如何让帆船逆风航行?

这是你心爱的复古大帆船，在顺风时，风会吹着这面四角帆，推着你的船乘风破浪。但如果突然刮起逆风，此时要想前行，你就只能收起船帆，让同事们伸出长桨，唱着歌儿，奋力划动。

然而，旁边这艘嚣张的小帆船，却可以当着你的面逆风前进，速度甚至比风速还要快。

能逆风航行的帆船多采用三角帆，以这种今天比赛中常见的 470 级帆船为例。船体下方安装有舵叶，用于控制行船方向，以及稳流板，可以保证船只运行平衡，避免倾覆。船体上方则是帆。

其中，球帆一般藏在船头，顺风时打开，风吹着帆，带动船只同向运动。但今天是逆风，球帆并没有逑用。

此外，船上还有靠若干支索将桅杆竖直固定并升起表面积最大的主帆，底边由帆杆固定，并通过万向节与桅杆连接，能实现大角度转动。较小的前帆则被装配在前桅支索。主帆和前帆是帆船的主要动力来源。

了解完帆船结构，就可以下水了，在洋流和划行的帮助下，你的船走起来了。但问题是，我们该往哪个方向走？

直走正对逆风显然不太行，一般来说，正对逆风左右各 45° 是帆船的禁航区。驶入这个区域，你的船就会因为失去动力而停下。

但只要斜着走，始终与风的角度保持在 45°，船就可以跑起来。只需要在适当时机调整舵叶和帆，让船转弯，我们可以让帆船在逆风中之字形前进。

我们先来看一下帆的顶视图。它的左右两端分别是前缘和后缘，连接它们即可得到一根弦。弦和风之间的夹角称为攻角。

注意这个形状，会发现跟飞机机翼的断面很像。我们知道机翼上下曲面的弧度不同，会导致空气流经时在下方的压强大于上方，从而形成向上的升力，帆也一样。

升力可通过这个公式计算（L=1/2ρV * A * Cl），其中，流体的密度、速度、帆的面积、升力系数越大，升力也越大。而升力系数又与攻角相关，在一定范围内，加大攻角也会增加升力系数进而增大升力。

好了，我们再分析一下帆的受力情况，它会在风的平行方向上受到阻力，垂直方向上受到升力，形成一个合力。

这个合力又可以分出与帆船航行方向平行和垂直的两个分力，前者能让船前进，而后者却会使帆船向一边倾倒。

这个时候，船体下的稳流板就派上用场了。

稳流板形状狭长，可以像机翼、帆等翼型一样在水流的作用下产生升力。由于水的密度是空气的八百倍（气温 9℃），稳流板在水下只需要很小的攻角和面积便能获得较大升力和阻力，且方向与帆产生的力相反。

帆受到的空气动力和稳流板受到的水动力矢量迭加。横向力相互抵消，纵向力迭加成为帆船航行的推动力。借此，船就会被帆和稳流板上的力同时「挤」出去。

总结一下，攻角和风速主要影响了帆受到的升力；升力决定了船的加速度和速度。也就是说，如果我们想让帆船跑得更快，就需要调节攻角和风速。

攻角的调节取决于帆的角度。在帆船上，舵手通过舵柄辅助杆来掌舵同时控制主帆，缭手控制前帆和球帆。

而比调节攻角更复杂的是调节风速。你可能会问，海上的风，人能怎么调节？

事实上在航海中，我们把客观存在于自然界中的风称为真风，但它并不是帆船在行驶时唯一会遭遇的风。当船只行进、挤压周边空气时会受到反作用力，从而产生一股与船只行进方向相反，速率相等的阻力风。

而对真风与阻力风向量相加，我们可以得到视风。这是身为船员的你能感知到的风，也是最终让帆受力的风。

带着这些知识，我们现在再回到船上。假设真风与船速均为 5 节，它们之间的夹角为 45°，根据三角函数，我们可以得出此时视风的速率大约是 9.23 节，与船的角度是 22.5°。

它们的关系是：船速 = 风速 * (sin(β) * cot(α) - cos(β))

在这个公式中，sin(β)、cos(β) 均为常数，而 cot(α) 在 0° 到 90° 之间又是一个单调递减函数。因此，当你调节攻角从而增大帆受到的升力时，船速就会加快。

此时，视风速度变大，且与船只夹角缩小，从而进一步增大帆受到的升力。理论上当视风角度到达 17.1° 时，船速可以到达真风速的 1.59 倍。

目前帆船速度的世界纪录保持者是澳大利亚的保罗拉森。在 500 米的距离中，他和帆船跑出了 2.6 倍的风速，达到了 121 千米/小时。

掌握这些技巧多加练习，你就能让船逆风前行。但也要小心，千万别让你的帆船翻船。