逆风航行的帆船

帆船是如何做到逆风航行，或像水手所说的那样“前侧风”航行呢？水手们会告诉你，帆船无法正顶着风航行，只能在跟风向呈锐角时前进。这个锐角非常小，大约是 个直角，约为22度。但我们很难理解顶风行驶和与风向呈22度角行驶之间能有什么区别。

实际上，这两种情况确实有区别。让我先来解释一下帆船如何在与风向呈锐角的时候航行。首先，我们来看看，一般情况下，风是如何作用于帆的，或者换句话说，当风吹向帆的时候，会把帆往哪个方向推。你大概会认为，风总是会把帆推向它所吹的方向，但事实并非如此，无论风往哪里吹，它都会把帆推到垂直于帆面的方向。我们假设图15中箭头所示的方向就是风吹的方向， AB 线表示帆，由于风均匀地作用于帆的整个表面，我们可以用施加在帆中心的作用力 R 来代替风的压力。把这个力分解成两个力：垂直于帆的作用力 Q 和跟帆平行的作用力 P （图15右），作用力 P 不能推动帆，因为风和帆之间的摩擦太小，可以忽略不计。剩下的只有作用力 Q ，它沿着垂直于帆的方向推动着帆。

认识到这一点，我们就很容易理解为什么帆船能够在跟风向呈锐角的情况逆风航行。假设图16中的 KK’ 线表示帆船的龙骨线，风沿着与这条线呈锐角的方向吹。 AB 线表示帆，我们把帆转到某个位置，使它刚好平分龙骨方向和风的方向之间的角。现在我们来对图16中的力进行分解。力 Q 表示风对帆的压力，这个力垂直于帆。对这个力进行分解，我们得到垂直于龙骨的力 R 和沿龙骨线向前的力 S 。由于船朝着力 R 的方向运动时，会遇到水的强大阻力（帆船的龙骨直至水流深处），力 R 几乎被水的阻力完全抵消。剩下的只有向前的力 S ，正如诸位读者所见，它向前推动着帆船，因此船在航行时与风向呈一个角度，就像在逆风前进一般（可以证明，当帆面平分龙骨方向和风的方向所呈的角时，力 S 最大）。这种“之”字形的航行方式（图17），被水手们称为“抢风行船”。