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玩转帆船 专业：08科学教育 姓名：陈春禧 学号：200810800221 摘要：帆船即利用风帆，靠风力推进的船。它起源于欧洲，其历史可以追溯到远古时代。帆船蕴含着人类丰富的智慧结晶，运用了动量、浮力、重心与平衡等物理知识，是人类和大自然作斗争的一个见证。本文主要从物理的角度分析帆船的动力来源，分析与帆船相关的有趣现象和有趣实验。 关键词：帆船 逆风行舟 受力分析 动量定理 逆风行舟 你听说过“逆风行舟”吗？你相信船真的能逆风行驶吗？它是怎么实现的呢？你能用学过的物理知识解析吗？ 实验现象如图1 原理分析： （一）方法一：受力分析法 图2 图3 如图2所示，当风以一较小角度吹打在帆上，风对帆的作用力为 F风1和F风2，将F风1和F风2如图分解得F1、F3，如图3 ，F1+F3=F’(所以风吹帆的作用效果相当于给帆一个压力)再将F’沿平行于龙骨线和垂直于龙骨线方向分解，其中F’1被水下的龙骨阻力平衡掉，F’2就是船行驶的动力，当大于阻力时船就能实现逆风行驶。当然逆风行驶并不是完全逆风，而是与风向成一较小角度，因而现实中通过不断改变船和帆的角度走“之”字型路线，实现逆风前进。 （二）方法二：动量定理 图4 如图4风的动量P1吹到帆上后变为P2，动量的变化量为?P，所以风给帆的冲量为I，把I分解为I1和I2，其中I2被水下的龙骨阻力冲量抵消，船在冲量I1作用下沿逆风方向行进。 定量计算： 如图 4, 设风速大小是 , 侧逆风和帆面的夹角为α,帆面和船身夹角为β，风的密度是ρ, 帆面面积为 S , 则风在时间 ?t 内吹到帆面的质量： 风速的改变量的大小为： 由动量定理得风对帆的垂直作用力： 船的动力 所以通过调节帆面和风的夹角及帆面和船身的夹角, 可以使船获得最大动力. 这样的帆船能动吗 情景：平静的水面上有一小船，船上装有一风扇，开始时船是静止的，现让风扇正对着船帆吹风，问船动吗？怎么动？ 想出来了吗？来看看实验结果吧！ 答：有三中情况：1.船会倒行 2.船会静止 3.船会前行 图5 图6 图7 为什么会这样呢？？如何解析这一现象呢？ 原理解析： 图8 方法一：受力分析 如图8：船的运动状态由3组作用力和反作用力决定（不考虑船与水的阻力），这3组作用力与反作用力为：（1）风扇与空气的相互作用力F1和F2（2）吹过来的风与船帆的相互作用力F3和F4（3）由于风吹在帆上且中间的力比较大使船帆发生形变凹下去，所以风遇到帆会部分反方向往左吹，这样又产生另一对空气和帆的相互作用F5和F6. 所以船的运动状态由 决定 当风扇离帆较远时F4+F5较小，F合0,所以船会倒行 当风扇离帆距离合适时，F合=0，所以船会静止 当风扇离帆较近时，F合0，所以船会前行 方法二：动量守恒定律 图9 如图9，黄色的箭头表示风的动量，绿色的箭头表示船获得的动量，M表示船的质量,m1表示风扇吹出的空气质量，m2表示返回部分风的质量。把风扇和空气看成一个系统，风扇吹风时由于系统动量守恒，船获得向左的动量P1=MV1，当风扇吹出的风遇到帆时有部分风会反弹往后吹，此时船获得的动量 . （V3为吹到帆上的风速，V4为反弹往后吹的风速）因为风扇离帆有一定距离，所以V3比风扇刚吹出的风速要小。因为反弹往回吹的风只占全部风的一部分，所以V4V3.因而船的运动状态取决于风扇和帆间的距离，取决于V1和。所以 当风扇距帆较远时，V1△V，船会倒行。 当风扇距帆距离适中时，V1=△V，船静止不动。 当风扇距帆较近时，V1△V，船会前进。 其实这是高中的一道比较经典的题目，出题者的意图有两个：1.在学习了牛顿第三定律后，考查学生对作用力与反作用力的理解。2.在学习了动量守恒定律后，考查学生对系统动量守恒的理解。有很多人认为风扇与船帆间的作用力是一对作用力与反作用力，认为当船上的电风扇吹风对帆有一个向前的作用力时，同样风对风扇有一个向后的作用，风扇是固定在船上的，也就是同时有个大小相等方向向后的作用力。对于船来讲，所受合力为0，所以他们认为正确的答案是船静止不动。还有些人认为原来的空气是固定的，你的电扇把它弄流动了，吹向帆，根据动量守恒定律，你的电扇是要向相反的方向运动的。但是由于你的风正好吹在帆上，所以两个力平衡了，船不动。也有人认为风扇和风以及风和帆的作用力为系统内力，内力不能改变物体的运动状态