直掛云帆濟(jì)滄海

科技之光

以風(fēng)為“燃料”，以帆為“馬達(dá)”，在藍(lán)天碧海間縱橫馳騁、一爭(zhēng)高下，這便是奧運(yùn)會(huì)上最悅目賞心的水上項(xiàng)目帆船比賽。輕盈快捷的飛行荷蘭人型、芬蘭人型、470型、星型、激光型、49人型；穩(wěn)健厚重的暴風(fēng)雨型、索林型；雙體合一的托納多型、十平方米型；小巧玲瓏、介于帆船和沖浪之間的米斯特拉、RSX帆板。五彩繽紛的帆船展開了奧運(yùn)會(huì)上最遼闊壯美的海上風(fēng)景，也成為高懸了十多塊金牌的“戰(zhàn)略要津”。

帆船是人類駕馭自然力量最早的杰作，當(dāng)萬里長(zhǎng)風(fēng)鼓動(dòng)了麥哲倫、哥倫布的船帆，便從根本上改變了地球文明的進(jìn)程。1896年雅典奧運(yùn)會(huì)上，帆船就被列為正式比賽項(xiàng)目，因?yàn)閻矍俸Ｌ鞖鈵毫游茨芘e行。丹麥最杰出的帆船泰斗保羅.埃弗斯特隆曾四次蟬聯(lián)奧運(yùn)金牌，56歲時(shí)還和女兒特琳同船參加洛杉磯奧運(yùn)會(huì)托納多級(jí)比賽；前蘇聯(lián)選手瓦倫汀.曼金在奧運(yùn)會(huì)中奪得三個(gè)不同級(jí)別帆船比賽冠軍;美國運(yùn)動(dòng)員哈里.美格斯獨(dú)自拿下了奧運(yùn)會(huì)和美洲杯兩項(xiàng)大賽金牌；英國姑娘艾倫.麥克阿瑟2005年打破由男性保持的帆船環(huán)球航行紀(jì)錄，震驚了整個(gè)世界(圖１）?，F(xiàn)任國際奧委會(huì)主席羅格也曾經(jīng)是優(yōu)秀的帆船運(yùn)動(dòng)員，先后參加3次奧運(yùn)會(huì)并獲得過帆船世界杯冠軍。 百年之間，帆船運(yùn)動(dòng)風(fēng)生水起，造就了許多傳奇人物和傳奇故事，體育界對(duì)人、船、水、風(fēng)之間相互關(guān)系的理解也日益加深。

（１）比賽中艾倫.麥克阿瑟像男選手一樣努力拼搏

用浮標(biāo)在海面圍出一塊多邊形水域，參賽帆船繞標(biāo)航行，整個(gè)賽程下來，航向常常要經(jīng)歷360度的變化，這便向選手們提出了“八面來風(fēng)”的挑戰(zhàn)。順風(fēng)航行的原理淺顯易懂，帆對(duì)風(fēng)的阻力就是風(fēng)對(duì)帆的推力，古人使用的方形橫帆便是只有“一路順風(fēng)”時(shí)才能“風(fēng)正一帆懸”的。但帆船能夠“頂風(fēng)行駛”卻常常令人困惑不解，其中的奧妙何在呢？

將手中的拖把垂直對(duì)著地板，拖把顯然無法推進(jìn)，但如果傾斜一個(gè)角度，拖把就能向前移動(dòng)了；在桌面上緊貼著直尺放一塊三角板，施加在斜邊上的力會(huì)把三角板沿直尺方向“擠”跑。帆船在水中能逆風(fēng)行駛，也必須和風(fēng)的方向形成45度左右的夾角，風(fēng)的壓力作用在船帆上，便能產(chǎn)生向前推動(dòng)的分力（圖２）。

