帆船與風(fēng)賽跑，誰能贏

姜林

2016年，當(dāng)美國工程師里克·卡瓦拉羅宣稱，自己要制造一款比風(fēng)跑得更快的帆船時，幾乎所有人都不相信他，里克收到了許多嘲笑。反對者們認(rèn)為，帆船是靠風(fēng)推動的，風(fēng)給船多少力，船就能跑多快，因此沒有其他動力來源的帆船永遠不可能跑得比風(fēng)快。里克真的是在吹牛嗎？

另辟蹊徑造帆船

其實反對者說得不無道理，其中還蘊藏著一些物理知識，在順風(fēng)行駛過程中，當(dāng)船速達到與風(fēng)速相同時，對于帆船來說此時的風(fēng)速為零，兩者相對靜止，帆船無法再從風(fēng)中獲得動力，也就不可能繼續(xù)加速。換句話說，帆船想要繼續(xù)加速，跑得比風(fēng)更快，就需要再從風(fēng)中搶出一些動力來，該如何達成這個目標(biāo)呢？

里克從飛機身上得到了一些啟發(fā)。我們知道，飛機是靠機翼上下的空氣壓力差來制造升力的，橫截面呈水滴形的機翼下緣是平整的，而上緣略略隆起。這樣，在飛機飛行過程中，空氣在流經(jīng)機翼上緣時走過的路程比下緣更長，為了確保所用時間相同，空氣在上表面的流速要比下表面的快，由此機翼上方的空氣壓力要小于機翼下方，機翼下面的大氣壓就把飛機托了起來，而飛行速度越快，機翼上表面的空氣流過速度也就越快，升力也就越大。里克想，如果帆船的風(fēng)帆能像機翼那樣，不就能從風(fēng)中得到更多動力了嗎？

事實上，法國航海家阿蘭·提伯爾特確實利用這一原理制造出了比風(fēng)速更快的帆船——Hydroptere，這個由兩個希臘詞根hydros與ptere構(gòu)成的名字可被譯為“水中的翅膀”，意指它能在水中“飛”起來。出發(fā)前，Hydroptere的船翼隱藏在浮板之下，當(dāng)船速達到10海里每小時時，船翼會呈45度角展開，并生成一股向上的升力將船體托起，就像飛機的翅膀一樣，使船身懸浮在距海面5米處，速度越快，升力就越大。2005年，Hydroptere打破了第一個世界紀(jì)錄。其穿越英吉利海峽的速度比早期的飛機還要快，在風(fēng)速只有15節(jié)（1節(jié)＝1海里/小時）的情況下，其速度卻達到了35節(jié)。

將風(fēng)帆升級成螺旋槳

不過，將“機翼”裝在帆船上還存在一個問題，飛機是要向上飛，升力的方向容易確定，而帆船是要向前開，“升力”的方向朝向哪里能提供最大的動力呢？這個問題很重要，因為在帆船運動過程中，帆船的實際動力其實是風(fēng)力和“升力”的矢量和（矢量是帶有方向的量，矢量和指矢量的方向與大小的和）。

你是否有過這樣的經(jīng)驗，在一陣輕風(fēng)中快速奔跑，此時感受到的風(fēng)力大小與站立在風(fēng)中不動時感受到的風(fēng)是不一樣的？這不是你的錯覺，運動是相對的，你的運動速度發(fā)生了變化，感覺到的風(fēng)也就隨之產(chǎn)生了變化。你靜止不動時感受到的風(fēng)稱為“真風(fēng)”，運動狀態(tài)下感覺到的風(fēng)叫作“視風(fēng)”，視風(fēng)的大小與方向是真風(fēng)和你的運動產(chǎn)生的行進風(fēng)（假設(shè)風(fēng)速為零，由于物體運動而產(chǎn)生的空氣流動）的矢量和，因此視風(fēng)與真風(fēng)當(dāng)然是不同的。這個道理對帆船同樣適用，對帆船而言，視風(fēng)就相當(dāng)于“升力”。因此，只有當(dāng)“升力”與真風(fēng)方向相同時，帆船才能得到加速，如果兩者方向相反，帆船速度會不升反降，甚至可能發(fā)生傾覆。

