第一百九十二章 關于伯努利原理的設想

所謂伯努利效應，又稱“邊界層表面效應”，是李沐陽前世一名叫丹尼爾·伯努利發現的科學家發現的，也就是氣流速度與周圍自由氣流成比例增加，從而導致壓力的降低，而這可令氣流速度更快。

這種情況在船帆的背風面發生即空氣流動速度加快并在帆的后面形成低壓區域。

因為空氣與水一樣，都是流動的當風匯聚并且風被帆分開時，一些風附著在凸起面并將帆扯起為了其上“未附著”的空氣穿過帆，帆必須向不受帆影響的氣流外彎曲。

但此類的自由氣流往往保持其直線流動并妨礙航行，自由氣流和彎曲的船帆合在一起形成了一個窄道，起初的氣流必須從中經過因為它不能自行壓縮，所以空氣必須加速以從該窄道擠過。

這就是氣流速度在帆的凸起面增加的原因，一旦發生這一情況，伯努力的理論就得以生效。

窄道中增加的氣流要快于周圍的空氣，并且在氣流速度加快的區域壓力將下降。

這就產生了鏈式反應，隨著新的氣流接近最先著風之帆緣并分開，它更多地流向背風面——氣流被吸引到低壓區域并被高壓區域所排斥。

現在即使更大塊的空氣也必須更快地擠進凸起帆面和自由氣流形成的窄道，這令空氣壓力更低。

這一情況不斷發展直至達到現有風力條件的最大速度，并且在背風面形成最大低壓區域。

需要注意的是，只有在氣流達到曲面的最深點后氣流才增加。

在達到這一點之前，空氣不斷匯聚和加速，超出這一點后，空氣分開并減速，直到再次與周圍空氣速度相當。

在其間，在帆的迎風面發生相反的情況，隨著更多的空氣流過背風面，迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴展空間的空氣將減少。

由于這些氣流四散流動，所以其流速下降到比周圍空氣還低的速度，這導致壓力增加。

在了解了這個原理后，才能在實際中借助這些力量來使船只移動，比如船帆。

像是首先需要在風帆和風之間建立理想的關系，使風不但加速流動，而且可以沿著帆的凸起面流動。

船帆和風之間的這一關系的一部分稱作迎角，描繪與風平直的船帆，空氣均勻分開到每一面上。

船帆下垂而不是充滿成彎曲形狀，空氣沒有加速以在背風面形成低壓區域，并且船只沒有移動。

但如果船帆與風向剛好成正確角度，則船帆會一下子充滿風并產生空氣動力。

迎角的角度必須十分精確，如果該角度保持與風太近，則船帆的前部將“搶風”或擺動。

如果其角度太寬，則沿著帆的曲面流動的氣流將分開并且周圍的空氣重新聚合。

這一分離產生了旋轉空氣的“停轉區域”，導致風速下降、壓力增加。

因為船帆的曲率將始終導致帆的尾端與風向所成的角度大于與最先著風之帆緣所成角度，所以帆的后緣的空氣不能沿著曲面流動并返回周圍自由空氣的方向。

理想上講，在氣流到達帆的后緣前不應開始分離，但隨著船帆的迎角加寬，分離點逐漸前移并將其后的一切保留在停轉區域。

所以這就需要船長的掌舵操控了，一般來說，只有經驗極其豐富的老船長，才能完美的掌握這個角度，使海船更加順風順水的在海面上航行，而不出差錯。

這也正是老船長的寶貴之處，換做一般剛駕馭海船的愣頭青，根本就搞不明白這一切，別說駕馭海船航行了，恐怕只能原地打圈圈，開都開不走。

不過李沐陽想起這個自己以前看過的原理后，卻是不禁心中一喜，因為這樣一來，他或許可以想辦法將這些角度用數學公式的方法算出來，而不用非要族人在日積月累駕馭海船的經驗中去摸索，這樣的培訓他們的速度更快，沒準要不了多少時間，就能培育出一批經驗豐富的老船長啊。

