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帆船

船类交通工具

帆船(英文:Sailboat)是利用风力前进的船,是继舟、筏之后的一种古老的水上交通工具,已有5000多年的历史。按船桅数可分为单桅帆船、双桅帆船和多桅帆船;按船型划分有平底和尖底帆船;按首型分为宽头、窄头和尖头帆船。

基本信息

中国宋、元、明、清时代使用过的帆船有平底沙船、尖底的福船、广船和快速小船鸟船,以及大型战船楼船和运粮的漕船。帆船通常为单体,也有抗风浪较强的双体船。帆船主要靠帆具借助风力航行,靠桨、橹和篙作为无风时推进和靠泊与启航的手段。

历史沿革

古代时期

据考古研究发现,在约公元前3100年的一只古埃及陶器上便已经绘有帆船,这艘船的帆位于前部,因此仅能顺风航行。由于缺少木材,早期的埃及人用纸莎草捆扎成船。船的两端高耸,在船的前部树立双支柱的人字桅,桅顶有一横桁,上挂一面方帆。约公元前2600年,埃及人从北方腓尼基输人雪松、冷杉等木材造船。在卡纳克神庙遗址的浮雕上就刻有公元前15世纪哈特谢普苏特女王派往蓬特去的远征船队。据估计,这些船的长度约为25—30米,每舷有15名划桨手。这些船的大桅已经移到中部,上下各有一根很长的横桁用于张帆,并且可以转动以适应不同的风向。船尾两舷各有一支舵浆。

公元前10世纪后,腓尼基人开始发展海上贸易。他们使用过一类被称为“Hippo”或“Tarshish”的较大型船只,负责航程较远的贸易运输。这种船的长宽之比仅为2.5,船舱较深,容积较大。全船铺有甲板,中部的桅杆上张一面方帆。上下都有横桁。船尾每舷各有一支舵桨。船的两端向上弯曲高耸。船的舷边无舷墙,但有栏杆。在美索不达米亚的亚述宫殿的壁雕上曾发现过公元前7世纪双排桨战船的图像。此时的腓尼基船已具有龙骨、首柱和尾柱、肋骨、甲板横梁,并装有甲板和较高的舱口,帆装先进。可在横风下,藉风力推进。

公元前3世纪,罗马帝国在意大利半岛崛起。当屋大维与安东尼之间的战争结束后,地中海保持了两个半世纪的和平,罗马商船控制了海上贸易。当时,罗马人所使用的贸易船被称为“Corbita”,船长25米,宽6—7米,可载100多吨货物。这些船的尾部较高而首部较低。主桅上张一面大方帆,在桅的顶部还挂一面三角形的帆。船的首斜桅(Artemon)上挂一面小的方帆。在罗马的内米湖曾发现过一艘72米长、有冲角的划桨战船,还有一艘73米长、驶帆的贸易船。两船都有龙骨,肋骨很多,外壳板相互钉接并与肋骨相连接,水下船壳敷有铅皮,造船工艺水平很高。根据船中残存的一些钱币,表明该两船是在公元2世纪建造的。据推测,它们可能是罗马宫廷中的游乐用船。

公元前58—公元前49年间,尤里乌斯·恺撒征服了高卢地区。他发现当地的维内蒂人驾驶船时,用帆比用桨多。他们的船体多用坚实的橡木制造,两端的舷弧很高,在风涛海面的适航性优良。船桅上挂的是一面皮革制的方帆,一角系于船首端,可在偏逆风下航行。他们的驶帆技术明显高于罗马人。

公元9世纪,中东地区的穆斯林海上势力兴起,他们的舰队既有划桨船也有帆船。其中,帆船挂的是三角形纵帆,有利于在偏逆风下航行。公元13世纪时,欧洲出现了桨帆并重或以帆为主的“Galleass”。它的长宽比约为4:1,船体坚实,能抗风涛。船上设有2—3桅,帆装是从阿拉伯人那里传来的长桁三角形纵帆。

在古代中国的殷商时期,木板船的使用已很普遍。在甲骨文中就有“舟”“凡”(帆)等字样。最迟在东汉末年,风帆的结构和驶风技术已经完备了。从材质上看,这些风帆可以分为两大类。一类是用丝织物或布作的布帆;一类是用竹篾或植物纤维做的萧帆。从结构上来看,除了软帆之外,中国还发展出了特有的中国式平衡纵帆。这种帆装可以在横风下,甚至在逆风下航行。平衡纵帆在桅杆前的面积约为全帆面积的三分之一、这样风压中心接近转帆支点(桅杆),操帆省力。在横风下,只要把帆转偏一个角度,船就受到把船推向前进的推力,不过,这时候船也会受到一个横移力,使船向横向漂移。为了提高船的航行效率,必须加深船的吃水,放下船侧的披水板(沙船)或中插板(广船)。为了保持航向,还要把舵偏转一定角度。

