伯努利效应帆船前行的原理

如题所述

人们通常认为帆船只能顺着风向移动,但实际上,三角帆使帆船有了逆风航行的能力。要理解这一原理,先来了解一下船帆的基本构造和术语:前缘、后缘、弦、吃水、弦深,以及迎风面和背风面。船帆的正面(迎风面)产生正向推力,背面(背风面)产生负向拉力,两者的合力使得船只能够在同一方向上移动,尽管拉力通常大于推力。


1738年,科学家丹尼尔·伯努利的发现至关重要。他发现,气流速度与周围气流的增加成比例,导致气压下降,尤其是在帆的背风面,形成低压区域。当风经过帆时,风速加快,空气在背风面加速,形成气压梯度,这是逆风航行的关键。


当风被帆分隔时,部分风被吸引到背风面,形成窄道。由于空气不能压缩,必须加速以通过,这就导致了气流速度的增加。在帆的迎风面,由于背风面的加速,空气流速下降,形成压力增加。帆与风之间的角度,即迎角,以及帆的曲率,决定着气流的流动和压力分布,从而影响船只的运动。


在实际操作中,船帆与风之间的关系需要精细调整,理想情况下,风应该均匀地作用于帆上,使帆充满风并产生动力。迎角不能过小或过大,否则会导致分离和压力变化。合力产生的压力分布,从帆的前部的最强推力,到中部的侧向力,再到后部的拉力,决定了船只的移动方向。


合力几乎垂直于帆弦,当帆角度微调,船帆的侧向力与水对船的阻力相平衡,使得船只能在风的作用下向前移动。这时,船的龙骨(中线)与船帆的力量方向一致,共同作用于水,使船只顺着帆产生的合力方向前进。


扩展资料

1726年,伯努利通过无数次实验,发现了“边界层表面效应”:流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小,反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献,这一发现被称为“伯努利效应”。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体,是流体作稳定流动时的基本现象之一,反映出流体的压强与流速的关系,流速与压强的关系:流体的流速越大,压强越小;流体的流速越小,压强越大。

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