而除了迎角需要保持正確角度以使空氣能夠順利通過外，關于風與帆關系的另一重要因素就是船帆必須具有正確的曲率，以保證空氣始終附著在船尾。

如果曲線太小，則氣流將不彎曲，并且將不會產生導致速度增加的壓擠效果。

如果曲線太大，則氣流不能被附著。

因此，只有在曲率不太大并且迎角不太寬的情況下才能發生分離。

而這個曲率同樣是可以想辦法以數學公式的方法給算出來的，所以李沐陽是越發欣喜起來，想到沒準困擾自己部落這船長船員不足的問題，將有機會迎刃而解了啊。

反正話不多說，就是這些氣流在船帆上形成的壓力，推動海船前進的，而不是大家想當然的以為是靠風的推力。

如果更詳細的形容的話就是，在海平面上，每平方米的氣壓是10噸，當船帆的背風面上的氣流增強時，從上面就可以知曉氣壓將下降。

假定每平方米將下降20千克，同樣，迎風面上的氣壓將增加。

假定每平方米增加10千克，并且即使背風壓力是負向并且迎風壓力是正向的，它們都作用于同一方向

因此現在每平方米就約有共30千克的壓力，如果將其乘以10平方米風帆大小，我們在該風帆上已產生了共300千克的合力。

船帆上的每一點都作用了不同的壓力，壓力最強處位于弦深處，即船帆曲面最深處。

這也是氣流最快和壓力下降最大的地方，隨著氣流向后移動并分離，力量也隨之減弱。

這些力量的方向也會更改，在船帆的每一點上，該力量與帆面保持垂直，船帆前部的力量最強處也在最前方向上。

在船帆的中部，力量更改為側方向，或傾斜方向。

在船帆的后部，隨著風速的下降力量也逐漸減弱，并導致向后方向或往后拉的方向。

船帆各處上的壓力都可以計算出來，以便確定其每一面上前部、后部和牽引部位的相對力量。

因為向前的力量還是最強的，所以施加在船帆上的合力還稍偏向前的，但主要是側方向。

增加船帆作用以獲得更多向前的驅動力還導致側向力的更大的增加。

因此，當風施加在側面的力量達到最大時，船只想要前行就涉及到船帆與風的迎角，還涉及船只與水的阻力問題。

合力的方向與帆弦近乎垂直，當帆弦與船只的中線平行時，主要力量幾乎完全施加在側面。

但是，如果船帆成一點兒角度，以便船帆產生的力量稍微向前，則船只本身會立即前行。

這事由于船的中線作用于水的方式類似于船帆作用于風的方式。

龍骨產生的力量與船帆傾斜力相反的力量，它使船完全保持船帆形成的力量的方向。

并且盡管風帆合力始終作用于迎風的那面，但正確的迎角將使船只前行。

船帆的角度距離船體中線越遠，著力點施加于正面相對于施加于側面的數量越多。

將正向力量的稍微調整與水相對于空氣的反向力量結合起來，我們將令船只迎風前行，因為現在水流的阻力最小。

這和金不全說的大致類似，只不過，他只說了方法，而不知曉這其中的原理，但李沐陽穿越而來，恰好看過這伯努利原理，所以相當清楚這里面的門道，一點就透，真正的讓他相當欣喜。

因為經過前世系統的科學教育，李沐陽知曉，這些壓力啊，壓強啊，角度啊，曲率啊，包括海船的自重，海水的流速，風速這些，真的都是可以計算出來的，這樣一來，就可以完美的利用伯努利原理來駕馭海船了，而不是單純的依靠船長的經驗。

比如，他完全可以在每艘海船上培養出一個數學團來操控海船，這個數學團可以依據他前世的那些公式等等，計算出海船在什么樣的海水流速風速下，船帆要升多高，曲率是多少，和風的夾角多少度才最合適，這樣海船才可以在大海中獲得最完美的速度，把風力完美的利用。

包括逆風航行時也一樣，也是根據伯努利原理，流體速度增加，壓力就會減低。

空氣要繞過向外彎曲的帆面，必須加快速度，于是壓力減小，產生吸力，把船帆扯向一邊。

船帆背風一面因壓力降低而產生的吸力相當大，可比迎風一面把帆推動的力量大1倍。

風在帆兩側產生的吸力和推力，使船側向行駛

之所以是側向，是因為海船不能完全正面頂著風正面航行，一艘長12米的船可與風向成12－15度的夾角逆風行駛。

如果要正面迎著風的方向前進，必須以“之”字形路線航行。

逆風行駛時，船與風向的夾角越小，速度越慢。

舵手若以角度較大的“之”字形路線航行，船速會加快，不過航程會更長。

當船體斜向行駛時必須要保持帆面和風向完全平行，這樣船才不會被風往后吹。

這時空氣要繞過向外彎曲的前帆面，必須加快速度，于是壓力減小，后帆面的壓力增大。

所以產生了向前推動帆面的推力，這個推力可以分解為2個方向，一個平行于船體，一個把船體往前推。

同樣，這個角度這個力，也是可以想辦法計算出來的，計算出海船到底要以多大的角度‘之’字形航行，才能速度最快，航程最短，這都是完美啊。

一時間，李沐陽是頗為興奮和狂喜的這樣想著，已經在心里默默總結，到底要用那些公式，才能把伯努利原理完美的利用了，好教授給手下的族人，讓他們學會用這些公式，去利用伯努利原理，明白怎樣完美的駕馭一艘海船。

征服水世界 第一百九十二章 關于伯努利原理的設想