浅析帆船运动和受力问题

卢安杰

(福建省帆船帆板运动管理中心 福建厦门 361021)

浅析帆船运动和受力问题

卢安杰

(福建省帆船帆板运动管理中心 福建厦门 361021)

帆船运动作为现代奥林匹克运动的一个重要组成部分,是集娱乐性、观赏性、竞技性为一体的现代水上运动。该文通过对帆船运动的现状进行分析,重点探索帆船在运动过程中的受力情况,进而为帆船运动的发展奠定良好的基础。

帆船 运动 受力

帆船运动是一种现代的运动项目,已经成为世界沿海国家和地区最为普及而喜闻乐见的休闲体育娱乐活动。国际帆船联合会下属已经将近有100多个级别的帆船项目,并且该项运动在欧美的很多国家已经有了将近100年的发展历史。我国的帆船运动始于1978年,并且两次在奥运会上夺得银牌。另外在世界上的国际大赛上我国的帆船健儿也多次获得金牌。帆船运动项目涉及到水上动力学、船舶的原理等多个学科,是一个高智能的水上竞技运动项目,无论是训练还是比赛都具有较大的难度。

1 帆船受力分析

帆船运动是由它受力状态决定的,帆板运动时,主要是受三对力和三对力矩的作用,分别使帆船产生前进、横移和沉浮三种运动和尾倾、横倾和偏航三种转动。

2 作用于帆板上的力和力矩

帆板在海上航行时,作用在帆板上的力主要有三对,主要为X方向上也就是帆板航行方向的风对帆翼产生了一个推动力,以及水对板体产生的一个向后的阻力R,见图1。

图1 帆板受力图

帆板与空气流产生了一个功角,在帆翼迎风面与背风面就会在气流的流速上产生一个较大的差异,进而产生一个较大的压差,该压力差分解到航向方向上为能够推动帆船的前进,也就是帆船的推动力T。与航线相垂直的方向上有一个分力为横向力N。在航线垂直的方向上,也就是Y轴方向上,风产生了一个横向力T,水产生了一个向后的阻力R。帆板在运动时海水的前进和横向阻力大小与船速大小具有很大的关系。一旦船速增加,将会造成帆船受到不同方向的阻力增加。在垂直方向上,也就是Z方向上,一个水的浮力f,推动帆板上升,另一个是人的重力G。帆板在海上航行时作用在帆板上的力主要有三对,一种力是围绕帆船前进方向上传动的力矩,一种是N与H在Y平面上产生的力矩,最后一种是浮力f和人的重力G在YZ平面上产生的力矩。

3 作用于帆板力的确定

帆板在实际的航行汇总,自然风作用于帆上的力主要是浮力和阻力,由于两个力的合力会拖动帆船的前进。在流体力学中,帆翼浮力和阻力的确定通常需要通过公式或者是数值模拟等计算出来,目前常采用的方法有面元法、涡格法等。图2为帆力的确定框图。海水作用于板、嵴和尾鳍上的力主要为帆板的阻力、横向移动的阻力等。通常采用三种方式确定,如水池试验、数值模拟和经验公式计算等。由于海水阻力结构比较复杂,因此海水的阻力计算方式也较多。见图3。

图2 作用于帆上的力

图3 作用于板上的力

4 帆板运动的基本条件

帆板运动与帆板所受到的力和力矩有很大的关系,力的作用主要是能够使帆板发生平移,力矩的作用是能够让帆板发生转动。帆板在航行方向上是在风的推动下与船之间的阻力相互抗衡进而对船的航行速度产生一定的影响。如果风对帆船的推动力T低于水对帆板的阻力R时,帆板的速度就会下降,这种情况发生是由于海上风力和风向以及操作员的技术等造成风的推动力较小。因此运动员的操作技术不仅表现为操作技能的提高,还表现为对地理、气象等的全面了解。当帆船侧向运动时,是由于风对帆的横向力与水对船的横向力相抗衡而造成帆船的横移运动。

当横向力N大于水所产生的横向力H时,帆船发生侧向的运动。帆船在起航的阶段,船体发生了横向的移动,并且在比赛中会拉长运动员的航行距离,造成运动用时较长,进而影响比赛的成绩。为了防止比赛过程中发生横向的运动,最有效的方法就是组织横向力的发生,增加横移运动。对于横移运动来讲,阻力受到横移运动的速度、迎水面积的影响,由于横移运动的速度大时,其阻力也就较大。因此可以通过增加横移运动中迎水的面积来增加运动阻力。增大迎水面积主要是通过增加横向的倾斜角度来实现横向倾斜角度的变化。在运动员起航时身体的重心应当尽量靠近帆板的中线,进而减少浮力与自身重力在航行方向和向下重力方向上的倾斜角度。因此运动员为了减少航行当中的阻力,可以减少帆板的纵向倾斜角度,也就是增加浮力与自身重力产生的力矩,进而使得运动员身体迁移而压住板首翘起来。

当N=H时,风对帆的横向力等于水对船的横向力,那么帆板横移的速度是稳定的。由于帆板发生横向移动时帆板在实际航行中的角度变大,进而造成帆翼横向力变小。如果N＜H,风对帆的横向力小于水对船的横向力,帆板横向移动的速度下降,进而阻碍船体的横向移动。在垂直的方向上,水作用于板上的浮力、升力和人与板之间的重量相互抗衡进而对船产生一个上下起伏的状态。

帆船在航行中自身的重力是不会变化的,由于帆板航行速度的提高使得板体受到水的向上浮力,浮力减小,使得总方向上的力与向下的重力相平衡,板体匀速上浮,浮力减小后向上的力作用于向下的重力,进而造成上浮的速度不断的下降,直至下降到板体下降停止。那么板体在平衡位置时发生的震荡会造成船体的阻力增加,进而产生一定的震荡阻尼系数,这种震荡停止后使得船体处于稳定的状态中。

5 结语

帆船运动是以风为动力的,通过运动员熟练高超的操作技能保持船体的稳定前行,进而发挥风力的最大效益,使得船高速前行。帆船运动受到多种力的影响,要想保障帆船运动的顺利进行,就要掌握帆船的受力问题,进而使帆船达到最佳的受风效果。

[1]马勇,郑伟涛.基于数值模拟的帆船起航阶段调帆策略研究[J].武汉体育学院学报,2013,47(1):58-61.

[2]周峰.科技型小微企业“帆船模式”探讨[J].科技进步与对策, 2013,30(21):90-95.

[3]纪鹏波,常晓峰,田丰林,等.激光级帆船动力学建模与仿真[J].计算机测量与控制,2013,21(2):520-522,543.

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2095-2813(2017)01(a)-0218-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.01.218