帆船运动的动力学研究论文

因为帆船在水中逆行，航行的时候受到了静压力，因为两侧的压力是不一样的，所以能够让帆船在逆风当中行驶。

首先：声明，不是我总结的中国的航海有着悠久的历史，对历史经济的发展也有着深远的意义。在陆上交通工具不发达的时代，船舶运输担当着主要的交通工具。从"刳木为舟，剡木为楫"到郑和下西洋，再到现代的先进的远洋技术，中国航海有着突飞猛进的发展。中国同时通过海路走向世界, 同世界各国进行经济文化交流, 发展友好关系, 共同促进人类文明的进步。 人类使用船舶作为运输工具的历史，几乎和人类文明史一样悠久。从远古的独木舟发展到现代的运输船舶，大体经历了四个时代：舟筏时代、帆船时代、蒸汽机船时代和柴油机船时代。 舟筏时代 人类以舟筏作为运输、狩猎和捕鱼的工具，至少起源于石器时代。中国1956年在浙江出土的古代木桨，据鉴定是四千年前新石器时代的遗物。说明舟筏的历史，可以追溯到史前年代。 独木舟 原始人类将巨大树干用火烧或用石斧加工成中空的独木舟，是最古老的水水上运输工具。它的踪迹遍于全世界，至今在南美洲和南太平洋群岛的居民，仍使用独木舟作为生产和交通工具。 筏 远古人类就知道将树干、竹竿、芦苇等捆扎成筏，或用兽皮做成皮筏，在水上漂行。筏较独木舟吃水浅，航行平稳，而且取材方便，制造简易。在中国东南山区溪流中，使用竹筏作为交通工具迄今仍然相当普遍。 木板船 进入青铜器时代以后，人类对木材的加工能力提高了，于是将原木加工成木板来造船。木板船可以造得比独木舟大，性能比筏好。木板平接或搭接成为船壳，内部用隔壁和肋骨以增加强度，形成若干个舱室。早期的木板船，板和板之间、船板和框架构件之间是用纤维绳或皮条绑缚起来的，后来用铜钉或铁钉连接。板和板之间则用麻布、油灰捻缝，使其水密。 桨、篙和橹 舟筏时代的船舶靠人力来推进和操纵，所用的工具为桨、篙和橹。桨不受水域深度和广度的限制，在地中海区域应用极为广泛。古罗马的划桨船，用奴隶划桨，一船桨数多至数十根甚至百余根。篙可以直接触及水底和河岸，使用轻便，主要用于浅水航道。橹是比桨先进的划船工具，效率高而不占水面，兼具推进和操纵航向的功能，在中国内河木船上广泛使用。 帆船时代 据记载，远在公元前四千年，古埃及就有了帆船。中国使用帆船的历史也可以追溯到公元以前。从15世纪到19世纪中叶，是帆船发展的鼎盛时期。15世纪初中国航海家郑和远航东非，15世纪末C.哥伦布发现新大陆，他们的船队都是由帆船组成的。在帆船发展史中，地中海沿岸地区、北欧西欧地区和中国都曾作出重大贡献。19世纪中叶美国的飞剪式快速帆船，则是帆船发展史上的最后一个高潮。不同地区的帆船，在结构、形式和帆具等方面各有特色。 地中海的古帆船 埃及出土的一件公元前四千年的陶器上绘制有最古的帆船的图象。船的前端突出向上弯曲，船的前部有一个小方帆，这种船只能顺风行驶，无法利用旁风。公元前2000～前1600年，腓尼基人、克里特岛人和希腊人都先后在地中海上行驶帆船。克里特岛人的帆船两端翘起，单桅悬一方帆，这种船型在地中海应用了几千年之久。古希腊和古罗马的帆船备有桨，只在进出港口和调度时才使用。古希腊帆船干舷高，耐波性好，单桅上挂方帆，船尾两侧有巨大的尾桨，起舵的作用。船首伸出的桅桁上增一小帆便于操纵。单桅横桁上边增设三角顶帆。古罗马的帆船又有改进，增设前后三角帆，船的操纵性能得到改善。 北欧和西欧帆船 公元9～11世纪北欧的维京人,是当时世界上优秀的航海民族，航迹远达格陵兰和北美。他们用当地出产的橡木造出了适航性能良好的帆船。这种帆船长约30米，宽约6米，首尾形状接近对称,有龙骨和首尾柱。外壳板搭接并用铁钉相连。船上树单桅，装有支桅索,挂一面方帆，能在横风下行驶。