逆风行船的物理原理作者：孟海阳来源：《中国科技博览》2019年第03期[摘要]船只是人们日常生活中非常重要的交通、游览工具。人们常规的认识中，船只会顺风而行，对那些缺少生活经验的同学们来说，他们可能很难注意的船逆风航行的现象以及它的物理原理。逆风行船主要是船只的风帆在发挥作用，当然正顶着风的船只是无法前进的，在逆风条件下行驶，船只前进的方向与风向要成一夹角。这个现象中蕴含着非常丰富的物理知识，笔者展开高中生的角度来这类问题进行了探究，希望对深化这一问题的理解以及推进高中物理学科的学习有所帮助。[关键词]逆风；行船；物理原理；分析中图分类号：O313文献标识码：A文章编号：1009-914X（2019）03-0096-01理解船只的基本构造是探究逆风行船物理原理的前提。以帆船为例，船帆最先接触风的位‘’置叫做前缘，后部船翼部分称作帆的后缘。从前缘到后缘存在一条假想的水平线，叫做弦。‘’船帆的曲度称作吃水，实际的行进中因为充满空气而凹陷的那一面叫做迎风面，其背侧被称‘’作背风面。以上便是常见的帆船结构，能够正常下水的帆船都含有以上几部分内容。实际情境下，还需要考虑风和洋流对逆风行船的影响。综合考虑其影响因素才能够探究这一现象背后的本质。一、逆风行船涉及到的物理知识“”伯努利效应是逆风行船中运用到的主要物理知识，它是由科学家丹尼尔·伯努利于1738“”年提出的，又称为边界层表层效应：若流体的速度加快，那么物体与流体接触面上的压强就会变小，这一变化会产生强大的动力。这一效应适用于包括气体在内的所有流体，更是逆风行船涉及到的主要物理知识。[1]生活中常见的喷雾器、飞机机翼以及乒乓球等球类比赛中用到“”的上旋球都应用到了伯努利效应。二、逆风行船的动力“”好像船只一直是被风推着前进的，殊不知风作用于船只的形式主要有两种：首先船只的前进方向与风向保持一致，顺风状态下，风就会推动船只前进。这种行进方式是对风能的直接“利用。其次帆与风的方向相逆或者相斜，成一夹角的状态下其行进最为稳定，这便是伯努利”效应的利用。逆风状态下前进的船只，风会聚集在船帆的背面，从而扯起船帆。而迎风面上流过帆凸起面以及自由气流之间的空气就会减少，加之自由气流会四散流动，故而当其流速下降到低于空气流速的速度时，其压力就会增加。三、船只逆风前行的受力分析以船只为例，它主要由船体以及风帆两部分组成，两者依靠桅杆连接，行船者桅杆便能够使船前进。海上的风或者波浪在气压以及温场等因素的影响之下，作用在帆上的是一个不确定的力，所以只有配合行船者的调整才能够使其顺利前进。船只的行进过程应当是一个无重力的漂浮状态，受到了海风、海浪以及洋流的共同作用。基于物理学的角度分析，这是最为复杂的受力分析模型。1、顺风状态下的船只受力分析由上图可得，该船只正在沿水平方向向右前行。设VT为实际状态下的真实风速，其与船只航行方向的夹角为α，α“”可以称为真实风向角。船只航行的速度为Vs，γ为船只纵轴线与航行方向的夹角。Va为船只上的运动员实际感受到的风速。β为船只航向与相对丰富的夹角，为了便于区分我们也将其称为相对风向角。[2]最后αw为相对风速与帆翼弦线的夹角，Φ为船只纵轴线与帆翼弦线的夹角。观察上图，我们可以得出以下等式：αw+γ+Φ=β。船只行进中空气对帆翼的绕流作用类似于机翼，垂直方向上的相对风速产生的升力为FL，其产生的阻力为FD，再者船只行进引起的水绕船体也会产生两个分力，即Fs和FR他们分别与船只前进的方向垂直和与船只前进的方向相反。参照受力分析的基本原则，我们可以得出F=FLsinβ-FDcosβ这个式子。若相对风向角大于90，那么船在顺风行使的状态下FD也会对船的行进产生推力，而当推力大于阻力时，船就会加速。若此时船只的方向发生改变，那么船只的升力以及阻力也会发生改变，此时船只的操作者（舵手）可以通过改变船只的相对风向角使其静推力达到最大值。2、逆风状态下的船只受力分析“”我们可以通过一个手推三角板的小实验，来探究逆风状态下船只的受力分析。首先让直接三角板的一条直角边贴近水平的桌面，用左手的两根手指把它夹住，使他不...