进入唐宋时期,中国的航海事业进入繁盛期,造船技术水平和能力也达到了自秦汉以来的第二个高峰。这一时期船舶体制已基本定型,奠定了以后各代的造船法式。有一些技术成就,还对世界造船业产生了深远的影响。

据史料记载,唐代有很强的造船能力。《旧唐书·崔融传》中有如下描述:“且如天下诸津,舟航所聚,旁通巴、汉,前指闽、越,七泽十薮,三江五湖,控引河洛,兼包淮海,弘舸巨舰,千轴万艘,交货往还,昧旦永日。”在造船技艺上,当时已广泛应用了榫接钉合的木工艺和水密隔舱等先进技术,在船型设计和随船属具设置上也日臻完善,工艺达到了全面成熟的水平。

唐宋时的帆船中,有一种名为“木兰舟”的大型海船。南宋周去非的《岭外代答》形容木兰舟“大如巨室,帆若垂天之云,舵长数丈,一舟数百人”“盖其舟大载重,不忧巨浪,面忧浅水”“言舟之大者,莫木兰若也”。宋代还有一种叫作“神舟”的大型座船,是为出国使臣专造的。使团随行人员的座船叫作“客舟”,是遣使前先期委派福建、两浙监司雇募的民船。据徐兢在公元1123年出使高丽时所留记录,客舟长10余丈,深3丈,阔2.5尺,大桅高10丈,头桅高8丈。可载重2000斛。船的上甲板平整,船底尖削如刃。全船舱室分作三部分,前一部分在头桅与主桅之间,舱口不设舢板,底层为炊事房和安放水柜之处,余地为随行士兵的住舱。中间部分分作四室,后一部分称“㢗屋”,高出甲板丈余尺,建如房屋,遍施采绘,悬帘幕装饰华丽,使团官员按官阶高低分住在这两部分舱室内。㢗屋是为显示使船的威仪而特意加装上去的,于实际航行无益。徐兢认为“舟人极畏㢗高,以其拒风,不若仍旧为便”。可见民间海船并没有这种招风的建筑。客舟航行时,正风张挂布帆50幅,稍有偏风则用利篷,左右翼张以取风势,风小时再于大桅顶上加野狐帆10幅。客舟上的布帆可能是软帆,利篷则是篾席硬帆,所谓野狐帆则是船家通称的"头巾顶"软帆。

在考古实物方面,1974年,福建泉州后渚港出土了一艘宋代海船,该船的船长约30米,宽10米,排水量约400吨,载重量约200余吨。底尖上阔,头尖尾方,分为13个舱。船外壳由3层杉木板构成,船底则是2层杉木板。龙骨用樟木制,分为三段,采用榫接法相连。船上装有2根大桅,舵可以升降,不仅航速较好,适航性也较佳。2007年,“南海Ⅰ号”古沉船在广东台山、阳江交界海域打捞出水。该船为南宋中晚期的“福船”,残长约21.91、最大船宽约9.87米。左右两舷侧板为多重板搭接结构,共有13道横向隔舱,还存在以舵、桅为中心左右对称的两道首尾纵向小隔舱和货物隔板,并有保存较好的桅座以及厚重的桅面梁、舵孔等结构。

而在内河航船方面,北宋《清明上河图》中就绘有宋代内河客船11艘和货船13艘。这些货船的船上装有“人”字桅,过桥时可以放下。帆用席制。舵的面积很大,可以升降。据估算,这些货船长约25米,载重可达50余吨。

15世纪初期,中国明代郑和率领庞大船队7次出海,到达亚洲和非洲三十多个国家,所使用都为风力驱动的帆船。

近现代时期

近现代,由于全球航运环保与节能的需求,传统的风帆动力船的研究又被推上了现代航运的前台,其高性价比再次成为各国对船舶的推动力和节省能耗研究的方向。目前风帆助推船主要是两大的流派,一种是硬质翼面帆,另一种是旋筒帆。