船形瘦削,耐波性优于地中海帆船。 1492年，C.哥伦布率领西班牙船队到达西印度群岛。他所乘坐的“圣玛丽亚”号，是一艘长28米、排水量约200吨的三桅帆船。1497年，V.da.伽马率领葡萄牙船队绕过好望角发现通往印度的航路。1519～1522年，F.麦哲伦率领的西班牙船队完成了环球航行。这一系列地理上的发现，大大刺激了欧洲航海和造船事业的发展。16世纪以后,欧洲帆船的排水量逐渐增大到500～600吨,帆具日益复杂，三桅船渐趋普遍，帆面不断增大。大桅上增装了顶桅和顶帆，主帆下装了底帆，桅的支索上张了三角帆,船上整个空间都张满了帆,航速得到提高。1800年前后，英国继葡萄牙、西班牙之后成为最大的海上强国。英国及其殖民地拥有海上帆船达5000艘。 飞剪式帆船 这是起源于美国的一种高速帆船。前期的飞剪式帆船，可以1833年建造的“安·玛金”号为代表，排水量为493吨。飞剪式帆船船型瘦长,前端尖锐突出,航速快而吨位不大。19世纪40年代,美国人用这种帆船到中国从事茶叶和鸦片贸易。以后美国西部发现金矿而引起的淘金热，使飞剪式帆船获得迅速发展。1853年建造的“大共和国”号，长93米，宽16.2米,深9.1米，排水量3400吨，主桅高61米,全船帆面积3760平方米,航速每小时12～14海里，横越大西洋只需13天，标志着帆船的发展达到顶峰。19世纪70年代以后，作为当时海上运输主要工具的帆船，被新兴的蒸汽机船迅速取代。 中国帆船 中国帆船也有二千多年的历史。据《史记·秦始皇本纪》记载，秦王朝曾派徐福携带童男童女及工匠人等数千人，乘船出海。三国时代东吴太守万震所著《南洲异物志》中，有关于访问今日的柬埔寨、越南等地所乘大船的记述。唐代与日本文化交往频繁。中国当时的帆船已能驶侧向逆风，有较好的耐波性。唐贞观年间，从今温州至日本，仅需6天；以后能以3天时间从中国镇海驶抵日本。宋代造船和航海事业均有显著进步。当时所造海船能载500～600人，并已使用指南针罗盘，航程远及波斯湾和东非沿海地区。1974年在福建省泉州湾出土一艘宋代海船残骸，船体瘦削，具有良好的速航性能和耐波性，船内有12道水密隔壁，船侧外壳板由三层杉木板组成，结构坚固，估计船全长约35米，载重量200吨以上。明朝初年,郑和曾率领庞大的船队于公元1405～1433年间七次远航，遍历东南亚、印度洋各地，远达非洲东海岸。据记载,郑和所乘“宝船”长44丈,宽18丈，有12帆，是当时世界上首屈一指的优秀帆船。 中国帆船的构造和欧洲帆船不同。欧洲帆船两端尖而上翘，中国帆船则两端用木板横向封闭而形成平底的长方形盒子。舵位于尾部中心线上，尾部造成楼形高台，以防止上浪。船内有多道水密隔壁，结构坚固。中国帆船的帆是横向用竹竿加强的“硬篷”。这种平衡纵帆，操作灵便,能承受各个方向的风力。15世纪时,中国帆船无论在尺度和性能上都处于领先地位。16世纪以后，欧洲帆船才逐渐超过中国帆船。 蒸汽机船时代 18世纪蒸汽机发明后，许多人都试图将蒸汽机用于船上。1807年，美国人R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号船上用蒸汽机驱动装在两舷的明轮，在哈德逊河上航行成功。从此机械力开始代替自然力，船舶的发展进入新的阶段。 早期的蒸汽机船 19世纪上半叶是由帆船向蒸汽机船过渡的时期。早期的蒸汽机船装有全套帆具，蒸汽机只是作为辅助动力。1819年美国人M.罗杰斯建造的“萨凡纳”号蒸汽机帆船，用了27天时间横渡大西洋，在整个航程中只有60小时是使用蒸汽机推进，其余时间仍用风力。在早期，蒸汽机安装在甲板上，驱动装在两舷的巨大明轮。