姜林

2016年，当美国工程师里克·卡瓦拉罗宣称，自己要制造一款比风跑得更快的帆船时，几乎所有人都不相信他，里克收到了许多嘲笑。反对者们认为，帆船是靠风推动的，风给船多少力，船就能跑多快，因此没有其他动力来源的帆船永远不可能跑得比风快。里克真的是在吹牛吗？

另辟蹊径造帆船

其实反对者说得不无道理，其中还蕴藏着一些物理知识，在顺风行驶过程中，当船速达到与风速相同时，对于帆船来说此时的风速为零，两者相对静止，帆船无法再从风中获得动力，也就不可能继续加速。换句话说，帆船想要继续加速，跑得比风更快，就需要再从风中抢出一些动力来，该如何达成这个目标呢？

里克从飞机身上得到了一些启发。我们知道，飞机是靠机翼上下的空气压力差来制造升力的，横截面呈水滴形的机翼下缘是平整的，而上缘略略隆起。这样，在飞机飞行过程中，空气在流经机翼上缘时走过的路程比下缘更长，为了确保所用时间相同，空气在上表面的流速要比下表面的快，由此机翼上方的空气压力要小于机翼下方，机翼下面的大气压就把飞机托了起来，而飞行速度越快，机翼上表面的空气流过速度也就越快，升力也就越大。里克想，如果帆船的风帆能像机翼那样，不就能从风中得到更多动力了吗？

事实上，法国航海家阿兰·提伯尔特确实利用这一原理制造出了比风速更快的帆船——Hydroptere，这个由两个希腊词根hydros与ptere构成的名字可被译为“水中的翅膀”，意指它能在水中“飞”起来。出发前，Hydroptere的船翼隐藏在浮板之下，当船速达到10海里每小时时，船翼会呈45度角展开，并生成一股向上的升力将船体托起，就像飞机的翅膀一样，使船身悬浮在距海面5米处，速度越快，升力就越大。2005年，Hydroptere打破了第一个世界纪录。其穿越英吉利海峡的速度比早期的飞机还要快，在风速只有15节（1节＝1海里/小时）的情况下，其速度却达到了35节。

将风帆升级成螺旋桨

不过，将“机翼”装在帆船上还存在一个问题，飞机是要向上飞，升力的方向容易确定，而帆船是要向前开，“升力”的方向朝向哪里能提供最大的动力呢？这个问题很重要，因为在帆船运动过程中，帆船的实际动力其实是风力和“升力”的矢量和（矢量是带有方向的量，矢量和指矢量的方向与大小的和）。

你是否有过这样的经验，在一阵轻风中快速奔跑，此时感受到的风力大小与站立在风中不动时感受到的风是不一样的？这不是你的错觉，运动是相对的，你的运动速度发生了变化，感觉到的风也就随之产生了变化。你静止不动时感受到的风称为“真风”，运动状态下感觉到的风叫作“视风”，视风的大小与方向是真风和你的运动产生的行进风（假设风速为零，由于物体运动而产生的空气流动）的矢量和，因此视风与真风当然是不同的。这个道理对帆船同样适用，对帆船而言，视风就相当于“升力”。因此，只有当“升力”与真风方向相同时，帆船才能得到加速，如果两者方向相反，帆船速度会不升反降，甚至可能发生倾覆。

但是，在海上，风向是瞬息万变的，想制造一个通用的“机翼”安装在帆船上，这太难了。苦思冥想后，里克想到了一个好主意：将风帆换成螺旋桨。这样一来，帆船就能将从四面八方吹来的风都用上了。

装有螺旋桨的车船

为了保障安全，里克决定先将螺旋桨装到汽车上试验一下，当然了，这款汽车是完全风力驱动的。

2010年，在美国谷歌公司和乔比能源公司的赞助下，里克成功建造出一款简易的螺旋桨汽车。这是一款轻型汽车，主要由泡沫材料制成，采用三轮驱动，车身后装有一个5米高的螺旋浆，汽车车型还模拟F1赛车的空气动力学设计蓝图，以获得最大的驱动力。汽车的测试效果很不错，在顺风状态下其速度成功超越了风速。

里克在车上安装了测量风力的仪器，用于比较车速与风速：刚开始时，汽车前进的速度、方向和风强、风向一致；随着汽车加速，风力逐渐减弱，风力为零时表明车速已经与风速相等；之后风向转为相反的方向，说明车速超过了风速产生了逆风。里克在风力车上悬挂的飘带更加直观，随着车速的增加，飘带竟然飘向了与风向相反的方向！螺旋桨风力车的最大速度可达到风速的2.86倍，约为每小时62千米。

螺旋桨风力车的成功证明了里克的想法是正确的，但同时他也掐灭了将螺旋桨装到帆船上的想法，因为如果只用螺旋桨，帆船的前进方向和速度难以控制，在高速的情况下，船毁人亡的风险太高了。

不过，与此同时，另一种异曲同工的“帆船”出现了，那就是圆筒帆船。圆筒帆长得和传统的风帆很不一样，它就是一个烟囱状的圆柱体，但在风力作用下，它的驱动原理与螺旋桨是相同的。在圆柱体旋转时，会带动周围的空气一起运动，和气流方向一致的一侧速度会加快，和气流方向不同的一侧气流会减慢。不同流速的气体会产生气压差，对圆柱体产生一个横向的作用力，由于横向力与物体运动方向相垂直，因此这个力主要改变飞行速度方向。横向力和风力推动圆筒帆持续旋转，由此产生的力就用来推动船舶前进。

圆筒帆的最大作用不仅在于加速，还可以调节速度、转变方向，比螺旋桨风帆要安全得多，因此很快投入了商用。2010年，德国Enercon公司为“E-Ship1”加装了圆筒帆。该船长130米、宽22.5米、总吨位10550吨。该船甲板上安装有四个高27米、直径4米的圓筒帆，并配备有两台功率为3.5兆瓦的柴油机。四个大圆筒都配有驱动设备，可以变换不同速度进行旋转，可以随时控制推进器和风力相配合，该船的最大速度可达17.5节，风力与柴油配合使用，节能效率可达30％。现在，越来越多的船开始使用圆筒帆。

大自然蕴藏着丰富的潜力，学会正确运用的方法，人类将能收获更多惊喜。

（刘谊人摘自《大科技》2022年第9期）