帆船能跑的比风还快吗？超过风速的数倍？ 

自然风是为帆船提供动力的唯一来源，那么它们的航行速度怎么能比风吹的还要快上很多倍呢?这看似违背直觉，但并不违反物理规律，不过其作用机理着实有些匪夷所思。风帆火箭2号（Vestas Sailrocket Ⅱ）于2012年，在风速约46公里每小时，也就是6级风的海况下，航行出了创纪录的125.95公里峰值时速，达到风速的2.7倍，超过了很多摩托艇，但这仍不是终点。

事实上，我们多数人所熟知的古代传统方形船帆是做不到这一点的，因为这种帆只有一种作用力，就是风直接吹在帆面上形成的推力。而随着船速的增加，帆与风之间的速度差逐渐减少，推力也就越来越小，直至与航行中水的阻力相平衡，加速度变为零进入匀速行驶状态。在这种情况下，船速只能无限接近风速，但永远也超越不了；也做不到直接逆风行驶，只能采用斜顺风方式，在大范围内用之字形路线缓慢迂回来实现逆风前进。

所以，若想要进一步提高航行速度和前进效率，就必须要寻找直接推力以外的其它更加强大的动力来源。这种力还真的存在，就在大自然中隐藏着，只是一直在等待着人们或被动的在偶然间、或主动的试验研究去发现。

因为运动是物体之间的相对位置变化，所以飞机可以看作是被大风吹上天的，但若从飞机的正下方以起飞速度的风力垂直的直接向上吹，这种平均作用于整个机体上的推力很难将飞机吹上天，但若是平着吹却能够获得稳定而强大的升力。

这得益于上下不对称的曲面机翼设计，机翼上方的气流速度快、压强小，下方速度慢、压强大，压力差形成了强大的上升力。这就像是用手拿着一张纸，它会自然的弯曲垂下，但若向上表面吹气，纸就会飘起来；往两个乒乓球中间吹气也是一样，球不但没有分开得更远，反而是贴得更近了。流体速度快的地方压强就小，这就是源自机械能守恒的著名伯努利原理。

从下面这张水槽实验的动图中可以看到，上下表面的水流在水平位移上行进的时间差不多，但是曲面的路程距离更长，所以流速要比另一面更快。

上下表面对称的翼型，若保持一个仰角，上表面的流速依然是更快的。

自然界中，很早就已经发展出了利用这种物理规律的方式。

那么，既然这种方式能够提供更大、更高效的作用力，没理由不扩大它的应用范围。例如，将弧形机翼竖起来插在帆船上，然后侧风航行。

这样，就将能够使沉重庞大的飞机飞上天的巨大的垂直升力，转换成了在水平方向上使帆船前进的动力。

此时，风作用在船帆上的力分为两部分，一是因曲面帆两侧气流速度不同而形成的升力使船只前进，二是由于帆的凹面对风形成的阻力而产生的侧向推力（在逆风帆位时，升力方向的改变会分解出更大的侧向分力，见后文）。为了克服侧向力，帆船的底部都有各式各样的板状龙骨，在水中快速航行时可以对横向运动产生很大的阻力，从而阻止帆船在前进过程中的横向移动。

在风的侧向力与龙骨产生的反作用力双重作用下，帆船的稳定性大为提高。

风对帆产生的侧向力也会使船严重侧倾，所以我们经常能看到轻型帆船在快速行驶的时候，很多船员们都坐在一侧充当人肉压舱石来进行平衡。

但若风力过大而帆位或航向调整不及时可能就压不住了。。。

并且人肉压舱石也不太好当啊，压着压着可能就睡着了～～

现在我们清楚了，船帆设计成曲面而形成的侧风升力能够使船更高效而稳定的航行，但若物理规律仅止于此的话，帆船仍然是达不到数倍风速的。

因为航行得越快，水对于船的前进阻力也会随之快速增大，很快就又达到了平衡进入匀速行驶状态。想要继续加速，就需要更大的风来产生更大的升力。就好比飞机在时速100公里的时候是飞不起来的，风不够大没有足够的升力，波音737得需要近300公里的时速才能起飞，但这么大的风是由发动机创造出来的。