1839年，第一艘装有螺旋桨推进器的“阿基米德”号船建成，船长38米，主机功率80马力。早期蒸汽机是安装在木帆船上的。1850年以后，逐渐用铁作为造船材料。1880年以后，钢很快代替铁作为造船材料。1876年英国建造的新船只有8％用钢材建造,而到1890年，则只有8％是铁船了。 “大东方”号蒸汽机船 1854～1858年英国人I.K.布鲁内尔建造的“大东方”号铁船被认为是造船史上的奇迹。布鲁内尔第一个将关于梁的力学理论应用于造船，在船体建造上首创了纵骨架结构和格栅式双层底结构。双层底向两舷延伸直到载重水线以上，形成了双层船壳。上甲板也用同样结构以增加船体强度。“大东方”号长207米(680英尺),排水量27000吨,比当时的大型船大6倍。船内部用纵横舱壁分隔成22个舱室。船上安装两台蒸汽机,一台驱动直径56英尺的明轮,另一台驱动直径24英尺的螺旋桨，蒸汽机总功率8300马力，最高航速每小时16海里。船上有6根桅，帆总面积8747平方米（85000平方英尺）。它能载客4000人，装货6000吨。直到半个世纪以后才出现比它更大的船。“大东方”号尽管经营失败，但在造船理论和技术方面，却为现代钢船开辟了道路。 蒸汽机船的完善 早期蒸汽机船驱动明轮用的蒸汽机是单缸摇臂式，汽压也很低。19世纪80年代出现了三涨式蒸汽机，汽压提高到10.5千克力/厘米2。此时明轮已为螺旋桨所代替，三涨式蒸汽机配合螺旋桨成为典型的动力装置。19世纪末，蒸汽机已发展到四涨式六汽缸，蒸汽压力提高到 13.6千克力/厘米2，功率达到1万马力。高压水管锅炉也逐渐取代了苏格兰式火管锅炉。20世纪初，货船一般是用三涨式蒸汽机作主机，功率约2000马力，航速约每小时10海里，载重量增大到6000吨。航行于大西洋上的大型远洋客船,以往复式蒸汽机为动力,单机功率达到2万马力。 汽轮机船、柴油机船的问世 1896年，英国人C.帕森斯将他发明的反作用式汽轮机成功地应用于船上；同年，瑞典人C.迪拉瓦尔发明了冲击式汽轮机。进入20世纪以后,船用汽轮机不断改进,因为重量轻,功率大,旋转均匀和无往复运动部件等，普遍应用于大型高速船。至今,某些大功率船仍用汽轮机作为推进动力。1892年,德国人R.狄塞尔发明压燃式内燃机，即柴油机，20世纪初开始应用于船上。柴油机热效率高、油耗低，因而得到广泛应用。40年代末，柴油机船的吨位即已超过蒸汽机船。 油船和散货船的出现 早期的杂货船承揽一切货种的运输，包括散装的煤炭、谷物等和桶装的油类。1886年开始出现具有现代油船特征的船，也就是将货油直接装在分隔的油密舱室内并用泵和管系进行装卸。进入20世纪后，对石油的需求日增，油船逐渐形成一支专用船队。1944年最大的油船载重量为 23000吨。散货船略早于油船出现，但在20世纪上半叶由于港口装卸效率不高，发展缓慢,最大的载重量只有1万吨左右。第二次世界大战后，各工业国经济恢复，原料需求剧增，油船和散货船都向大型化发展。 大型远洋客船的兴起 19世纪70年代以前，运输船舶都是客货混装的。1870年，英国人S.丘纳德和T.伊士梅创办丘纳德汽船公司和白星汽船公司，在英国和北美之间航线上开辟旅行条件舒适的客船航班,豪华客船“海洋”号航行成功。此后各国相继建造大型豪华客船,航行于大西洋航线和东方航线上。80年代，已有载客千人以上，载重万吨以上，航速每小时超过20海里的豪华客船。20世纪30年代，大型远洋客船的建造达到高潮，如著名的“玛丽皇后”号、“伊丽莎白皇后”号和“诺曼第”号都是在这个时期建造的。它们的载重量都在 8万吨以上，主机为汽轮机，功率16万马力，航速每小时超过30海里。