姜林

2016年，當(dāng)美國(guó)工程師里克·卡瓦拉羅宣稱(chēng)，自己要制造一款比風(fēng)跑得更快的帆船時(shí)，幾乎所有人都不相信他，里克收到了許多嘲笑。反對(duì)者們認(rèn)為，帆船是靠風(fēng)推動(dòng)的，風(fēng)給船多少力，船就能跑多快，因此沒(méi)有其他動(dòng)力來(lái)源的帆船永遠(yuǎn)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(shí)反對(duì)者說(shuō)得不無(wú)道理，其中還蘊(yùn)藏著一些物理知識(shí)，在順風(fēng)行駛過(guò)程中，當(dāng)船速達(dá)到與風(fēng)速相同時(shí)，對(duì)于帆船來(lái)說(shuō)此時(shí)的風(fēng)速為零，兩者相對(duì)靜止，帆船無(wú)法再?gòu)娘L(fēng)中獲得動(dòng)力，也就不可能繼續(xù)加速。換句話(huà)說(shuō)，帆船想要繼續(xù)加速，跑得比風(fēng)更快，就需要再?gòu)娘L(fēng)中搶出一些動(dòng)力來(lái)，該如何達(dá)成這個(gè)目標(biāo)呢？

里克從飛機(jī)身上得到了一些啟發(fā)。我們知道，飛機(jī)是靠機(jī)翼上下的空氣壓力差來(lái)制造升力的，橫截面呈水滴形的機(jī)翼下緣是平整的，而上緣略略隆起。這樣，在飛機(jī)飛行過(guò)程中，空氣在流經(jīng)機(jī)翼上緣時(shí)走過(guò)的路程比下緣更長(zhǎng)，為了確保所用時(shí)間相同，空氣在上表面的流速要比下表面的快，由此機(jī)翼上方的空氣壓力要小于機(jī)翼下方，機(jī)翼下面的大氣壓就把飛機(jī)托了起來(lái)，而飛行速度越快，機(jī)翼上表面的空氣流過(guò)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(jī)翼那樣，不就能從風(fēng)中得到更多動(dòng)力了嗎？

事實(shí)上，法國(guó)航海家阿蘭·提伯爾特確實(shí)利用這一原理制造出了比風(fēng)速更快的帆船——Hydroptere，這個(gè)由兩個(gè)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(lái)。出發(fā)前，Hydroptere的船翼隱藏在浮板之下，當(dāng)船速達(dá)到10海里每小時(shí)時(shí)，船翼會(huì)呈45度角展開(kāi)，并生成一股向上的升力將船體托起，就像飛機(jī)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(gè)世界紀(jì)錄。其穿越英吉利海峽的速度比早期的飛機(jī)還要快，在風(fēng)速只有15節(jié)（1節(jié)＝1海里/小時(shí)）的情況下，其速度卻達(dá)到了35節(jié)。

將風(fēng)帆升級(jí)成螺旋槳

不過(guò)，將“機(jī)翼”裝在帆船上還存在一個(gè)問(wèn)題，飛機(jī)是要向上飛，升力的方向容易確定，而帆船是要向前開(kāi)，“升力”的方向朝向哪里能提供最大的動(dòng)力呢？這個(gè)問(wèn)題很重要，因?yàn)樵诜\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，帆船的實(shí)際動(dòng)力其實(shí)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(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，在一陣輕風(fēng)中快速奔跑，此時(shí)感受到的風(fēng)力大小與站立在風(fēng)中不動(dòng)時(shí)感受到的風(fēng)是不一樣的？這不是你的錯(cuò)覺(jué)，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，你的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了變化，感覺(jué)到的風(fēng)也就隨之產(chǎn)生了變化。你靜止不動(dòng)時(shí)感受到的風(fēng)稱(chēng)為“真風(fēng)”，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下感覺(jué)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的行進(jìn)風(fēng)（假設(shè)風(fēng)速為零，由于物體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的空氣流動(dòng)）的矢量和，因此視風(fēng)與真風(fēng)當(dāng)然是不同的。這個(gè)道理對(duì)帆船同樣適用，對(duì)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(shí)，帆船才能得到加速，如果兩者方向相反，帆船速度會(huì)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(wàn)變的，想制造一個(gè)通用的“機(jī)翼”安裝在帆船上，這太難了。苦思冥想后，里克想到了一個(gè)好主意：將風(fēng)帆換成螺旋槳。這樣一來(lái)，帆船就能將從四面八方吹來(lái)的風(fēng)都用上了。