可是，对于帆船来说，更大的风究竟要从哪里来呢？

自然就是如此的超乎想象，这种更大的风源居然是由帆船自己创造出来的，然后供自己使用。。。

假若在一个西向微风的天气中，你走在路上能够清晰的感觉到风向和风力，但你骑上自行车以时速20公里向北行驶，这时你感觉到的风向和风力就都发生了变化，风力会略大于20公里，风向是北偏西一点。

运动是相对的，你的运动速度发生了变化，感觉到的风也就随之产生了变化。自然的风，也就是相对于陆地或海面的风称为“真风”，你在运动状态中感觉到的风叫做“体感风”或“视风”，视风的大小与方向是真风和你运动速度产生的行进风叠加的结果，三者是矢量关系。行进风是假设周围空气静止时，运动对象感受到的风，与运动速度相同只是方向相反，在船上就叫做船风。

视风是由运动中的观察者所真实经历的唯一的风，如果随身携带风力仪器的话，记录到的风就是视风。在运动状态中，是不知道真风大小和方向的，因为你只能感受到视风，真风只能根据记录到的视风和自己的运动数据通过计算得出。

由此，我们可以知道真实作用于船帆上的风是视风，在侧真风至逆真风范围内航行时，视风总是大于船速和真风的（注意看矢量三角形中三条边长的比例和角度）。

那么，这就带来了一个相当违背直觉的现象，只要船在真风的作用下开始动了、有了初速，视风风速就增加了（大于真风），作用于船帆上的升力也随之增大；增大的升力进一步将船加速，船速的增加又使得视风的风速进一步增大，继而升力继续增大、船继续加速。。。。。。

循环加速，匪夷所思！自力更生的典型。。。

这个循环可以无限进行下去、最终速度无极限吗？感觉上好像是不可能，但在数学理论上来说的确是没有限制的，一旦进入数学中的无限概念就令人感到恐惧与绝望，因为好像真的可以无限接近、无限大、无限小。。。

然而，真实世界中物理规律终归无法超越，多个物理量是在同时发挥作用、相对变换、也在彼此限制的。对于帆船来说，视风的速度虽然在不断增加，但它的方向也是随之在不断变化的，逐渐向正逆风方向接近。

在这个过程中，如果保持帆位不变，船帆对视风的迎角将变小，空气流过船帆凸面和凹面时的压力差减小，升力也随之变小，直至与水的阻力相平衡而匀速行驶。风若是直接吹到了曲面船帆的凸面上，不但没有升力了，还会把船吹得倒退。

所以，为了继续获得升力，就需要不断的调整帆位。而帆位的调整将使升力的方向发生改变（升力垂直于风向），但它可以分解出在航行方向上的分力，只是这个航向力将随着视风向正逆风方向的不断偏转而逐渐减小趋于零，同时升力的侧向分力逐渐增加，帆的凹面对风的阻力也成为前进的阻力之一。在随视风不断增大的加速过程中，航向力先是随之增大，然后又逐渐减小，直至与总的前进阻力平衡而终止了加速，此时达到最大航速。

作用在帆船上的力详解图，可以简单的理解为航向力、前进阻力和侧向力就行。

实际上，在达到理想的最大航速之前，侧向力已增长到难以抗衡，航向与姿态都会失控，很容易侧倾翻船。下图中这艘三体运动帆船，虽然三名船员已经展平了身体来努力抗衡侧倾，但他们那一侧的船身还是升的比较高。通过前面的分析，我们已经知道了船体的侧倾，并不是因为真风从横向吹成这样的，而是来自斜前方视风形成的升力的侧向分力造成的。

在现实的工程设计中，想要获得更高航速的关键之处主要在于三点，一是尽量减小行驶阻力，二是能够最大限度的以接近正逆风的角度航行，三是克服侧向力和侧倾。所以，很多运动帆船都采用了水翼设计，就是像飞机那样让船在水中“飞”起来，减少船身的行驶阻力；为了克服侧倾，多采用双体、三体船身来加宽；海上的风向在小角度内并没有那么稳定，迎角过小时软面的织物船帆很容易鼓不起来瘪掉了，此时像机翼一样的刚性帆体就成为首选。

