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、競技性為一體的現代水上運動。該文通過對帆船運動的現狀進行分析,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展奠定良好的基礎。

帆船 運動 受力

帆船運動是一種現代的運動項目,已經成為世界沿海國家和地區最為普及而喜聞樂見的休閑體育娛樂活動。國際帆船聯合會下屬已經將近有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有了將近100年的發展歷史。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、船舶的原理等多個學科,是一個高智能的水上競技運動項目,無論是訓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,分別使帆船產生前進、橫移和沉浮三種運動和尾傾、橫傾和偏航三種轉動。

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對帆翼產生了一個推動力,以及水對板體產生的一個向后的阻力R,見圖1。

圖1 帆板受力圖

帆板與空氣流產生了一個功角,在帆翼迎風面與背風面就會在氣流的流速上產生一個較大的差異,進而產生一個較大的壓差,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,風產生了一個橫向力T,水產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平面上產生的力矩,最后一種是浮力f和人的重力G在YZ平面上產生的力矩。

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。在流體力學中,帆翼浮力和阻力的確定通常需要通過公式或者是數值模擬等計算出來,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、數值模擬和經驗公式計算等。由于海水阻力結構比較復雜,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系,力的作用主要是能夠使帆板發生平移,力矩的作用是能夠讓帆板發生轉動。帆板在航行方向上是在風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生一定的影響。如果風對帆船的推動力T低于水對帆板的阻力R時,帆板的速度就會下降,這種情況發生是由于海上風力和風向以及操作員的技術等造成風的推動力較小。因此運動員的操作技術不僅表現為操作技能的提高,還表現為對地理、氣象等的全面了解。當帆船側向運動時,是由于風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。

當橫向力N大于水所產生的橫向力H時,帆船發生側向的運動。帆船在起航的階段,船體發生了橫向的移動,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生橫向的運動,最有效的方法就是組織橫向力的發生,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橫向傾斜角度的變化。在運動員起航時身體的重心應當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生的力矩,進而使得運動員身體遷移而壓住板首翹起來。

當N=H時,風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定的。由于帆板發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生一個上下起伏的狀態。

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生的震蕩會造成船體的阻力增加,進而產生一定的震蕩阻尼系數,這種震蕩停止后使得船體處于穩定的狀態中。

5 結語

帆船運動是以風為動力的,通過運動員熟練高超的操作技能保持船體的穩定前行,進而發揮風力的最大效益,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效果。

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R31801

A

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

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.01.218