帆船與風賽跑，誰能贏

姜林

2016年，當美國工程師里克·卡瓦拉羅宣稱，自己要制造一款比風跑得更快的帆船時，幾乎所有人都不相信他，里克收到了許多嘲笑。反對者們認為，帆船是靠風推動的，風給船多少力，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，在順風行駛過程中，當船速達到與風速相同時，對于帆船來說此時的風速為零，兩者相對靜止，帆船無法再從風中獲得動力，也就不可能繼續加速。換句話說，帆船想要繼續加速，跑得比風更快，就需要再從風中搶出一些動力來，該如何達成這個目標呢？

里克從飛機身上得到了一些啟發。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，如果帆船的風帆能像機翼那樣，不就能從風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速更快的帆船——Hydroptere，這個由兩個希臘詞根hydros與ptere構成的名字可被譯為“水中的翅膀”，意指它能在水中“飛”起來。出發前，Hydroptere的船翼隱藏在浮板之下，當船速達到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錄。其穿越英吉利海峽的速度比早期的飛機還要快，在風速只有15節（1節＝1海里/小時）的情況下，其速度卻達到了35節。

將風帆升級成螺旋槳

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驗，在一陣輕風中快速奔跑，此時感受到的風力大小與站立在風中不動時感受到的風是不一樣的？這不是你的錯覺，運動是相對的，你的運動速度發生了變化，感覺到的風也就隨之產生了變化。你靜止不動時感受到的風稱為“真風”，運動狀態下感覺到的風叫作“視風”，視風的大小與方向是真風和你的運動產生的行進風（假設風速為零，由于物體運動而產生的空氣流動）的矢量和，因此視風與真風當然是不同的。這個道理對帆船同樣適用，對帆船而言，視風就相當于“升力”。因此，只有當“升力”與真風方向相同時，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，甚至可能發生傾覆。

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

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，當然了，這款汽車是完全風力驅動的。

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賽車的空氣動力學設計藍圖，以獲得最大的驅動力。汽車的測試效果很不錯，在順風狀態下其速度成功超越了風速。

里克在車上安裝了測量風力的儀器，用于比較車速與風速：剛開始時，汽車前進的速度、方向和風強、風向一致；隨著汽車加速，風力逐漸減弱，風力為零時表明車速已經與風速相等；之后風向轉為相反的方向，說明車速超過了風速產生了逆風。里克在風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向相反的方向！螺旋槳風力車的最大速度可達到風速的2.86倍，約為每小時62千米。

螺旋槳風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，船毀人亡的風險太高了。

不過，與此同時，另一種異曲同工的“帆船”出現了，那就是圓筒帆船。圓筒帆長得和傳統的風帆很不一樣，它就是一個煙囪狀的圓柱體，但在風力作用下，它的驅動原理與螺旋槳是相同的。在圓柱體旋轉時，會帶動周圍的空氣一起運動，和氣流方向一致的一側速度會加快，和氣流方向不同的一側氣流會減慢。不同流速的氣體會產生氣壓差，對圓柱體產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。橫向力和風力推動圓筒帆持續旋轉，由此產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，還可以調節速度、轉變方向，比螺旋槳風帆要安全得多，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動設備，可以變換不同速度進行旋轉，可以隨時控制推進器和風力相配合，該船的最大速度可達17.5節，風力與柴油配合使用，節能效率可達30％?，F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）