为美洲杯设计的双体轻型帆船能够达到2倍真风速，小小的两片水翼就能让它飞起来，巨大的主帆是硬质刚性的，采用可操控的活动襟翼来改变帆面的曲度。

碧海蓝天，御风而行，美妙至极～～

但对驾驶技术的要求非常高。。。

单体帆船为了对抗侧向力更是绞尽脑汁，例如这样举着一只脚跑的。。。

而纯粹为打破速度纪录而设计的风帆火箭2号，舍弃了操控性将船帆设计成倾斜的以更好的平衡各种力之间的作用来稳定航行姿态，空重也仅有275公斤。

就连团队负责人兼驾驶员保罗的头盔都是这样的。。。

不过这是在风帆火箭1号时戴的，当时船体的气动设计仍有不足，导致船飞了起来，好在保罗没有受伤。

现代高性能帆船的设计理念，最初由美国物理学家伯纳德·史密斯在1963年出版的《40节（74公里）帆船》一书中提出，这个概念远远超出他的时代。伯纳德参与过火箭和导弹设计，业余时间对超级帆船的设计研究了很多年，详细阐述了刚性船帆和水翼以及龙骨的运用，激发了很多设计师的热情。但直到2007年，保罗的团队才突破了40节的航速，当他兴奋的联系伯纳德告诉他的想法成为现实时，伯纳德已经97岁高龄了。

在空气没有被压缩之前，速度仍然可以继续提高，并且保罗也认为他们可以继续创造纪录。但是，水中的航行限制仍然非常大，船重、行驶阻力、侧向力、侧倾之间的问题很难平衡，海面上的波浪也导致了巨大的颠簸，稳定性的降低使得进一步突破3倍风速异常困难。

那么，把帆船安上轮子、在平坦的陆地上行驶如何？

前进的阻力小（滚动摩擦）、侧向阻力大（滑动摩擦），行驶过程中通过空气动力学下压车身进一步增大侧向阻力和抗侧倾能力。由此，童年时期就是超级航海爱好者的英国工程师詹金斯，花费十年设计、建造出的第五辆风力车“绿鸟（Greenbird）”创造了202.9公里时速的世界纪录，达到了约3倍风速。如果天气与场地合适，詹金斯认为绿鸟能够达到5倍风速（最终速度不一定太高，但加速时间和距离要够长）。

但是，车轮的前进阻力仍然不够理想，大家若是看过轮滑与滑冰比赛的话可能会感觉到它们之间的差异，所以还是给帆船穿上冰鞋吧！

因为极低的摩擦系数，冰船可以在真风速非常小的气象条件下行驶，达到5倍风速是比较容易的，在良好的气象与场地条件下甚至能够达到10倍风速，国际冰帆船竞赛协会比赛中的冰船大多在3～5倍风速之间行驶。

达到风速倍数的差别如此之大的原因在于，冰船与视风之间最小能够以7度角行驶，水上的轻型多体运动帆船最小是20度，而普通的现代帆船在45度角之内就无法航行了，这是由足够小的前进阻力与抗衡侧向力的能力决定的，帆船可以因此获得最宽泛的持续加速范围，也就是尽量做到升力最大化、阻力最小化。

人类对世界的理解，取决于对大自然的提问方式，没有被偶然发现的、也没有被主动提出问题进行研究的那些范围，就是完全不知道、一直在隐藏着的。

虽然曲面风帆对视风这种神奇特性的利用令我们惊叹，但帆船终究有所限制，既不能绝对的正逆风前进、在直接顺风中跑得也慢，这个结果似乎有些意犹未尽、不够过瘾。

那么，将风帆换成螺旋桨如何？

这可能会进一步挑战我们的直觉，事实上这个想法当初遭受了很多质疑、批驳，被人嘲笑为另一种永动机。

来源：人类旅程