乘风破浪的帆船

来源: 光盐行者于 2022-09-05 11:11:45 [档案] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读：次 (14021 bytes)

上研究生时我有个导师是意大利人。我原以为老教授可能对体育不会有太大的兴趣，即使有的话，可能也是足球。没想到在闲聊过程中，了解到他的最大兴趣是看帆船比赛。他谈起美洲杯帆船赛那眉飞色舞的样子，让我很难把他和一个学术大咖联系起来。

后来我才知道，美洲杯帆船赛(America's Cup)是世界范围内最具影响力的四个比赛之一(另外三个是:世界杯足球赛，奥运会，一级方程式赛车)。

美洲杯帆船赛源于1851年，一艘美国帆船“美洲号”（America）在英国和15艘皇家快艇舰队的帆船比赛，最后“美洲号”大获全胜，让当时的超级大国大英帝国很没面子。

此后的130多年时间里，美国在面对来自世界各国的25次挑战中保持不败，创下体育运动史上最长的连胜纪录。到目前为止，除美国外，只有澳大利亚，新西兰，瑞典拿过美洲杯。

我以前只在电视上看过帆船比赛(美洲杯的门票最便宜也要六千刀以上)。今年夏天，因为我在一个学术组织里任志愿者，这个组织为了奖励志愿者，在开了一个早上的会以后，下午让我们去Clear Lake坐帆船。这个地方虽然叫湖，但实际上连着大海，和墨西哥湾相通。去之前问了一下，发现我们这一伙人里没有一个人会开帆船的，所以船主人就和我们一起出行了，自任船长。船长是位看上去大约70出头的老者，年轻时当过兵，可能还是个官。32吨重的船，没有一个好船长和一些得力的"水手"，还真不容易摆弄。

没开船之前，老船长很威严地定了一些规矩，并给每个人分配一些任务。一些身体壮实的被分配干一些力气活。轮到我时，船长问了一下我的名字，然后说:我看你像个猴子一样跳来跳去，很灵活的样子，你负责解缆绳，系缆绳。所以我要最后一个上船，第一个下船。我们中有一个人被分派到负责拨充电电线。他就开始拔充电线。被船长大声呵斥:我让你拔了吗？你必须听从命令，等我让你拔时你再拔。这一顿呵斥吓得大家面面相觑不敢作声。七八个人在船长指挥下忙了20多分钟，才完成出航的准备工作。这么大一条船，在船坞里船船靠船停着，进出船坞都是个挑战。

老船长一通指令之后，我们的船终于缓缓地驶出了港口。虽然是个帆船，但是在港口里还是用充好的电池，凭驱动马达慢慢地开了出去。一路之上，老船长给我们讲解了很多东西。从湖里出到海湾的水道看上去是一片宽广的水面，但是实际上水的深度相差很大。有一条专门挖出来的很深的航道。水上有几个浮标，如果超出了这几个浮标，旁边水可能不够深，象这样32吨重的船就有可能搁浅。所以这一段放慢速度，开得很小心。

开过了这一段，到了深水区，船长把引擎关掉，这才开始真正的帆船驾驶。风帆打开了，风吹得哗哗作响，船在快速前进。

我们中四个人被安排负责控制风帆的方向，两个人一边。根据风向，听老船长的指挥，一边放绳另一边收绳。除了要有点力气，还要求收放速度比较快。特别是在船转弯的时候，四个人简直就是拼尽全力在收绳，放绳。眼看那巨大的风帆从一头呼啦啦转到另一头，风力在船上的作用就改变方向，然后船就按预定的方向行驶，真的神奇而又壮观。

刚开始出去的时候是顺风，所以我觉得很容易理解，风帆兜着风，船就相当于被风往前吹着走。我当时就想到了一个问题，问船长:我们回来的时候逆风怎么办呢？是不是要靠马达开回来？船长说:不用，你一会儿就会看到。

果然回程时我们四个人满头大汗，把风帆从一头转到另一头，船长在中间把舵，船很快调了180度头往回开。逆风确实也能走！但是我们四个人很辛苦，过一会儿就要拼命的放绳收绳。我一边全神贯注的听船长的指挥，一边心里就开始产生了怀疑:这船没有动力，怎么能光靠风而逆风行驶呢？这不是违反物理定律吗？不过我咬了咬牙，没有开口问，因为船长和我们四个人一直象打仗一样忙着控制风帆和船的航行方向，我想不应该在这时候去打扰船长。

回家以后我迫不及待就上网搜:为什么帆船可以逆风而行？结果让我大跌眼镜，原来这个帆船逆风行的工作原理还挺复杂的，居然要用到流体力学里的伯努利原理。大家可能都听说过伯努力原理，飞机为什么能起飞，就是这个原理。机翼形状的设计让机翼上部的气流速度和下部的气流速度不一样由此产生了压强差。空气就产生了向上的力，把飞机托起来。帆船上的风帆被风一吹，那形状确实象飞机的机翼。这个"机翼"的攻角是可以用两边收放绳子来控制的。角度控制得合适的话，可以让风帆所受的力和风的方向成一个小于90度的夹角。风帆所受的力可以分解成两个方向，一个是和船头到船尾的方向平行的，另一个是和船身的方向垂直的。下图中那个小小的heading force就是使得前往船往前进的力。

看到这里，你可能和我一样有一个问题:和船垂直的那个力看上去会很大，不会把船往垂直的方向推吗？我想答案是:可能会有垂直方向的少量移动，但是船的底部结构使得沿船身方向行驶时阻力很小，而横移的时候，阻力很大。所以，结果是船主要沿船头所指的方向前进，但是可能有一点很小的横移。

所以侧面顶风也是可以行驶的,船行驶的方向和风的方向必须有一个角度。这个角度太小的话，推船前进的那个风力会变得很小，甚至转成顺风方向，这样船就不能前进了(如下图所示)。

如果一定要完全逆风行驶，也是有办法的:船要走S型(如下图，真是很聪明的办法)，这也是为什么我们一直在收绳放绳而船长经常在打方向盘，因为船一直在转弯。

真没想到，一个小小的风帆还涉及到这么多巧夺天工的设计。我查了一下，历史最早使用帆船的是古埃及人，大约在公元前4000年就开始用帆船了。关键是那时候没有人懂伯努力原理，连数学公式都没有，更不要说偏微分方程了。但是人家埃及人就直接用了，不得不承认埃及人很伟大。就好象中国人学过平面几何的都知道勾股定理，但全世界其它国家的人都称之为毕达哥拉斯定理。没人否认这数学定理是毕氏严格证明出来的，但是在他之前的中国木匠早就用上了勾三股四弦必五，所以叫勾股定理也有一定的道理。

那天天气很热，所以开帆船时候还累得我一身大汗。当我们抱怨开个帆船真不容易时，老船长告诉我们:还有人独自开帆船环球一周的呢。以前我也听过这个新闻。坐过一次帆船才知道这有多难。风向一变，需要一个人把舵两个人放绳，两个人收绳，我们五个人还满头大汗。当然从理论上讲，可以减成三个人:一个人把舵，一个人放绳，一个人收绳。那会更累，但是应该是可行的。可是一个人怎么操作？