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12主讲人：曲喜峰理学院体育教学部帆船运动3第五讲4帆船运动基本原理帆船运动基本原理5帆船运动基本原理帆船、帆板运动是奥运会的比赛项目，这项运动被越来越多的人所喜爱。但要想学会驶帆，必须首先弄清它的力学原理。一般人对于帆船往往认为是被风推着跑的。其实风的动力以两种形式作用于帆，如图1、图2所示，帆船的最大动力来源是所谓的“伯努利效应”。6帆船的动力来源帆船的动力我们知道，当空气流动得快的时候，在正面挡住它的物体就会受到空气的冲击，这种冲击产生的压力我们称为动压力。当帆船如图1所示顺风行驶时，就是空气对帆的动压力推动帆船前进的。由“流速增加，压强降低”的伯努利原理知道，当空气向一个方向流动时，它向侧面作用的力就要相对减小。也就是说气体流动速度越大的地方，动压力压强越大，而静压力压强越小。流速愈小的地方，动压力压强愈小而静压力压强愈大。这样气体流速小的地方对流速大的地方就会产生一个侧向的压力，这个力称为静压力。当迎风驶帆时，如图2所示，船正是在风的静压力推动下前进的。7飞机的升力原理只要我们观察一下飞机机翼的断面图（图3）。就可以发现从机翼正面吹过来的风会沿着机翼的形状，形成上下两股风流。从机翼上方通过的风流因受到机翼的影响会形成一道流线形的风流，与机翼下方的风流流动距离增大，所以会造成流速加快的现象。8根据风速快的地方的气压会降低的伯努利效应，机翼的上下风流间就形成了一定的气压差。空气有从高气压向低气压流动的习性。就产生了机翼下方风流向上流动的力，将机翼托起的现象。这种因为风流而引起的向上的托力就是我们通常说的升力。飞机的升力原理9帆船的阻力的作用如果仅有升力作用，帆船是不能顶风而进的。这时升力只会将帆船向横向推动，而不能形成前进的动力。为了让帆船前进，就必需抵抗住风往横向产生的力量。这就得依靠安装在帆船或帆板底部的稳向板和尾鳍了。严格的说，阻力会与风的横向压力抵消掉一部分，但残存的横向压力和帆船的前进力形成一种合力，来推动帆板斜向前进。10帆船的阻力的作用11帆船的阻力的作用12帆船的动力来源如图5所示，帆所受的静压力FT，并不能全部用来推动船前进，真正用来推动船前进的是FT沿船头方向的分力FR，FR的值要小于使船横向移动的分力FH。尽管横向力较大，但在实际行驶时，很少看到船横向移动。而船向前进的速度却相当大，先进的帆船和帆板，最快的时速，可达20至30节，造成这样的前进速度，除了帆产生推力以外，还有一个重要因素就是船底的流线型，船浸入水中部分的横向截面积远大于纵向截面积，推力FR虽然比横向力FH小，但船在水里前进时所受的阻力要比船横向移动所受的阻力小许多。所以，FR推船前进效果就相当显著。131415帆船的航向限制和效益帆船既可在动压力的推动下顺风行驶，也可在静压力推动下逆风行驶。但帆船的航向不是完全没有限制，在正逆风左右各约45度角内，是无法产生有效的推进力的，如图6所示的A区。但是太顺风也不是很好的，因为这时伯努利效应消失。船靠风对帆的动压力推动，而动压力的大小决定于风对帆的相对速度，相对速度越大，动压力就越大。然而船在动压力的推动下，前进速度逐渐增加，风与船相对速度就会减小，因而风对帆的动压力减小，船速会再度慢下来，同时会进入不稳定状态，如图中C区。所以动压力对帆船来讲，并不是持续高效的动力来源。