姜林
2016年,當(dāng)美國工程師里克·卡瓦拉羅宣稱,自己要制造一款比風(fēng)跑得更快的帆船時,幾乎所有人都不相信他,里克收到了許多嘲笑。反對者們認(rèn)為,帆船是靠風(fēng)推動的,風(fēng)給船多少力,船就能跑多快,因此沒有其他動力來源的帆船永遠不可能跑得比風(fēng)快。里克真的是在吹牛嗎?
另辟蹊徑造帆船
其實反對者說得不無道理,其中還蘊藏著一些物理知識,在順風(fēng)行駛過程中,當(dāng)船速達到與風(fēng)速相同時,對于帆船來說此時的風(fēng)速為零,兩者相對靜止,帆船無法再從風(fēng)中獲得動力,也就不可能繼續(xù)加速。換句話說,帆船想要繼續(xù)加速,跑得比風(fēng)更快,就需要再從風(fēng)中搶出一些動力來,該如何達成這個目標(biāo)呢?
里克從飛機身上得到了一些啟發(fā)。我們知道,飛機是靠機翼上下的空氣壓力差來制造升力的,橫截面呈水滴形的機翼下緣是平整的,而上緣略略隆起。這樣,在飛機飛行過程中,空氣在流經(jīng)機翼上緣時走過的路程比下緣更長,為了確保所用時間相同,空氣在上表面的流速要比下表面的快,由此機翼上方的空氣壓力要小于機翼下方,機翼下面的大氣壓就把飛機托了起來,而飛行速度越快,機翼上表面的空氣流過速度也就越快,升力也就越大。里克想,如果帆船的風(fēng)帆能像機翼那樣,不就能從風(fēng)中得到更多動力了嗎?
事實上,法國航海家阿蘭·提伯爾特確實利用這一原理制造出了比風(fēng)速更快的帆船——Hydroptere,這個由兩個希臘詞根hydros與ptere構(gòu)成的名字可被譯為“水中的翅膀”,意指它能在水中“飛”起來。出發(fā)前,Hydroptere的船翼隱藏在浮板之下,當(dāng)船速達到10海里每小時時,船翼會呈45度角展開,并生成一股向上的升力將船體托起,就像飛機的翅膀一樣,使船身懸浮在距海面5米處,速度越快,升力就越大。2005年,Hydroptere打破了第一個世界紀(jì)錄。其穿越英吉利海峽的速度比早期的飛機還要快,在風(fēng)速只有15節(jié)(1節(jié)=1海里/小時)的情況下,其速度卻達到了35節(jié)。
將風(fēng)帆升級成螺旋槳
不過,將“機翼”裝在帆船上還存在一個問題,飛機是要向上飛,升力的方向容易確定,而帆船是要向前開,“升力”的方向朝向哪里能提供最大的動力呢?這個問題很重要,因為在帆船運動過程中,帆船的實際動力其實是風(fēng)力和“升力”的矢量和(矢量是帶有方向的量,矢量和指矢量的方向與大小的和)。
你是否有過這樣的經(jīng)驗,在一陣輕風(fēng)中快速奔跑,此時感受到的風(fēng)力大小與站立在風(fēng)中不動時感受到的風(fēng)是不一樣的?這不是你的錯覺,運動是相對的,你的運動速度發(fā)生了變化,感覺到的風(fēng)也就隨之產(chǎn)生了變化。你靜止不動時感受到的風(fēng)稱為“真風(fēng)”,運動狀態(tài)下感覺到的風(fēng)叫作“視風(fēng)”,視風(fēng)的大小與方向是真風(fēng)和你的運動產(chǎn)生的行進風(fēng)(假設(shè)風(fēng)速為零,由于物體運動而產(chǎn)生的空氣流動)的矢量和,因此視風(fēng)與真風(fēng)當(dāng)然是不同的。這個道理對帆船同樣適用,對帆船而言,視風(fēng)就相當(dāng)于“升力”。因此,只有當(dāng)“升力”與真風(fēng)方向相同時,帆船才能得到加速,如果兩者方向相反,帆船速度會不升反降,甚至可能發(fā)生傾覆。
