淺析帆船運動和受力問題

盧安杰

(福建省帆船帆板運動管理中心 福建廈門 361021)

淺析帆船運動和受力問題

盧安杰

(福建省帆船帆板運動管理中心 福建廈門 361021)

帆船運動作為現(xiàn)代奧林匹克運動的一個重要組成部分,是集娛樂性、觀賞性、競技性為一體的現(xiàn)代水上運動。該文通過對帆船運動的現(xiàn)狀進行分析,重點探索帆船在運動過程中的受力情況,進而為帆船運動的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

帆船 運動 受力

帆船運動是一種現(xiàn)代的運動項目,已經(jīng)成為世界沿海國家和地區(qū)最為普及而喜聞樂見的休閑體育娛樂活動。國際帆船聯(lián)合會下屬已經(jīng)將近有100多個級別的帆船項目,并且該項運動在歐美的很多國家已經(jīng)有了將近100年的發(fā)展歷史。我國的帆船運動始于1978年,并且兩次在奧運會上奪得銀牌。另外在世界上的國際大賽上我國的帆船健兒也多次獲得金牌。帆船運動項目涉及到水上動力學(xué)、船舶的原理等多個學(xué)科,是一個高智能的水上競技運動項目,無論是訓(xùn)練還是比賽都具有較大的難度。

1 帆船受力分析

帆船運動是由它受力狀態(tài)決定的,帆板運動時,主要是受三對力和三對力矩的作用,分別使帆船產(chǎn)生前進、橫移和沉浮三種運動和尾傾、橫傾和偏航三種轉(zhuǎn)動。

2 作用于帆板上的力和力矩

帆板在海上航行時,作用在帆板上的力主要有三對,主要為X方向上也就是帆板航行方向的風(fēng)對帆翼產(chǎn)生了一個推動力,以及水對板體產(chǎn)生的一個向后的阻力R,見圖1。

圖1 帆板受力圖

帆板與空氣流產(chǎn)生了一個功角,在帆翼迎風(fēng)面與背風(fēng)面就會在氣流的流速上產(chǎn)生一個較大的差異,進而產(chǎn)生一個較大的壓差,該壓力差分解到航向方向上為能夠推動帆船的前進,也就是帆船的推動力T。與航線相垂直的方向上有一個分力為橫向力N。在航線垂直的方向上,也就是Y軸方向上,風(fēng)產(chǎn)生了一個橫向力T,水產(chǎn)生了一個向后的阻力R。帆板在運動時海水的前進和橫向阻力大小與船速大小具有很大的關(guān)系。一旦船速增加,將會造成帆船受到不同方向的阻力增加。在垂直方向上,也就是Z方向上,一個水的浮力f,推動帆板上升,另一個是人的重力G。帆板在海上航行時作用在帆板上的力主要有三對,一種力是圍繞帆船前進方向上傳動的力矩,一種是N與H在Y平面上產(chǎn)生的力矩,最后一種是浮力f和人的重力G在YZ平面上產(chǎn)生的力矩。

3 作用于帆板力的確定

帆板在實際的航行匯總,自然風(fēng)作用于帆上的力主要是浮力和阻力,由于兩個力的合力會拖動帆船的前進。在流體力學(xué)中,帆翼浮力和阻力的確定通常需要通過公式或者是數(shù)值模擬等計算出來,目前常采用的方法有面元法、渦格法等。圖2為帆力的確定框圖。海水作用于板、嵴和尾鰭上的力主要為帆板的阻力、橫向移動的阻力等。通常采用三種方式確定,如水池試驗、數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算等。由于海水阻力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,因此海水的阻力計算方式也較多。見圖3。