1980年,日本建成全球第一艘用现代风帆助航的“新爱德丸”号,载重1600吨,用2块卷折式纤维增强塑料风帆,1台低速柴油机作为辅助动力,两者配合使用,与载重相同的普通机动船相比,这艘船可节省燃料50%,但运输时间增加20%。2020年,日本商船三井与大岛造船合作开发建造风帆动力巴拿马型散货船“风挑战者”号(Wind Challenger)。这是一艘9.9万载重吨煤炭运输船,全长235米,宽43米,通过可伸缩的硬翼帆可以变换利用风能作为推进力。硬翼帆采用玻璃纤维增强塑料作为材料,通过减轻重量以扩大整体面积,最大限度地利用风能的推进力。装置上安装了传感器来感知风力和方向,可以自动伸缩和旋转,从而有效利用风能。与同类型传统船舶相比,预计将能减少5-8%的温室气体排放,显著降低了船舶燃油消耗,从而在提高经济效益的同时减少了船舶作业对环境的影响。

2008年,在工信部的支持下,我国成立了第一个风帆研究设计团队,由中船重工702所负责设计研发。2015年,中国风帆技术示范应用开发项目正式启动。

2018年,由中船重工研制、大连船舶重工建造的凯力号大型油船成功交付,载重量达30.8万吨,成为当时最大吨位的风帆助力船舶。凯力号有2个硬质翼面风帆,高39.6米,宽14.8米,回转底座的最大外径5.3米,采用U型结构翼形风帆,原理与飞机机翼类似。凯力号两舷位置各安装了一部大型翼型风帆,通过不断调整风翼的迎风角度来控制船只的行进,平均每天可节省3%的燃油消耗。

结构

包括:船体、帆(主帆、前帆、球帆)、桅杆、横杆、稳向板、舵等组成。

还有缭绳、卸克、斜拉器、滑轮等等一些小配件…..

.前帆(Jib):主桅杆前面使用的帆。

.前支索(Headstay(Forestay):桅杆顶向前船艏拉撑,并可将前帆扣上的钢索。

.控帆索(Sheet):主要的控制绳索,可放出或收紧及固定,图1指前帆索。

.主帆(Mainsail):升在主桅杆之后的帆。

.帆骨(Battens):由帆后缘插入之扁条状物,为维持良好帆形。

.主帆索(Mainsheet):控制主帆角度的绳索。

.帆桁(Boom):伸长状,用来固定支撑主帆底部用。

.帆桁下拉索(Boomvang):把帆桁往下拉紧或支撑的索具,以防帆桁向上举起。

.桅杆(Mast):木质的长圆竿或金属柱,通常从船的龙骨或中板上垂直竖起,可以支撑横桁帆下桁、吊杆或斜桁。

.侧支索(Shrouds):用来固定桅杆侧向的拉索。

.中央板(Centerboard):船体下方可调整吃水深度的板(以轴心为主前后升降式),迎风航向时,用以保持航向稳定。

.方向舵(Rudder):用以控制船行进方向的装置。

原理

动力来源

一般人对于帆船往往认为是被风推着跑的。其实风的动力以两种形式作用于帆,帆船的最大动力来源是所谓的“伯努利效应”。 

我们知道,当空气流动得快的时候,在正面挡住它的物体就会受到空气的冲击,这种冲击产生的压力我们称为动压力。当帆船如图2中左图所示顺风行驶时,就是空气对帆的动压力推动帆船前进的。由“流速增加,压强降低”的伯努利原理知道,当空气向一个方向流动时,它向侧面作用的力就要相对减小。也就是说气体流动速度越大的地方,动压力压强越大,而静压力压强越小。流速愈小的地方,动压力压强愈小而静压力压强愈大。这样气体流速小的地方对流速大的地方就会产生一个侧向的压力,这个力称为静压力。当迎风驶帆时,如图2中右图所示,船正是在风的静压力推动下前进的。

帆所受静压力的产生,主要是帆具有像机翼一样的弧形。我们把帆的横截面和机翼的横截面对照一下,就可以看到它们的共同点。如图3中左图所示,当气流通过帆或机翼时,由于机翼上面和帆的前面的气流要走更长的距离来和机翼下面和帆后面的气流相会合,因而就加快了流速,使帆的前面和后面及机翼的上面和底面的气流产生了不同的流速。流速慢处的压强比流速快处的静压强大,这个压强差使机翼产生了向上的升力,也使帆获得了向前的动力,如图3右图所示。在这里不妨也称它为“升力”。

下面我们来看帆上的静压力是如何推动船前进的。如图4所示,帆所受的静压力FT,并不能全部用来推动船前进,真正用来推动船前进的是FT沿船头方向的分力FR,FR的值要小于使船横向移动的分力FH。尽管横向力较大,但在实际行驶时,很少看到船横向移动。而船向前进的速度却相当大,先进的帆船和帆板,最快的时速,可达30至40 km造成这样的前进速度,除了帆产生推力以外,还有一个重要因素就是船底的流线型,船浸入水中部分的横向截面积远大于纵向截面积,推力FR虽然比横向力FH小,但船在水里前进时所受的阻力要比船横向移动所受的阻力小许多。所以,FR推船前进效果就相当显著。

