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你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.

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发表于 2020-2-26 09:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 徐鹏 于 2022-8-5 06:32 编辑

有一些大家熟知的帆船运动原理是过时的,但由于存在时间久远且易于理解导致依然出现在各种帆船教材中且被持续传播。本文的目的就是纠正这些错误,并用更为先进的理论解释一下。

风吹过帆(或者机翼)会对帆产生一个垂直于风向的力,这个力叫“升力”。升力是帆船和飞机能够运行的基础。这个现象属于空气动力学或者流体力学的范畴。在这个领域有一个很著名理论——“伯努利原理”,一句话解释就是“流动时,速度快,压力小。”帆船和机翼的升力的确属于”伯努利原理“解释的范围。

但是,在解释”升力“产生的原理时,有两种错误的解释。

你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.w1.jpg

注释:帆虽然一层薄膜,但是由于帆也是有帆型的,所以可以近似看成和机翼差不多的“翼型”。由于飞机相对比常见所以下面大部分时飞机的例子。以后会有单独的文章探讨帆以及帆前面的桅杆是如何构成一个翼型的。

错误理论1 — 等时理论

气流在流过翼型的时候被分为上下两个部分,这两部分最终同时(即”等时“的含义)在尾部汇合。由于上面的路程长,下面的路程短,所以上面的速度快,下面的速度慢。根据伯努利原理,速度快气压小,速度慢气压大,上下表面产生压力差提供了升力。

这个理论看上去完美无缺,是目前各大帆船培训学校和教材的主要说法。但这个理论是错的。

它认为升力的原因是因为“上下表面不对称,上表面距离长,下表面距离短。”我这里可以举很多个反例来证明他是错的:

1 纸飞机为什么能飞?  纸飞机上下都是平的并不存在不对称的翼型。但只要力气大,角度大,依然能产生升力让飞机飞的很高。

你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.w2.jpg

2 飞机为什么能够倒飞?我们应该都见过飞机倒飞的视频,如果升力来自上面的距离长下面距离短,那么如果飞机倒飞应该会加速坠毁才对。

你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.w3.jpg

以上两个通俗的反例足以证明这个”等时理论“的错误。通过科学的计算也可以证明出这个理论的缺陷:



    通过伯努利的公式计算,上下表面的速度差其实极小产生的压力差也无法产生足够的动力。

    通过风洞试验(下图),可以看到上面的速度要快得多,上下的空气并没有同时到达尾部。


你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.w4.jpg

错误理论2——投石理论

上面的反例好像同时都在证明攻角的作用,只要有攻角就能产生升力。所以就有了”投石理论“,即空气相当于小石头砸向帆(机翼),由于攻角的存在“小石头”的方向就转向下了,根据牛顿第三定律,帆(机翼)受到了一个和“小石头”方向改变的方向相反的力,即向上的升力。

看上去也非常正确,完美解释上面的反例。但它也是错的。

它的问题是完全忽略了上半部分的作用,即只要翼型下面与气流产生里攻角,上面的形状都不会影响升力。飞机的扰流板就是一个很好的反例。

你费了很大力气学到的帆船原理,有可能都是错的.w5.jpg

当飞机降落的时候为了减小升力会开启一个扰流板。扰流板就是在机翼上面的尾部向上翘起,在完全不改变机翼下面形状的前提下就可以减少飞机超过一半的升力。

同样这里理论也可以统计计算证伪:

空气的密度很底,改变空气角度的冲量很小,完全不足以支撑飞机的重量,也不能推动船(虽然船轻一些,但通过船帆的空气速度慢)。

结论

物体在空气(流体)中移动会受到非常复杂的力的影响。因为流体没有固定的形状,它在不同的区域有着不同的速度、方向和密度。

幸运的是,世界上有几个风洞实验室在做帆船相关的空气动力学试验,而且先进的流体模拟软件可以模拟帆的受力情况。我们现在已经可以搞清楚帆船的帆到底是怎么回事儿了。

那么问题来了。

既然前面的两种理论是错的,那么真实的原理是什么呢?

回答之前请你先思考一下:

如果上面的空气比下面的空气运动的快很多,那么上面的空气岂不是消耗的很快,它是如何补充的那?

下面是一个飞机的3D循环图,你可以想象一下帆船的。

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发表于 2022-8-5 03:49 来自手机 | 显示全部楼层
这个群在哪儿呢?不好意思,我是新手
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