但是，在海上，風(fēng)向是瞬息萬變的，想制造一個通用的“機翼”安裝在帆船上，這太難了?？嗨稼は牒?，里克想到了一個好主意：將風(fēng)帆換成螺旋槳。這樣一來，帆船就能將從四面八方吹來的風(fēng)都用上了。

裝有螺旋槳的車船

為了保障安全，里克決定先將螺旋槳裝到汽車上試驗一下，當(dāng)然了，這款汽車是完全風(fēng)力驅(qū)動的。

2010年，在美國谷歌公司和喬比能源公司的贊助下，里克成功建造出一款簡易的螺旋槳汽車。這是一款輕型汽車，主要由泡沫材料制成，采用三輪驅(qū)動，車身后裝有一個5米高的螺旋漿，汽車車型還模擬F1賽車的空氣動力學(xué)設(shè)計藍圖，以獲得最大的驅(qū)動力。汽車的測試效果很不錯，在順風(fēng)狀態(tài)下其速度成功超越了風(fēng)速。

里克在車上安裝了測量風(fēng)力的儀器，用于比較車速與風(fēng)速：剛開始時，汽車前進的速度、方向和風(fēng)強、風(fēng)向一致；隨著汽車加速，風(fēng)力逐漸減弱，風(fēng)力為零時表明車速已經(jīng)與風(fēng)速相等；之后風(fēng)向轉(zhuǎn)為相反的方向，說明車速超過了風(fēng)速產(chǎn)生了逆風(fēng)。里克在風(fēng)力車上懸掛的飄帶更加直觀，隨著車速的增加，飄帶竟然飄向了與風(fēng)向相反的方向！螺旋槳風(fēng)力車的最大速度可達到風(fēng)速的2.86倍，約為每小時62千米。

螺旋槳風(fēng)力車的成功證明了里克的想法是正確的，但同時他也掐滅了將螺旋槳裝到帆船上的想法，因為如果只用螺旋槳，帆船的前進方向和速度難以控制，在高速的情況下，船毀人亡的風(fēng)險太高了。

不過，與此同時，另一種異曲同工的“帆船”出現(xiàn)了，那就是圓筒帆船。圓筒帆長得和傳統(tǒng)的風(fēng)帆很不一樣，它就是一個煙囪狀的圓柱體，但在風(fēng)力作用下，它的驅(qū)動原理與螺旋槳是相同的。在圓柱體旋轉(zhuǎn)時，會帶動周圍的空氣一起運動，和氣流方向一致的一側(cè)速度會加快，和氣流方向不同的一側(cè)氣流會減慢。不同流速的氣體會產(chǎn)生氣壓差，對圓柱體產(chǎn)生一個橫向的作用力，由于橫向力與物體運動方向相垂直，因此這個力主要改變飛行速度方向。橫向力和風(fēng)力推動圓筒帆持續(xù)旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的力就用來推動船舶前進。

圓筒帆的最大作用不僅在于加速，還可以調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)變方向，比螺旋槳風(fēng)帆要安全得多，因此很快投入了商用。2010年，德國Enercon公司為“E-Ship1”加裝了圓筒帆。該船長130米、寬22.5米、總噸位10550噸。該船甲板上安裝有四個高27米、直徑4米的圓筒帆，并配備有兩臺功率為3.5兆瓦的柴油機。四個大圓筒都配有驅(qū)動設(shè)備，可以變換不同速度進行旋轉(zhuǎn)，可以隨時控制推進器和風(fēng)力相配合，該船的最大速度可達17.5節(jié)，風(fēng)力與柴油配合使用，節(jié)能效率可達30％。現(xiàn)在，越來越多的船開始使用圓筒帆。

大自然蘊藏著豐富的潛力，學(xué)會正確運用的方法，人類將能收獲更多驚喜。

（劉誼人摘自《大科技》2022年第9期）