裝有螺旋槳的車(chē)船

為了保障安全，里克決定先將螺旋槳裝到汽車(chē)上試驗(yàn)一下，當(dāng)然了，這款汽車(chē)是完全風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的。

2010年，在美國(guó)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(jiǎn)易的螺旋槳汽車(chē)。這是一款輕型汽車(chē)，主要由泡沫材料制成，采用三輪驅(qū)動(dòng)，車(chē)身后裝有一個(gè)5米高的螺旋漿，汽車(chē)車(chē)型還模擬F1賽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)藍(lán)圖，以獲得最大的驅(qū)動(dòng)力。汽車(chē)的測(cè)試效果很不錯(cuò)，在順風(fēng)狀態(tài)下其速度成功超越了風(fēng)速。

里克在車(chē)上安裝了測(cè)量風(fēng)力的儀器，用于比較車(chē)速與風(fēng)速：剛開(kāi)始時(shí)，汽車(chē)前進(jìn)的速度、方向和風(fēng)強(qiáng)、風(fēng)向一致；隨著汽車(chē)加速，風(fēng)力逐漸減弱，風(fēng)力為零時(shí)表明車(chē)速已經(jīng)與風(fēng)速相等；之后風(fēng)向轉(zhuǎn)為相反的方向，說(shuō)明車(chē)速超過(guò)了風(fēng)速產(chǎn)生了逆風(fēng)。里克在風(fēng)力車(chē)上懸掛的飄帶更加直觀(guān)，隨著車(chē)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(chē)的最大速度可達(dá)到風(fēng)速的2.86倍，約為每小時(shí)62千米。

螺旋槳風(fēng)力車(chē)的成功證明了里克的想法是正確的，但同時(shí)他也掐滅了將螺旋槳裝到帆船上的想法，因?yàn)槿绻挥寐菪龢那斑M(jìn)方向和速度難以控制，在高速的情況下，船毀人亡的風(fēng)險(xiǎn)太高了。

不過(guò)，與此同時(shí)，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(zhǎng)得和傳統(tǒng)的風(fēng)帆很不一樣，它就是一個(gè)煙囪狀的圓柱體，但在風(fēng)力作用下，它的驅(qū)動(dòng)原理與螺旋槳是相同的。在圓柱體旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周?chē)目諝庖黄疬\(yùn)動(dòng)，和氣流方向一致的一側(cè)速度會(huì)加快，和氣流方向不同的一側(cè)氣流會(huì)減慢。不同流速的氣體會(huì)產(chǎn)生氣壓差，對(duì)圓柱體產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，由于橫向力與物體運(yùn)動(dòng)方向相垂直，因此這個(gè)力主要改變飛行速度方向。橫向力和風(fēng)力推動(dòng)圓筒帆持續(xù)旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的力就用來(lái)推動(dòng)船舶前進(jìn)。

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(guó)Enercon公司為“E-Ship1”加裝了圓筒帆。該船長(zhǎng)130米、寬22.5米、總噸位10550噸。該船甲板上安裝有四個(gè)高27米、直徑4米的圓筒帆，并配備有兩臺(tái)功率為3.5兆瓦的柴油機(jī)。四個(gè)大圓筒都配有驅(qū)動(dòng)設(shè)備，可以變換不同速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以隨時(shí)控制推進(jìn)器和風(fēng)力相配合，該船的最大速度可達(dá)17.5節(jié)，風(fēng)力與柴油配合使用，節(jié)能效率可達(dá)30％?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的船開(kāi)始使用圓筒帆。

大自然蘊(yùn)藏著豐富的潛力，學(xué)會(huì)正確運(yùn)用的方法，人類(lèi)將能收獲更多驚喜。

（劉誼人摘自《大科技》2022年第9期）