4.帆船為什么可以逆風(fēng)而行

我們很難理解帆船是怎么做到在逆風(fēng)的條件下出航行駛的（船手們將它稱為頂著前側(cè)風(fēng)行船）。坦白地說，船員會跟你這樣解釋：帆船在正面遇到風(fēng)的時候是沒有辦法出航的，但是如果帆船和風(fēng)向的夾角是銳角時，就具備了出航的條件。不過這個銳角只有直角的四分之一，換句話說就是22°，我們肯定覺得這個銳角也太小了，正面迎風(fēng)跟風(fēng)呈22°夾角出航同樣讓人覺得難以置信。

不過，從理論上講，這兩種情況是有差異的。我們現(xiàn)在不妨來闡述一下當(dāng)帆船同風(fēng)向呈現(xiàn)的夾角很小時，是怎樣憑借吹拂的海風(fēng)迎風(fēng)前行的。首先，我們來觀察一下，通常情況下，海風(fēng)是怎樣影響船帆的，換句話說，當(dāng)船帆承受海風(fēng)的吹拂時，它會被海風(fēng)推向何處。我們或許會這樣說，船帆前行的方向與被海風(fēng)吹拂的方向是一致的。事實上這并不正確：不管海風(fēng)吹向何處，它都會跟帆面產(chǎn)生一個垂直的力，并且以此來帶動帆船前行。

圖17　風(fēng)吹動帆的方向總是與帆呈直角

這其中真正的原理是：我們假設(shè)圖17中的箭頭代表的是風(fēng)向，船帆用線段AB表示。考慮到整個帆面都會受到風(fēng)力的作用，因此我們把風(fēng)力的作用點安放在帆的中間位置，用字母R表示。這個力能夠被與帆面保持垂直的力Q以及同船帆保持水平的力P分解。船帆無法接收來自力P的作用，因為風(fēng)與帆面之間無法產(chǎn)生足夠的摩擦力。而力Q之所以能夠推動船帆，是因為它和船帆呈的夾角是直角。

我們了解了這一點后，就能夠理解為什么呈銳角的帆船能夠頂風(fēng)前行了。

我們設(shè)想一下，如果我們將圖18中的線段看作是船的龍骨。而那些箭頭是風(fēng)吹拂它的方向。帆面用線段AB表示。當(dāng)我們將船帆轉(zhuǎn)動起來，讓帆面同龍骨以及海風(fēng)吹拂的方向剛好處在角的平分線上，之后再來觀察一下圖18中的力是如何被分解的。力Q代表風(fēng)施加在帆上的作用力，眾所周知，這個力應(yīng)該垂直于帆面。我們將這種力分解為兩個力——力R以及力S，力R的方向垂直于龍骨線，而力S的方向則順著龍骨線朝前方移動。如果船沿著B的方向前行，會承受相當(dāng)強(qiáng)的阻力（龍骨吃水很深），因此，它會將力R徹底抵消。如此一來，朝向前方的力S成了唯一對船帆產(chǎn)生推動作用的力，我們會認(rèn)為帆船是在頂風(fēng)前行，通常情況下，此時帆船的移動軌跡會呈現(xiàn)出“之”字形，正如圖19向我們展示的那樣。這種現(xiàn)象被船員們稱為頂風(fēng)折線前行。

圖18　帆船是如何逆風(fēng)而行的

圖19　帆船逆風(fēng)曲折行駛