第二次世界大战以后，这一势头又恢复了，到60年代，因远程喷气客机的兴起才停止下来。大型远洋客船的建造，对造船科学技术的发展起了重要的推动作用，同时也使某些保障航行安全的法规逐步建立和完善。例如1912年“泰坦尼克”号海难事件导致了后来国际海上人命安全公约的签订。 柴油机船时代 柴油机船问世后，发展很快，逐渐取代了蒸汽机船。第二次世界大战结束后，工业化国家经济的迅速恢复和发展，国际贸易的空前兴旺，中东等地石油的大量开发，促使运输船舶迅速发展。1982年同1948年相比，船舶艘数增长了1.6倍，总吨位增长了4.3倍（见世界商船队）。船舶普遍采用柴油机推进。第二次世界大战期间，为了适应战时运输的需要，美国建造的2610艘自由轮（万吨级使用燃油锅炉和蒸汽机的杂货船）是最后建造的一批往复式蒸汽机远洋运输船舶。为了提高船舶运输的经济效益，船舶出现了大型化、专业化、高速化、自动化和内燃机化的多种趋势。 船舶大型化 首先是油船吨位的增长和油船的大型化。1930年的世界商船队中，油船吨位只占总吨位1/10，1980年上升为1/2。1983年初,各种油船的载重量达到3.3亿吨。油船吨位的剧增主要在于油船大型化。50年代，3～4万吨的油船已被认为是 “超级油船”。60年代中期，就出现了20万吨以上的超大油船和30万吨以上的特大油船。70年代又出现了50万吨以上的大油船。石油危机发生和苏伊士运河恢复通航后,这种趋势已经停止,许多大型油船正面临拆毁的命运。在油船大型化的同时，也出现了装运煤炭、矿砂、谷物等的干散货船的大型化。60年代末，大型散货船的载重量超过10万吨，最大的已达17万吨。从50年代后期起，建造了能兼装原油和干散货的兼用船，如油散船和油散矿船等。 船舶专业化 第二次世界大战以后，各种专用船发展很快。杂货船用途广泛,适应性强,在艘数上至今仍占首位。典型的杂货船都以低速柴油机为动力，载重量不超过2万吨,航速每小时15海里左右。中国设计的“风”字号和“阳”字号货船都是典型的杂货船。为了提高杂货船运输多种货物的能力，近年制造出多用途船，除载运普通件杂货外，还能载运集装箱、重货、冷藏货和散货等。 水路集装箱运输于50年代中期兴起，1957年出现第一艘集装箱船。这是件杂货运输形式的重大变革。这种运输形式在货物包装、装卸工艺、码头管理和水陆联运等方面都有所突破。采用集装箱运输，可以大大缩短船舶停港时间,节约人力,保证货运质量和实现“门到门”运输。20多年来集装箱船发展很快。1982年全世界已有全集装箱船718艘,1294万总吨，分别占世界商船总数的1％和总吨数的3％。这种船船型瘦削，航速高，货舱内有导轨，甲板上有缚固设备，一般不设装卸设备，而是依靠港口专用设备进行装卸。 第二次世界大战后得到发展的重要专用船还有：装运液化天然气和液化石油气的液化气船；船上设有跳板，能使牵引车、叉车载货自驶上下的滚装船（又称开上开下船）；以驳船作为运输单元，不需要停靠码头进行装卸而能实现江海直达运输的载驳船等。 远洋客船自从被喷气客机取代后，客船的性质已发生变化。60年代以来，旅游事业兴起，出现了一批定期、定航线,甚至环球航行的旅游船,为旅游者提供旅游、疗养、文化娱乐、社会活动以至海洋天文教育等综合性的服务。与此同时，在重要的短程航线上，还出现了一种吨位较小、除载客外还能携带旅客自备汽车的汽车客船。 船舶高速化 自50年代起，航运界为了加快船舶周转，一度掀起船舶高速化的热潮。普通杂货船航速提高到每小时18海里,集装箱船航速在每小时20海里以上,美国建造的“SL-7”型高速集装箱船,以两台6万马力汽轮机为主机，最高航速达每小时33海里。但从石油危机以来，燃料费在运输成本中的比重直线上升。