活動(dòng)襟翼來改變帆面的曲度。
碧海藍(lán)天，御風(fēng)而行，美妙至極～～
但對(duì)駕駛技術(shù)的要求非常高。。。
單體帆船為了對(duì)抗側(cè)向力更是絞盡腦汁，例如這樣舉著一只腳跑的。。。
而純粹為打破速度紀(jì)錄而設(shè)計(jì)的風(fēng)帆火箭2號(hào)，舍棄了操控性將船帆設(shè)計(jì)成傾斜的以更好的平衡各種力之間的作用來穩(wěn)定航行姿態(tài)，空重也僅有275公斤。
就連團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人兼駕駛員保羅的頭盔都是這樣的。。。
不過這是在風(fēng)帆火箭1號(hào)時(shí)戴的，當(dāng)時(shí)船體的氣動(dòng)設(shè)計(jì)仍有不足，導(dǎo)致船飛了起來，好在保羅沒有受傷。
現(xiàn)代高性能帆船的設(shè)計(jì)理念，最初由美國物理學(xué)家伯納德·史密斯在1963年出版的《40節(jié)（74公里）帆船》一書中提出，這個(gè)概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他的時(shí)代。伯納德參與過火箭和導(dǎo)彈設(shè)計(jì)，業(yè)余時(shí)間對(duì)超級(jí)帆船的設(shè)計(jì)研究了很多年，詳細(xì)闡述了剛性船帆和水翼以及龍骨的運(yùn)用，激發(fā)了很多設(shè)計(jì)師的熱情。但直到2007年，保羅的團(tuán)隊(duì)才突破了40節(jié)的航速，當(dāng)他興奮的聯(lián)系伯納德告訴他的想法成為現(xiàn)實(shí)時(shí)，伯納德已經(jīng)97歲高齡了。
在空氣沒有被壓縮之前，速度仍然可以繼續(xù)提高，并且保羅也認(rèn)為他們可以繼續(xù)創(chuàng)造紀(jì)錄。但是，水中的航行限制仍然非常大，船重、行駛阻力、側(cè)向力、側(cè)傾之間的問題很難平衡，海面上的波浪也導(dǎo)致了巨大的顛簸，穩(wěn)定性的降低使得進(jìn)一步突破3倍風(fēng)速異常困難。
那么，把帆船安上輪子、在平坦的陸地上行駛?cè)绾危?/strong>
前進(jìn)的阻力?。L動(dòng)摩擦）、側(cè)向阻力大（滑動(dòng)摩擦），行駛過程中通過空氣動(dòng)力學(xué)下壓車身進(jìn)一步增大側(cè)向阻力和抗側(cè)傾能力。由此，童年時(shí)期就是超級(jí)航海愛好者的英國工程師詹金斯，花費(fèi)十年設(shè)計(jì)、建造出的第五輛風(fēng)力車“綠鳥（Greenbird）”創(chuàng)造了202.9公里時(shí)速的世界紀(jì)錄，達(dá)到了約3倍風(fēng)速。如果天氣與場(chǎng)地合適，詹金斯認(rèn)為綠鳥能夠達(dá)到5倍風(fēng)速（最終速度不一定太高，但加速時(shí)間和距離要夠長）。
但是，車輪的前進(jìn)阻力仍然不夠理想，大家若是看過輪滑與滑冰比賽的話可能會(huì)感覺到它們之間的差異，所以還是給帆船穿上冰鞋吧！
因?yàn)闃O低的摩擦系數(shù)，冰船可以在真風(fēng)速非常小的氣象條件下行駛，達(dá)到5倍風(fēng)速是比較容易的，在良好的氣象與場(chǎng)地條件下甚至能夠達(dá)到10倍風(fēng)速，國際冰帆船競(jìng)賽協(xié)會(huì)比賽中的冰船大多在3～5倍風(fēng)速之間行駛。
達(dá)到風(fēng)速倍數(shù)的差別如此之大的原因在于，冰船與視風(fēng)之間最小能夠以7度角行駛，水上的輕型多體運(yùn)動(dòng)帆船最小是20度，而普通的現(xiàn)代帆船在45度角之內(nèi)就無法航行了，這是由足夠小的前進(jìn)阻力與抗衡側(cè)向力的能力決定的，帆船可以因此獲得最寬泛的持續(xù)加速范圍，也就是盡量做到升力最大化、阻力最小化。
人類對(duì)世界的理解，取決于對(duì)大自然的提問方式，沒有被偶然發(fā)現(xiàn)的、也沒有被主動(dòng)提出問題進(jìn)行研究的那些范圍，就是完全不知道、一直在隱藏著的。
雖然曲面風(fēng)帆對(duì)視風(fēng)這種神奇特性的利用令我們驚嘆，但帆船終究有所限制，既不能絕對(duì)的正逆風(fēng)前進(jìn)、在直接順風(fēng)中跑得也慢，這個(gè)結(jié)果似乎有些意猶未盡、不夠過癮。
那么，將風(fēng)帆換成螺旋槳如何？
這可能會(huì)進(jìn)一步挑戰(zhàn)我們的直覺，事實(shí)上這個(gè)想法當(dāng)初遭受了很多質(zhì)疑、批駁，被人嘲笑為另一種永動(dòng)機(jī)。
來源：人類旅程
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