只有如图中B区才是最好的航行方向，这时船航行方向与风向成一定夹角，船在静压力推动下，能得到持续稳定的推动力，使船获得比较高的航行速度。1617帆船能驶八面风18若船要逆风行驶，船的航行方向应与风向成一夹角，所以必须采取“之”字型的路线。如上图所示。19帆船的控制和转向由于帆的受风力的中心点与船体侧面受水阻力的中心之间有一定的距离，FH这个力使船横移虽不显著，但使船向下风倾斜的作用却相当显著。如下图所示，这就要运动员随时用自己的体重来调节船的重心，以保持船的平衡（常称为“压弦”）。20控制21控制22控制由于风力的大小随时会变化，横倾力的作用也随之变化。所以压弦是要随时灵活变化的，这是运动员的一种重要的操作技能。推力FR在推船前进的同时，同样有一种使船前倾的作用，虽要比横向力FH使船致倾的作用小得多，但它同样会使船失速，所以运动员还要随时注意可能出现的纵倾，设法通过压弦来保持船的平衡。23改变航向24改变航向帆船如图，帆船靠舵改变航向的原理示意图。当船在行驶时，水流给舵一个垂直航面的力F，F的一个分力F1能使船产生旋转，另一个分力F2阻挡船前进。由于F2对船起阻力作用，所以转向时舵角一般不要推得太大。当然，要完成转向动作，除了舵以外，还要和帆的位置，船员的移动相配合。25帆船靠舵改变航向26帆板改变航向帆板帆板的转向靠帆的位置和重力的中心的转变。当运动员把能活动的桅杆倒向下风后方，板首就向迎风转，相反把桅杆倒向上风前方，板首就离风偏转。通过桅杆的倒动，移动帆心，使帆板产生了旋转的力矩，从而促使其转向。27帆板改变航向2829水上器材故障排除及翻船后扶正方法几种常见故障及排除方法：压舷脚带松、断––––帆船飘帆后重新系牢或用备用小绳加固。副舵柄万向节断、裂–––––风小可暂用正舵柄操作，风大时飘帆用绳暂时系紧。主帆下后角松–––––飘帆后系紧。稳向板升降困难–––––船首顶风将稳向板降下，暂不升起，回岸后修理。帆杆上滑轮脱落–––––备用滑轮和活连环。30翻船后扶正技术和方法扶正技术:航行中由于风的压力或操作不当，使帆船向一侧翻倒，人员落水。此时，千万不要慌张，头脑要清醒，在水中抓住船，千万不能脱离船。扶正方法:将船首顶风，将稳向板上绳索整理好。站立在稳向板上用力将船拉起。在帆船桅杆离开水面后，抓住时机从一侧进入船舱，迅速地抓住舵及缭绳使帆受风。31帆船技术要点随着航行时间的增加，船员会对如何有效地驾驶帆船产生一些新的认识。这些“新的认识”既包括如何保持恰当的帆船倾角，有效地利用船员自身的重量，调帆，以及利用稳向板的位置使得帆船平稳航行，也包括对于海流、风、天气和安全的重新和更深刻的了解。32如何判断你的帆受风状况良好33迎风航行的“最佳航道”帆船在迎风航行时，船员需要不断调整航向与风向之间的角度。很快船员会找到一条所谓的“最佳航道”。如果帆船越过了“最佳航道”的上风一侧，船员会发现迎风帆面上的风向线是松弛的，而背风帆面上的风向线则被气流推送的很顺畅；如果帆船越过了“最佳航道”的下风一侧，船员会发现迎风帆面上的风向线被气流推送的很顺畅，而背风帆面上的风向线是松弛的；如果帆船正好处在“最佳航道”内，船员则会发现无论迎风帆面上的风向线，还是背风帆面上的风向线都被气流推送的很顺畅。34因为风向在随时发生变化，船员应该经常检查帆船是否处于“最佳航道”。这时候船员可以驾驶帆船小心地靠近“最佳航道”的上风一侧，然后返回“最佳航道”内。