迫使营运中的高速船纷纷减速行驶，新造船舶的航速也出现下降趋势。但是非排水型的高速客船，如水翼船和气垫船已应用于短途客运航线上，并日益发展。 船舶自动化 60年代初期以来，各国航运企业为了减少船员人数、改善船员劳动条件和提高船舶营运的经济效益，逐步实现了轮机、导航和舣装三个方面的自动化。如60年代中期造出机舱定期无人值班的船舶，已得到各国船级社的承认。 船舶内燃机化 船舶内燃机化是指船舶普遍采用柴油机为主机。柴油机同蒸汽机比较，具有热效率高、油耗低、占地小等优点。自从1911年造出第一艘柴油机海船以来，采用柴油机为主机的货船和客船日益增多。但到第二次世界大战结束时止，世界商船队中蒸汽机船仍占多数。战后，低速大功率柴油机由于增压技术的进步，单机功率不断提高,最大已达5万马力。过去必须安装汽轮机的大型高速船也能应用柴油机。另一方面柴油机对燃用劣质油的适应性也不断改善，这样在经济上便具有优越性。对于机舱空间受限制的滚装船、集装箱船、汽车渡船等,则可以选用体积小、重量轻的中速柴油机,通过减速箱来驱动螺旋桨。油耗低、能燃用劣质油的不同功率的柴油机现在几乎占领了船用发动机的全部市场。因此，第二次世界大战后的运输船舶发展阶段被称为柴油机船时代。

人们通常认为帆船只能沿风吹动的方向移动，即顺风移动。 但三角帆使帆船还能够迎着风移动（逆风移动）。 在理解如何逆风移动之前，我们首先需要了解一些与船帆有关的知识。船帆的最先着风之帆缘称作前缘，它位于船只的前部． 后部的船翼后缘称作帆的后缘。 从前缘到帆的后缘的假想水平线称作弦． 船帆的曲度称作吃水，并且从弦到最大吃水点的垂直距离称作弦深。 充满空气以形成凹面弯曲的船帆的一面称作迎风面．向外吹以形成凸起形状的一面称作背风面． 了解了这些术语后，我们将继续介绍帆船运动。船只借助帆的每一面所产生的力量沿着迎风方向移动． 迎风面的正向力量（推力）和背风面的负向力量（拉力）合在一起形成了合力，这两种力量都作用于同一方向． 尽管您可能不认同，但拉力确实是这两种力量中较强的力量。在1738年，科学家丹尼尔·伯努利发现，气流速度与周围自由气流成比例增加，从而导致压力的降低，而这可令气流速度更快． 这种情况在帆的背风面发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区域。为什么空气会加速？空气与水一样，都是流动的。当风汇聚并且风被帆分开时，一些风附着在凸起面（背风面）并将帆扯起． 为了其上“未附着”的空气穿过帆，帆必须向不受帆影响的气流外弯曲． 但此类的自由气流往往保持其直线流动并妨碍航行． 自由气流和弯曲的船帆合在一起形成了一个窄道，起初的气流必须从中经过． 因为它不能自行压缩，所以空气必须加速以从该窄道挤过． 这就是气流速度在帆的凸起面增加的原因。一旦发生这一情况，伯努力的理论就得以生效． 窄道中增加的气流要快于周围的空气，并且在气流速度加快的区域压力将下降．这就产生了链式反应．随着新的气流接近最先着风之帆缘并分开，它更多地流向背风面——气流被吸引到低压区域并被高压区域所排斥． 现在即使更大块的空气也必须更快地挤进凸起帆面和自由气流形成的窄道，这令空气压力更低． 这一情况不断发展直至达到现有风力条件的最大速度，并且在背风面形成最大低压区域． 请注意，只有在气流达到曲面（弦深）的最深点后气流才增加。在达到这一点之前，空气不断汇聚和加速． 超出这一点后，空气分开并减速，直到再次与周围空气速度相当。在其间，在帆的迎风面发生相反的情况． 随着更多的空气流过背风面，迎风面上流过帆的凸起面和自由气流之间的扩展空间的空气将减少．