圖2 作用于帆上的力

圖3 作用于板上的力

4 帆板運動的基本條件

帆板運動與帆板所受到的力和力矩有很大的關(guān)系,力的作用主要是能夠使帆板發(fā)生平移,力矩的作用是能夠讓帆板發(fā)生轉(zhuǎn)動。帆板在航行方向上是在風(fēng)的推動下與船之間的阻力相互抗衡進而對船的航行速度產(chǎn)生一定的影響。如果風(fēng)對帆船的推動力T低于水對帆板的阻力R時,帆板的速度就會下降,這種情況發(fā)生是由于海上風(fēng)力和風(fēng)向以及操作員的技術(shù)等造成風(fēng)的推動力較小。因此運動員的操作技術(shù)不僅表現(xiàn)為操作技能的提高,還表現(xiàn)為對地理、氣象等的全面了解。當(dāng)帆船側(cè)向運動時,是由于風(fēng)對帆的橫向力與水對船的橫向力相抗衡而造成帆船的橫移運動。

當(dāng)橫向力N大于水所產(chǎn)生的橫向力H時,帆船發(fā)生側(cè)向的運動。帆船在起航的階段,船體發(fā)生了橫向的移動,并且在比賽中會拉長運動員的航行距離,造成運動用時較長,進而影響比賽的成績。為了防止比賽過程中發(fā)生橫向的運動,最有效的方法就是組織橫向力的發(fā)生,增加橫移運動。對于橫移運動來講,阻力受到橫移運動的速度、迎水面積的影響,由于橫移運動的速度大時,其阻力也就較大。因此可以通過增加橫移運動中迎水的面積來增加運動阻力。增大迎水面積主要是通過增加橫向的傾斜角度來實現(xiàn)橫向傾斜角度的變化。在運動員起航時身體的重心應(yīng)當(dāng)盡量靠近帆板的中線,進而減少浮力與自身重力在航行方向和向下重力方向上的傾斜角度。因此運動員為了減少航行當(dāng)中的阻力,可以減少帆板的縱向傾斜角度,也就是增加浮力與自身重力產(chǎn)生的力矩,進而使得運動員身體遷移而壓住板首翹起來。

當(dāng)N=H時,風(fēng)對帆的橫向力等于水對船的橫向力,那么帆板橫移的速度是穩(wěn)定的。由于帆板發(fā)生橫向移動時帆板在實際航行中的角度變大,進而造成帆翼橫向力變小。如果N＜H,風(fēng)對帆的橫向力小于水對船的橫向力,帆板橫向移動的速度下降,進而阻礙船體的橫向移動。在垂直的方向上,水作用于板上的浮力、升力和人與板之間的重量相互抗衡進而對船產(chǎn)生一個上下起伏的狀態(tài)。

帆船在航行中自身的重力是不會變化的,由于帆板航行速度的提高使得板體受到水的向上浮力,浮力減小,使得總方向上的力與向下的重力相平衡,板體勻速上浮,浮力減小后向上的力作用于向下的重力,進而造成上浮的速度不斷的下降,直至下降到板體下降停止。那么板體在平衡位置時發(fā)生的震蕩會造成船體的阻力增加,進而產(chǎn)生一定的震蕩阻尼系數(shù),這種震蕩停止后使得船體處于穩(wěn)定的狀態(tài)中。

5 結(jié)語

帆船運動是以風(fēng)為動力的,通過運動員熟練高超的操作技能保持船體的穩(wěn)定前行,進而發(fā)揮風(fēng)力的最大效益,使得船高速前行。帆船運動受到多種力的影響,要想保障帆船運動的順利進行,就要掌握帆船的受力問題,進而使帆船達到最佳的受風(fēng)效果。

[1]馬勇,鄭偉濤.基于數(shù)值模擬的帆船起航階段調(diào)帆策略研究[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報,2013,47(1):58-61.

[2]周峰.科技型小微企業(yè)“帆船模式”探討[J].科技進步與對策, 2013,30(21):90-95.

[3]紀鵬波,常曉峰,田豐林,等.激光級帆船動力學(xué)建模與仿真[J].計算機測量與控制,2013,21(2):520-522,543.

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A

2095-2813(2017)01(a)-0218-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.01.218