聽得這金不全如此說,點了點頭,李沐陽也終於是恍然了,明白這海船之所以能夠在海面上順利航行,並不是因為風對於船帆的推力,而是利用伯努利效應,這讓他想起了以前看過的一篇科學雜誌,裡面有提到過。
所謂伯努利效應,又稱“邊界層表面效應”,是李沐陽前世一名叫丹尼爾·伯努利發現的科學家發現的,也就是氣流速度與周圍自由氣流成比例增加,從而導致壓力的降低,而這可令氣流速度更快。
這種情況在船帆的背風面發生即空氣流動速度加快並在帆的後面形成低壓區域。
因為空氣與水一樣,都是流動的.當風匯聚並且風被帆分開時,一些風附著在凸起面背風面)並將帆扯起.為了其上“未附著”的空氣穿過帆,帆必須向不受帆影響的氣流外彎曲。
但此類的自由氣流往往保持其直線流動並妨礙航行,自由氣流和彎曲的船帆合在一起形成了一個窄道,起初的氣流必須從中經過.因為它不能自行壓縮,所以空氣必須加速以從該窄道擠過。
這就是氣流速度在帆的凸起面增加的原因,一旦發生這一情況,伯努力的理論就得以生效。
窄道中增加的氣流要快於周圍的空氣,並且在氣流速度加快的區域壓力將下降。
這就產生了鏈式反應,隨著新的氣流接近最先著風之帆緣並分開,它更多地流向背風面——氣流被吸引到低壓區域並被高壓區域所排斥。
現在即使更大塊的空氣也必須更快地擠進凸起帆面和自由氣流形成的窄道,這令空氣壓力更低。
這一情況不斷發展直至達到現有風力條件的最大速度,並且在背風面形成最大低壓區域。
需要注意的是,只有在氣流達到曲面弦深)的最深點後氣流才增加。
在達到這一點之前,空氣不斷匯聚和加速,超出這一點後,空氣分開並減速,直到再次與周圍空氣速度相當。
在其間,在帆的迎風面發生相反的情況,隨著更多的空氣流過背風面,迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴充套件空間的空氣將減少。
由於這些氣流四散流動,所以其流速下降到比周圍空氣還低的速度,這導致壓力增加。
在瞭解了這個原理後,才能在實際中藉助這些力量來使船隻移動,比如船帆。
像是首先需要在風帆和風之間建立理想的關係,使風不但加速流動,而且可以沿著帆的凸起面流動。
船帆和風之間的這一關係的一部分稱作迎角,描繪與風平直的船帆,空氣均勻分開到每一面上。
船帆下垂而不是充滿成彎曲形狀,空氣沒有加速以在背風面形成低壓區域,並且船隻沒有移動。
但如果船帆與風向剛好成正確角度,則船帆會一下子充滿風併產生空氣動力。
迎角的角度必須十分精確,如果該角度保持與風太近,則船帆的前部將“搶風”或擺動。
如果其角度太寬,則沿著帆的曲面流動的氣流將分開並且周圍的空氣重新聚合。
這一分離產生了旋轉空氣的“停轉區域”,導致風速下降、壓力增加。
因為船帆的曲率將始終導致帆的尾端與風向所成的角度大於與最先著風之帆緣所成角度,所以帆的後緣的空氣不能沿著曲面流動並返回周圍自由空氣的方向。
理想上講,在氣流到達帆的後緣前不應開始分離,但隨著船帆的迎角加寬,分離點逐漸前移並將其後的一切保留在停轉區域。
所以這就需要船長的掌舵操控了,一般來說,只有經驗極其豐富的老船長,才能完美的掌握這個角度,使海船更加順風順水的在海面上航行,而不出差錯。
這也正是老船長的寶貴之處,換做一般剛駕馭海船的愣頭青,根本就搞不明白這一切,別說駕馭海船航行了,恐怕只能原地打圈圈,開都開不走。
不過李沐陽想起這個自己以前看過的原理後,卻是不禁心中一喜,因為這樣一來,他或許可以想辦法將這些角度用數學公式的方法算出來,而不用非要族人在日積月累駕馭海船的經驗中去摸索,這樣的培訓他們的速度更快,沒準要不了多少時間,就能培育出一批經驗豐富的老船長啊。
而除了迎角需要保持正確角度以使空氣能夠順利透過外,關於風與帆關係的另一重要因素就是船帆必須具有正確的曲率,以保證空氣始終附著在船尾。
如果曲線太小,則氣流將不彎曲,並且將不會產生導致速度增加的壓擠效果。
如果曲線太大,則氣流不能被附著。
因此,只有在曲率不太大並且迎角不太寬的情況下才能發生分離。
而這個曲率同樣是可以想辦法以數學公式的方法給算出來的,所以李沐陽是越發欣喜起來,想到沒準困擾自己部落這船長船員不足的問題,將有機會迎刃而解了啊。
反正話不多說,就是這些氣流在船帆上形成的壓力,推動海船前進的,而不是大家想當然的以為是靠風的推力。
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如果更詳細的形容的話就是,在海平面上,每平方米的氣壓是 10 噸,當船帆的背風面上的氣流增強時,從上面就可以知曉氣壓將下降。
假定每平方米將下降20千克,同樣,迎風面上的氣壓將增加。
假定每平方米增加10千克,並且即使背風壓力是負向並且迎風壓力是正向的,它們都作用於同一方向
因此現在每平方米就約有共30千克的壓力,如果將其乘以10平方米風帆大小,我們在該風帆上已產生了共300千克的合力。