直掛云帆濟滄海

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球航行紀錄，震驚了整個世界(圖１）。現任國際奧委會主席羅格也曾經是優秀的帆船運動員，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，航向常常要經歷360度的變化，這便向選手們提出了“八面來風”的挑戰。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“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，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。靜止狀態下，船的重心和浮力中心在同一條垂線上，當船傾斜時，一側的部分體積離開水面，另一側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“穩心”。“穩心”越高于重心，船就越穩定。航行中船帆的橫向分力與龍骨和穩向板的阻力之間會對船產生傾側力矩，如果船的重心落在浮力中心的外側，也就是重心高于“穩心”時，翻船的事故就會發生了。船的龍骨使用較重的材質來“壓倉”和降低重心，其穩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-車系統變成一個“不倒翁”。帆船比賽中常常看到運動員把身體遠遠“掛”在船外“壓舷”，有時還要穿上鉛質坎肩，就是為了改變船的重心位置以保持穩定平衡（圖５）。

（５）船舶穩定性示意圖

2004年雅典奧運會，愛琴海上高手云集，群帆競發。最后一輪比賽中，飽經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，結果落到了10名以后。帆船比賽確實需要“見風使舵”的本領。海面上實際吹動的風叫做“真風”，船只運動產生的風叫“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。運動員隨時要調整航向尋找最優路線，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術。

（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”的來源（圖７）。1節相當于每小時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和三維形狀的優化選擇，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年創造了47.2節的航速，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年創造的，達到48.7節，已經十分接近于公認的50節極限，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。