（２）圖組:模擬帆船逆風(fēng)行使所受到風(fēng)推力

更主要的原因在于，自從公元9世紀(jì)阿拉伯人發(fā)明了三角帆，船帆便不再是裝風(fēng)的口袋，而成了飛翔的翅膀。我們不妨先看看飛機(jī)是如何升空的:氣流在機(jī)翼前緣一分為二，沿著上、下表面流到后緣會(huì)合。由于機(jī)翼的上表面凸起，下表面平直，因此上表面氣流速度大，下表面氣流速度小，根據(jù)“伯努利原理”，流動(dòng)快的空氣壓強(qiáng)小，流動(dòng)慢的空氣壓強(qiáng)大，機(jī)翼上下方的壓力差便是托舉飛機(jī)翱翔藍(lán)天的升力。公元9世紀(jì)阿拉伯人發(fā)明了三角帆后，船帆便酷似一個(gè)豎直而立的機(jī)翼，風(fēng)在帆的前緣被劈開，再流到后緣去會(huì)合，由于帆的迎風(fēng)面凹陷，背風(fēng)面凸起，形成了一定的曲度，致使空氣在背風(fēng)面的流速大于迎風(fēng)面的流速而形成低壓區(qū)，于是“伯努利原理”便“立即生效”了(圖３）。這時(shí)的船帆從海平面每平方米10噸的靜止氣壓中獲得巨大的空氣動(dòng)力，成為帆船前進(jìn)的“引擎”。當(dāng)帆船逆風(fēng)行駛時(shí)，必須通過不斷地轉(zhuǎn)舵“換舷”，沿著“之”字形路線航行。船與風(fēng)向的夾角越大，航速越快，不過會(huì)以航程加長(zhǎng)為代價(jià)。逆風(fēng)航行是選手最容易拉開距離的賽程。

（３）根據(jù)伯努利原理船帆在逆風(fēng)中受到了“拉力”

但無論來自船帆迎風(fēng)面的“推力”和背風(fēng)面的“吸力”都會(huì)使船發(fā)生橫向漂移，這又要靠安裝在船底的縱向擋水板來抵消船帆的側(cè)向分力了。和船身連為一體的擋水板叫“龍骨”，能夠隨時(shí)抽起和放下的叫“穩(wěn)向板”。它們?cè)谒芯薮蟮臋M向阻力確保了船體能在很小的“漂角”下直行前進(jìn)（圖４）。

（４）圖組:龍骨（左）穩(wěn)向板（中）作用于帆船平面示意圖（右）

1988年漢城奧運(yùn)會(huì)上，加拿大帆船運(yùn)動(dòng)員勒比厄放棄奪金機(jī)會(huì)援助翻船的新加坡選手，一時(shí)間傳為佳話。但“水能載舟，也能覆舟”的事卻在帆船競(jìng)賽中屢見不鮮。靜止?fàn)顟B(tài)下，船的重心和浮力中心在同一條垂線上，當(dāng)船傾斜時(shí)，一側(cè)的部分體積離開水面，另一側(cè)則會(huì)有同樣的體積浸入水中，浮力中心也隨之外移，于是浮力力矩使船體恢復(fù)平衡。這也是平底船比尖底船穩(wěn)定性更好的原因。我們把浮力作用線和船體中心線的交點(diǎn)稱為“穩(wěn)心”。“穩(wěn)心”越高于重心，船就越穩(wěn)定。航行中船帆的橫向分力與龍骨和穩(wěn)向板的阻力之間會(huì)對(duì)船產(chǎn)生傾側(cè)力矩，如果船的重心落在浮力中心的外側(cè)，也就是重心高于“穩(wěn)心”時(shí)，翻船的事故就會(huì)發(fā)生了。船的龍骨使用較重的材質(zhì)來“壓倉”和降低重心，其穩(wěn)定作用頗似科技館里帶有“配重錘”的自行車能在空中鋼纜上騎行，將人-車系統(tǒng)變成一個(gè)“不倒翁”。帆船比賽中常常看到運(yùn)動(dòng)員把身體遠(yuǎn)遠(yuǎn)“掛”在船外“壓舷”，有時(shí)還要穿上鉛質(zhì)坎肩，就是為了改變船的重心位置以保持穩(wěn)定平衡（圖５）。

