科技之光

以風為“燃料”，以帆為“馬達”，在藍天碧海間縱橫馳騁、一爭高下，這便是奧運會上最悅目賞心的水上項目帆船比賽。輕盈快捷的飛行荷蘭人型、芬蘭人型、470型、星型、激光型、49人型；穩(wěn)健厚重的暴風雨型、索林型；雙體合一的托納多型、十平方米型；小巧玲瓏、介于帆船和沖浪之間的米斯特拉、RSX帆板。五彩繽紛的帆船展開了奧運會上最遼闊壯美的海上風景，也成為高懸了十多塊金牌的“戰(zhàn)略要津”。

帆船是人類駕馭自然力量最早的杰作，當萬里長風鼓動了麥哲倫、哥倫布的船帆，便從根本上改變了地球文明的進程。1896年雅典奧運會上，帆船就被列為正式比賽項目，因為愛琴海天氣惡劣未能舉行。丹麥最杰出的帆船泰斗保羅.埃弗斯特隆曾四次蟬聯(lián)奧運金牌，56歲時還和女兒特琳同船參加洛杉磯奧運會托納多級比賽；前蘇聯(lián)選手瓦倫汀.曼金在奧運會中奪得三個不同級別帆船比賽冠軍;美國運動員哈里.美格斯獨自拿下了奧運會和美洲杯兩項大賽金牌；英國姑娘艾倫.麥克阿瑟2005年打破由男性保持的帆船環(huán)球航行紀錄，震驚了整個世界(圖１）?，F(xiàn)任國際奧委會主席羅格也曾經(jīng)是優(yōu)秀的帆船運動員，先后參加3次奧運會并獲得過帆船世界杯冠軍。 百年之間，帆船運動風生水起，造就了許多傳奇人物和傳奇故事，體育界對人、船、水、風之間相互關(guān)系的理解也日益加深。

（１）比賽中艾倫.麥克阿瑟像男選手一樣努力拼搏

用浮標在海面圍出一塊多邊形水域，參賽帆船繞標航行，整個賽程下來，航向常常要經(jīng)歷360度的變化，這便向選手們提出了“八面來風”的挑戰(zhàn)。順風航行的原理淺顯易懂，帆對風的阻力就是風對帆的推力，古人使用的方形橫帆便是只有“一路順風”時才能“風正一帆懸”的。但帆船能夠“頂風行駛”卻常常令人困惑不解，其中的奧妙何在呢？

將手中的拖把垂直對著地板，拖把顯然無法推進，但如果傾斜一個角度，拖把就能向前移動了；在桌面上緊貼著直尺放一塊三角板，施加在斜邊上的力會把三角板沿直尺方向“擠”跑。帆船在水中能逆風行駛，也必須和風的方向形成45度左右的夾角，風的壓力作用在船帆上，便能產(chǎn)生向前推動的分力（圖２）。

（２）圖組:模擬帆船逆風行使所受到風推力

更主要的原因在于，自從公元9世紀阿拉伯人發(fā)明了三角帆，船帆便不再是裝風的口袋，而成了飛翔的翅膀。我們不妨先看看飛機是如何升空的:氣流在機翼前緣一分為二，沿著上、下表面流到后緣會合。由于機翼的上表面凸起，下表面平直，因此上表面氣流速度大，下表面氣流速度小，根據(jù)“伯努利原理”，流動快的空氣壓強小，流動慢的空氣壓強大，機翼上下方的壓力差便是托舉飛機翱翔藍天的升力。公元9世紀阿拉伯人發(fā)明了三角帆后，船帆便酷似一個豎直而立的機翼，風在帆的前緣被劈開，再流到后緣去會合，由于帆的迎風面凹陷，背風面凸起，形成了一定的曲度，致使空氣在背風面的流速大于迎風面的流速而形成低壓區(qū)，于是“伯努利原理”便“立即生效”了(圖３）。這時的船帆從海平面每平方米10噸的靜止氣壓中獲得巨大的空氣動力，成為帆船前進的“引擎”。當帆船逆風行駛時，必須通過不斷地轉(zhuǎn)舵“換舷”，沿著“之”字形路線航行。船與風向的夾角越大，航速越快，不過會以航程加長為代價。逆風航行是選手最容易拉開距離的賽程。

（３）根據(jù)伯努利原理船帆在逆風中受到了“拉力”

但無論來自船帆迎風面的“推力”和背風面的“吸力”都會使船發(fā)生橫向漂移，這又要靠安裝在船底的縱向擋水板來抵消船帆的側(cè)向分力了。和船身連為一體的擋水板叫“龍骨”，能夠隨時抽起和放下的叫“穩(wěn)向板”。它們在水中巨大的橫向阻力確保了船體能在很小的“漂角”下直行前進（圖４）。

