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张前军物理教学随笔

教学活泼,擅于反思,偶有论文发表,欢迎有志于搞好物理学习和教学的朋友加入交流。

 
 
 

日志

 
 

逆风行舟——力分解复杂实例  

2011-03-20 15:15:31|  分类: 必修1 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       明朝初期的1405年7月11日,郑和奉命开始了七下西洋的航海活动。郑和下西洋时配备的63艘船都是非常巨大的,最大的一艘宝船长151.18米、宽61.6米,船上有9根桅杆可挂12张帆。这么大的船没有机械动力,都是靠自然风力行驶的。如果遇到逆风,船是如何行驶的呢?难道是靠船上的那些人划桨行驶的吗?那么大的船怎么划得动呢?原来这里面还包含了复杂的力学原理,下面让我们来了解一下逆风行舟的力学原理。

根据风向与船本来航向(即无风时船的行驶方向)之间的关系来说,通常有顺风:即风向与船本来的航向相同;侧风:即风向与船本来的航向有一定夹角,可以是锐角或钝角;逆风:即风向与船本来的航向相反,逆风也叫顶风。显然,逆风行舟最为困难。

逆风行舟时,如果船的实际航向仍沿本来航向,则不管帆面的取向如何,作用在帆上的风力总是船前进的阻力,因此,逆风行舟时若要扬帆借助风力,船实际的航向就不能沿原定航向,而应使船的实际航向偏离原定航向一定的角度,帆面与实际航向间也成一定的角度。

设作用在帆面上的风力可以分解为平行帆面的力F1和垂直帆面的力F2,根据帆面的凹陷效果可知F1较小、F2较大。垂直于帆面的力F2又可以分解为沿船实际航向的力F3和垂直于船实际航向的力F4。调节舵向使水对船产生的横向阻力与F4和F1在垂直于船实际航向上的分力相平衡;而F3沿船的实际航向方向比F1在沿船实际航向上的分力和此方向上水的阻力之和大或至少相等,使船在这个方向加速或匀速前进,这是船航行的动力,如图1所示。

因为沿船的原定航向(即逆着风向)才能到达目的地,所以船不能一直沿着图1中实际航向一直运动下去,否则会偏离目标太远,所以到了一定的时刻要改变船的实际航向,使风从另一侧吹来,原理同上。这样,船实际走的是“之”字形路线才能充分逆风行舟张帆获得前行动力,又不偏离原来的航向,如图2所示。

逆风行舟——力分解复杂实例 - 张前军 - 张前军物理教学随笔

 

为了使逆风扬帆时能最有效地利用风力,就必须选择适当的航向和帆向。所谓最有效地利用风力,并非只追求作用在船上的分力F3最大,还要考虑实际航向与本来航向间的夹角应尽可能小,这样才能最短时间到达目的地。

现在的帆板运动员在比赛中要不断改变帆面也是利用以上原理来进行比赛的,最有效地利用风力逆风行舟实际上是非常复杂的力学问题,在技术上对运动员的要求也是很高的,如图3。

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