（５）船舶穩(wěn)定性示意圖

2004年雅典奧運(yùn)會(huì)，愛琴海上高手云集，群帆競(jìng)發(fā)。最后一輪比賽中，飽經(jīng)風(fēng)浪的悉尼奧運(yùn)會(huì)米斯特拉級(jí)冠軍森尼西卻選擇了錯(cuò)誤航向，結(jié)果落到了10名以后。帆船比賽確實(shí)需要“見風(fēng)使舵”的本領(lǐng)。海面上實(shí)際吹動(dòng)的風(fēng)叫做“真風(fēng)”，船只運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)叫“行進(jìn)風(fēng)”，乘員在船上感覺到的風(fēng)叫做“體感風(fēng)”，它是真風(fēng)與“行進(jìn)風(fēng)”的合成，速度往往比真風(fēng)更大。船在橫風(fēng)行駛時(shí)速度比順風(fēng)還快，因?yàn)榇塬@得更有效的推動(dòng)力。而海面的風(fēng)力、風(fēng)向復(fù)雜多變，陣風(fēng)、亂風(fēng)隨起隨落，這便需要敏銳的觀察、清醒的判斷和果敢的決策。運(yùn)動(dòng)員隨時(shí)要調(diào)整航向?qū)ふ易顑?yōu)路線，收放索具控制船帆拱度，千萬別以為船帆上綴著那些飄動(dòng)的小布條是為了裝飾，英語管它們叫telltales，意思是告密者。這些氣流線隨時(shí)透露著風(fēng)的“情報(bào)”（圖６）。當(dāng)迎風(fēng)面和背風(fēng)面上的“小尾巴”都能同時(shí)歡快流暢的飄舞時(shí)，船帆就找到了最佳的攻角。競(jìng)賽中，處于上風(fēng)的船設(shè)法擋住追趕者的風(fēng)，這是十分有效的計(jì)謀和戰(zhàn)術(shù)。

（６）隨風(fēng)飄蕩的小布條是風(fēng)向的“告密者”

16世紀(jì)的時(shí)候，在茫茫大海上無法判斷航船的速度，聰明的水手將等距離打結(jié)的長(zhǎng)繩拖著漂浮物拋到海中，再定時(shí)收回進(jìn)行計(jì)算，這便是海船速度通用計(jì)量單位“節(jié)”的來源（圖７）。1節(jié)相當(dāng)于每小時(shí)1海里，或1.852公里。今天，輕盈堅(jiān)固的玻璃鋼、碳纖維及新型復(fù)合材料取代木材，使船和水接觸的“濕面積”不斷縮小，帶來波浪阻力和摩擦阻力的減少。計(jì)算機(jī)對(duì)船體流體力學(xué)性能的模擬設(shè)計(jì)，風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)船帆材質(zhì)和三維形狀的優(yōu)化選擇，都使當(dāng)代帆船在“頭尖體長(zhǎng)”的基本模式下不斷改進(jìn)。法國人設(shè)計(jì)的雙體帆船在2007年創(chuàng)造了47.2節(jié)的航速，比“真風(fēng)”的速度快3至4倍。當(dāng)今帆船最高速度的世界紀(jì)錄是英國人梅納德2005年創(chuàng)造的，達(dá)到48.7節(jié)，已經(jīng)十分接近于公認(rèn)的50節(jié)極限，簡(jiǎn)直象掠過海面的水上飛機(jī)（圖８）。

（７）海上的水手不但有準(zhǔn)確的方向感更是聰明的計(jì)算師

（８） Hydroptere帆船

我們也許都看到過另一種神奇的風(fēng)帆，它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和原理與帆船十分相似，但卻是奔馳在陸地上的“旱船”。這些“沙帆”和“冰帆”的時(shí)速都能達(dá)到70公里，的確別有一番情致和趣味（圖９）。

（９）冰帆（上）沙帆（下）是奔馳在陸地上的飛速“旱船”

但毫無疑問，帆船永遠(yuǎn)是屬于大海的。既會(huì)領(lǐng)略海的溫柔又能接納海的暴躁，這才是完整的“藍(lán)色暢想”。歷盡風(fēng)云變幻，看慣波濤詭譎，能鑄就帆船運(yùn)動(dòng)員大海般的胸襟和情懷，而只有升起科學(xué)的風(fēng)帆時(shí)，才能成為大海真正的兒女。