但是,在海上,風(fēng)向是瞬息萬變的,想制造一個通用的“機翼”安裝在帆船上,這太難了??嗨稼は牒?,里克想到了一個好主意:將風(fēng)帆換成螺旋槳。這樣一來,帆船就能將從四面八方吹來的風(fēng)都用上了。
裝有螺旋槳的車船
為了保障安全,里克決定先將螺旋槳裝到汽車上試驗一下,當(dāng)然了,這款汽車是完全風(fēng)力驅(qū)動的。
2010年,在美國谷歌公司和喬比能源公司的贊助下,里克成功建造出一款簡易的螺旋槳汽車。這是一款輕型汽車,主要由泡沫材料制成,采用三輪驅(qū)動,車身后裝有一個5米高的螺旋漿,汽車車型還模擬F1賽車的空氣動力學(xué)設(shè)計藍圖,以獲得最大的驅(qū)動力。汽車的測試效果很不錯,在順風(fēng)狀態(tài)下其速度成功超越了風(fēng)速。
里克在車上安裝了測量風(fēng)力的儀器,用于比較車速與風(fēng)速:剛開始時,汽車前進的速度、方向和風(fēng)強、風(fēng)向一致;隨著汽車加速,風(fēng)力逐漸減弱,風(fēng)力為零時表明車速已經(jīng)與風(fēng)速相等;之后風(fēng)向轉(zhuǎn)為相反的方向,說明車速超過了風(fēng)速產(chǎn)生了逆風(fēng)。里克在風(fēng)力車上懸掛的飄帶更加直觀,隨著車速的增加,飄帶竟然飄向了與風(fēng)向相反的方向!螺旋槳風(fēng)力車的最大速度可達到風(fēng)速的2.86倍,約為每小時62千米。
螺旋槳風(fēng)力車的成功證明了里克的想法是正確的,但同時他也掐滅了將螺旋槳裝到帆船上的想法,因為如果只用螺旋槳,帆船的前進方向和速度難以控制,在高速的情況下,船毀人亡的風(fēng)險太高了。
不過,與此同時,另一種異曲同工的“帆船”出現(xiàn)了,那就是圓筒帆船。圓筒帆長得和傳統(tǒng)的風(fēng)帆很不一樣,它就是一個煙囪狀的圓柱體,但在風(fēng)力作用下,它的驅(qū)動原理與螺旋槳是相同的。在圓柱體旋轉(zhuǎn)時,會帶動周圍的空氣一起運動,和氣流方向一致的一側(cè)速度會加快,和氣流方向不同的一側(cè)氣流會減慢。不同流速的氣體會產(chǎn)生氣壓差,對圓柱體產(chǎn)生一個橫向的作用力,由于橫向力與物體運動方向相垂直,因此這個力主要改變飛行速度方向。橫向力和風(fēng)力推動圓筒帆持續(xù)旋轉(zhuǎn),由此產(chǎn)生的力就用來推動船舶前進。
圓筒帆的最大作用不僅在于加速,還可以調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)變方向,比螺旋槳風(fēng)帆要安全得多,因此很快投入了商用。2010年,德國Enercon公司為“E-Ship1”加裝了圓筒帆。該船長130米、寬22.5米、總噸位10550噸。該船甲板上安裝有四個高27米、直徑4米的圓筒帆,并配備有兩臺功率為3.5兆瓦的柴油機。四個大圓筒都配有驅(qū)動設(shè)備,可以變換不同速度進行旋轉(zhuǎn),可以隨時控制推進器和風(fēng)力相配合,該船的最大速度可達17.5節(jié),風(fēng)力與柴油配合使用,節(jié)能效率可達30%。現(xiàn)在,越來越多的船開始使用圓筒帆。
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(劉誼人摘自《大科技》2022年第9期)