通过这种方法，帆船可以尽可能地减小航向与风向之间的迎角，同时保持较佳的船速。有经验的舵手会五至十秒钟做一次这个检查动作。35迎风航行时，减小帆船动力。当风力加大时，帆船有可能动力过大。这时候帆船很可能由于过度倾斜而失速，甚至发生倾覆。解决帆船动力过大的方法有很多，其中包括调整船员重心，调整帆的角度和形状等。有经验的舵手往往通过Feathering减小帆船动力。简单地说，Feathering是将帆船在上风一侧的“最佳航道”外保持一段时间。在Feathering中，船员需要将身体尽量地向船体外倾斜。36迎风航行时，减小帆船动力。如果风力很大，舵手需要用力外拉副舵柄以平衡风对帆船的作用力。这种操作方式被称做WeatherHelm。在迎风航行时，适当的WEATHERHELM可以让帆船保持最小的与风向之间的迎角。然而，过量的WEATHERHELM也意味着帆船的倾角过大或者动力过大。这时候船员可以通过将身体尽量地向船体外倾斜，将主帆向外松动，或者Feathering来减小WeatherHelm的作用。如果风力过大，船体非常倾斜时，也可以通过收起前三角帆或者降低主帆来减小动力。37迎风航行时，减小帆船动力。在中、小风中，气流对帆的压力减小（比风大时），对船的横移力也相对地减小。但由于水下的阻力不会因风速的变化而变化，这样船在风小时比风大时的横移力相对地要小。因此船的速度相对地慢些，船的横移力矩也不会太大。所以，在中、小风的迎风直线驶时，可以追求较小的风向角。38迎风航行时，减小帆船动力。在帆船航行的不同时刻，稳向板的位置也不同。在迎风或者小角度横风航行时，稳向板会被全部放下；在正横风航行时，稳向板应该被抽起至一半高度的位置；在大角度横风航行或者顺风航行时，稳向板应该被抽起到四分之三的位置。这样做的原因是，当帆船在迎风行驶时，稳向板被用作平衡风对帆船强大的侧向推力；当帆船在顺风行驶时，风对帆船的侧向推力不是很大，所以不需要将稳向板全部放下。部分放下稳向板的另一个优点是可以减小水流与板之间的摩擦阻力，提高船速。39随着驾驶经验的提高，你会发现调帆技术对帆船的表现有着显著的影响。船员与舵手在操作中应该努力协调，使得主帆和三角帆能够相互配合。一般而言，帆船转向风的方向时，应该将帆向船体内收；当帆船转离风的方向时,应该将帆向船体外放。40帆形对帆船的航行表现影响也很大。船员或舵手主要通过操纵后帆角索,前帆角索，以及斜拉器来调整帆形。一般而言，当风力加大时，三种索具都应该被收紧。这样可以使帆面显得更“平”，从而降低风对帆船的作用力，使得帆船更易于操控；当风力减弱时，可以放松这三种索具以获得更大的动力。41主缭滑轨可以调整主帆的角度而不需要将主帆向船体外放或者改变帆形。主缭滑轨一般有两种类型：Bridle型和Track型。当风力加强时，Bridle型的Traveler应该被收紧，Track型的滑车应该滑向船的背风侧。42船体平衡对帆船航行表现的影响很大。理想状态下，帆船在迎风航行时，船体应该略微倾向下风侧。在顺风航行时，船体应该略微倾向上风侧。随着驾驶技巧的提高，船员和舵手能够更加灵活地利用自身体重来控制帆船的平衡。当帆船转向风的方向时，船员可以将身体略微移向下风侧。当帆船转离风的方向时，船员可以将身体略微移向上风侧。43航行时，船员应该仔细观察附近水面。因为水面波纹中包含了很多有关风的信息。当阵风来临时，水面会发黑。这时候船员应该提前做好准备；当处于风间隙时，水面会显得发亮和柔和。44