航向限制效益

帆船既可在动压力的推动下顺风行驶,也可在静压力推动下逆风行驶。但帆船的航向不是完全没有限制,在正逆风左右各约45度角内,是无法产生有效的推进力的,如图5所示的A区。但是太顺风也不是很好的,因为这时伯努利效应消失。船靠风对帆的动压力推动,而动压力的大小决定于风对帆的相对速度,相对速度越大,动压力就越大。然而船在动压力的推动下,前进速度逐渐增加,风与船相对速度就会减小,因而风对帆的动压力减小,船速会再度慢下来,同时会进入不稳定状态,如5图中C区。所以动压力对帆船来讲,并不是持续高效的动力来源。只有如图5中B区才是最好的航行方向,这时船航行方向与风向成一定夹角,船在静压力推动下,能得到持续稳定的推动力,使船获得比较高的航行速度。 若船要逆风行驶,船的航行方向应与风向成一夹角,所以必须采取Z字型的路线。

控制和转向

由于帆的受风力的中心点与船体侧面受水阻力的中心之间有一定的距离,FH这个力使船横移虽不显著,但使船向下风倾斜的作用却相当显著。这就要运动员随时用自己的体重来调节船的重心,以保持船的平衡(常称为“压弦”)。

由于风力的大小随时会变化,横倾力的作用也随之变化。所以压弦是要随时灵活变化的,这是运动员的一种重要的操作技能。

推力FR在推船前进的同时,同样有一种使船前倾的作用,虽要比横向力FH使船致倾的作用小得多,但它同样会使船失速,所以运动员还要随时注意可能出现的纵倾,设法通过压弦来保持船的平衡。

改变航向,帆船主要靠舵。帆板则靠帆的位置和重力的中心的转变。当船在行驶时,水流给舵一个垂直航面的力F,F的一个分力F1能使船产生旋转,另一个分力F2阻挡船前进。由于F2对船起阻力作用,所以转向时舵角一般不要推得太大。当然,要完成转向动作,除了舵以外,还要和帆的位置,船员的移动相配合。

帆板的转向,当运动员把能活动的桅杆倒向下风后方,板首就向迎风转,相反把桅杆倒向上风前方,板首就离风偏转。通过桅杆的倒动,移动帆心,使帆板产生了旋转的力矩,从而促使其转向。

逆风行驶

帆船逆风前进是走之字路的,风向与船的行驶方向有大于零的夹角。将风吹向帆的垂直于帆的分力又分解为两个分力——沿船行驶方向的分力F1和垂直于船行驶方向的分力F2。由于垂直于船的行驶方向水的阻力f2很大(船的形状、斯托克斯原理),F2与f2平衡,使船不会打横。行驶方向水的阻力则很小,F1略大于f1,至少等于f1,则船在这个方向就加速或者匀速前进。当然为了不偏离目标太远,到了一定的时刻,要改变航向,使风从另一个侧面吹来,原理同上。所以要走之字路才能利用逆风,又不偏离方向。帆板运动员照样要利用这个原理来比赛。

帆船航行

帆船维护保养

作为船只的主干,船体需要正确的维护与保养。但保养的方法取决于制作船只的材料。当把船只移上岸时,一定要专心修理哪怕只是很次要的问题。先用一两层防污的喷漆来防止水下的污垢。索具的各部分都要保持良好状态,这样才能保证航海的有效性和安全性。对桅杆、固定索具、活动索具和风帆的彻底检查十分重要,这样可以知道各部分是否有裂痕或是磨损撕破的地方。

帆的维护保养

定时的观察风帆的损坏至关重要,除了因为它们对船只非常重要以外,它们的造价也很昂贵。为了避免更多更严重的伤害,请在每次升降以及整修风帆的时候检查它们。对接缝和角落也要做检查。帆板也许也有撕破,所以应该装备缝纫工具来修补碎片。

船只内部的维护与保养

帆船的内部遭受到不同的条件变化,比如温度的改变,所以定时的观察来防止船舱条件恶化是很必要的。木头是制造船只内部的最主要材料,木质表面需要用清漆来保护它自然完美的样子,对划痕做出及时的处理和润色,以防止湿气进入木头裂缝造成更大的伤害。

阅读量:18 更新时间:2026-10-10

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  3. 历史沿革
  4. 结构
  5. 原理
  6. 帆船航行

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