（４）圖組:龍骨（左）穩(wěn)向板（中）作用于帆船平面示意圖（右）

1988年漢城奧運會上，加拿大帆船運動員勒比厄放棄奪金機會援助翻船的新加坡選手，一時間傳為佳話。但“水能載舟，也能覆舟”的事卻在帆船競賽中屢見不鮮。靜止狀態(tài)下，船的重心和浮力中心在同一條垂線上，當船傾斜時，一側(cè)的部分體積離開水面，另一側(cè)則會有同樣的體積浸入水中，浮力中心也隨之外移，于是浮力力矩使船體恢復平衡。這也是平底船比尖底船穩(wěn)定性更好的原因。我們把浮力作用線和船體中心線的交點稱為“穩(wěn)心”?！胺€(wěn)心”越高于重心，船就越穩(wěn)定。航行中船帆的橫向分力與龍骨和穩(wěn)向板的阻力之間會對船產(chǎn)生傾側(cè)力矩，如果船的重心落在浮力中心的外側(cè)，也就是重心高于“穩(wěn)心”時，翻船的事故就會發(fā)生了。船的龍骨使用較重的材質(zhì)來“壓倉”和降低重心，其穩(wěn)定作用頗似科技館里帶有“配重錘”的自行車能在空中鋼纜上騎行，將人-車系統(tǒng)變成一個“不倒翁”。帆船比賽中常?？吹竭\動員把身體遠遠“掛”在船外“壓舷”，有時還要穿上鉛質(zhì)坎肩，就是為了改變船的重心位置以保持穩(wěn)定平衡（圖５）。

（５）船舶穩(wěn)定性示意圖

2004年雅典奧運會，愛琴海上高手云集，群帆競發(fā)。最后一輪比賽中，飽經(jīng)風浪的悉尼奧運會米斯特拉級冠軍森尼西卻選擇了錯誤航向，結(jié)果落到了10名以后。帆船比賽確實需要“見風使舵”的本領(lǐng)。海面上實際吹動的風叫做“真風”，船只運動產(chǎn)生的風叫“行進風”，乘員在船上感覺到的風叫做“體感風”，它是真風與“行進風”的合成，速度往往比真風更大。船在橫風行駛時速度比順風還快，因為船帆能獲得更有效的推動力。而海面的風力、風向復雜多變，陣風、亂風隨起隨落，這便需要敏銳的觀察、清醒的判斷和果敢的決策。運動員隨時要調(diào)整航向?qū)ふ易顑?yōu)路線，收放索具控制船帆拱度，千萬別以為船帆上綴著那些飄動的小布條是為了裝飾，英語管它們叫telltales，意思是告密者。這些氣流線隨時透露著風的“情報”（圖６）。當迎風面和背風面上的“小尾巴”都能同時歡快流暢的飄舞時，船帆就找到了最佳的攻角。競賽中，處于上風的船設法擋住追趕者的風，這是十分有效的計謀和戰(zhàn)術(shù)。

（６）隨風飄蕩的小布條是風向的“告密者”

16世紀的時候，在茫茫大海上無法判斷航船的速度，聰明的水手將等距離打結(jié)的長繩拖著漂浮物拋到海中，再定時收回進行計算，這便是海船速度通用計量單位“節(jié)”的來源（圖７）。1節(jié)相當于每小時1海里，或1.852公里。今天，輕盈堅固的玻璃鋼、碳纖維及新型復合材料取代木材，使船和水接觸的“濕面積”不斷縮小，帶來波浪阻力和摩擦阻力的減少。計算機對船體流體力學性能的模擬設計，風洞試驗對船帆材質(zhì)和三維形狀的優(yōu)化選擇，都使當代帆船在“頭尖體長”的基本模式下不斷改進。法國人設計的雙體帆船在2007年創(chuàng)造了47.2節(jié)的航速，比“真風”的速度快3至4倍。當今帆船最高速度的世界紀錄是英國人梅納德2005年創(chuàng)造的，達到48.7節(jié)，已經(jīng)十分接近于公認的50節(jié)極限，簡直象掠過海面的水上飛機（圖８）。

（７）海上的水手不但有準確的方向感更是聰明的計算師

（８） Hydroptere帆船

我們也許都看到過另一種神奇的風帆，它們的運動機制和原理與帆船十分相似，但卻是奔馳在陸地上的“旱船”。這些“沙帆”和“冰帆”的時速都能達到70公里，的確別有一番情致和趣味（圖９）。

（９）冰帆（上）沙帆（下）是奔馳在陸地上的飛速“旱船”

但毫無疑問，帆船永遠是屬于大海的。既會領(lǐng)略海的溫柔又能接納海的暴躁，這才是完整的“藍色暢想”。歷盡風云變幻，看慣波濤詭譎，能鑄就帆船運動員大海般的胸襟和情懷，而只有升起科學的風帆時，才能成為大海真正的兒女。