由于这些气流四散流动，所以其流速下降到比周围空气还低的速度，这导致压力增加。在了解了这些潜在的力量之后，我们如何在实际中借助这些力量来使船只移动呢？ 我们需要在风帆和风之间建立理想的关系，使风不但加速流动，而且可以沿着帆的凸起面流动．船帆和风之间的这一关系的一部分称作迎角． 描绘与风平直的船帆． 空气均匀分开到每一面上 － 船帆下垂而不是充满成弯曲形状，空气没有加速以在背风面形成低压区域，并且船只没有移动。 但如果船帆与风向刚好成正确角度，则船帆会一下子充满风并产生空气动力。迎角的角度必须十分精确． 如果该角度保持与风太近，则船帆的前部将“抢风”或摆动． 如果其角度太宽，则沿着帆的曲面流动的气流将分开并且周围的空气重新聚合． 这一分离产生了旋转空气的“停转区域”，导致风速下降、压力增加． 因为船帆的曲率将始终导致帆的尾端与风向所成的角度大于与最先着风之帆缘所成角度，所以帆的后缘的空气不能沿着曲面流动并返回周围自由空气的方向． 理想上讲，在气流到达帆的后缘前不应开始分离． 但随着船帆的迎角加宽，分离点逐渐前移并将其后的一切保留在停转区域。除了迎角保持正确角度以使空气能够顺利通过外，关于风与帆关系的另一重要因素就是船帆必须具有正确的曲率，以保证空气始终附着在船尾． 如果曲线太小，则气流将不弯曲，并且将不会产生导致速度增加的压挤效果． 如果曲线太大，则气流不能被附着． 因此，只有在曲率不太大并且迎角不太宽的情况下才能发生分离。这样，我们现在就知道风帆压力是如何在理论上和实际中形成的． 但这些压力是如何令船只前行的呢？ 让我们更深入地了解其中的奥妙。在海平面上，每平方米的气压是 10 吨． 当船帆的背风面上的气流增强时，您从上文可以知道气压将下降． 假定每平方米将下降 20 千克． 同样，迎风面上的气压将增加 － 假定每平方米增加 10 千克（请记住，下拉压力强于推送压力）． 并且即使背风压力是负向并且迎风压力是正向的，它们都作用于同一方向． 因此现在我们每平方米约有共 30 千克的压力． 将其乘以 10 平方米风帆大小，我们在该风帆上已产生了共 300 千克的合力。船帆上的每一点都作用了不同的压力． 压力最强处位于弦深处，即船帆曲面最深处． 这也是气流最快和压力下降最大的地方． 随着气流向后移动并分离，力量也随之减弱．这些力量的方向也会更改．在船帆的每一点上，该力量与帆面保持垂直． 船帆前部的力量最强处也在最前方向上． 在船帆的中部，力量更改为侧方向，或倾斜方向．在船帆的后部，随着风速的下降力量也逐渐减弱，并导致向后方向或往后拉的方向。船帆各处上的压力都可以计算出来，以便确定其每一面上前部、后部和牵引部位的相对力量． 因为向前的力量还是最强的，所以施加在船帆上的合力还稍偏向前的，但主要是侧方向． 增加船帆作用以获得更多向前的驱动力还导致侧向力的更大的增加． 因此，当风施加在侧面的力量达到最大时，船只是如何前行的呢？ 这涉及船帆与风的迎角，还涉及船只与水的阻力问题。合力的方向与帆弦近乎垂直． 当帆弦与船只的中线平行时，主要力量几乎完全施加在侧面． 但是，如果船帆成一点儿角度，以便船帆产生的力量稍微向前，则船只本身会立即前行． 这是为什么呢？ 船的中线（即龙骨）作用于水的方式类似于船帆作用于风的方式． 龙骨产生的力量与船帆倾斜力相反的力量 － 它使船完全保持船帆形成的力量的方向． 并且尽管风帆合力始终作用于迎风的那面，但正确的迎角将使船只前行。船帆的角度距离船体中线越远，着力点施加于正面相对于施加于侧面的数量越多。将正向力量的稍微调整与水相对于空气的反向力量结合起来，我们将令船只迎风前行，因为现在水流的阻力最小。

伯努利原理的应用，它到底是什么科学原理？