船帆的作用(伯努利效应)

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伯努利效应伯努利效应 1726 年，伯努利通过无数次实验，发现了“边界层表面效应”：流体速度加快 时,物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学 家的贡献，这一发现被称为“伯努利效应”。伯努利效应适用于包括气体在内的 一切流体,是流体作稳定流动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关 系，流速与压强的关系：流体的流速越大，压强越小；流体的流速越小，压强越 查看精彩图册目录 简介 相关举例 帆船前行的原理 气球与飞机及其区别 船吸现象 "香蕉球"的奥秘 发现者简介 伯努力方程 人喝水原理 展开 简介 相关举例 帆船前行的原理 气球与飞机及其区别 船吸现象 "香蕉球"的奥秘 发现者简介 伯努力方程 人喝水原理 展开 伯努利效应 Bernoulli effect 编辑本段简介 比如，管道内有一稳定流动的流体，在管道不同截面处的竖 伯努利效应 直开口细管内的液柱的高度不同，表明在稳定流动中，流速大的地方压 强小，流速小的地方压强大。这一现象称为“伯努利效应”。伯努利方程： p+1/2ρ v^2=常量。 在列车站台上都划有安全线。这是由于列车高速驶来时，靠近列车车厢 的空气将被带动而运动起来，压强就减小，站台上的旅客若离列车过近， 旅客身体前后出现明显压强差，将使旅客被吸向列车而受伤害。

伯努利效应的应用举例：飞机机翼、 喷雾器、汽油发动机的汽化器、 球类比赛中的旋转球。 编辑本段相关举例 乒乓球的上旋 邓亚萍和她的队友乔红在第 43 届世乒赛上的一场争夺战，真可谓是速 度和力量的化身。她们凶猛地抽杀推挡，把个小球变成了一道道银色的电 弧，直看得人们眼花缭乱，叹为观止。人们可曾知道，在她们不断加大攻 球的速度和力量时，那一个个击出去的球都带着上旋？ 乒乓球运动中的攻球，以快速和凶狠给对方造成很大的威胁．但是攻球 往往会遇到这样的尴尬：挥拍过猛，球会不着台面飞出界外；如果因此而 不适当地压低弧线高度，球又会触网失分．不解决这个准确落点的问题， 所谓攻球的威胁也就成了水中月、镜中花了．那么有没有一种攻 伯努利效应 球，可以携裹着强劲的力量和速度杀向对方，又能缩短打出的距离、增 加乒乓球飞行弧线的高度？有，这就是带上旋的攻球． 乒乓球的上旋，会使球体表面的空气形成一个环流，环流的方向与球的 上旋方向一致。这时，球体还在向前飞行，所以它同时又受到了空气的阻 力。环流在球体上部的方向与空气阻力相反，在球体下部的方向与空气阻 力一致，所以，球体上部空气的流速慢，而下部空气的流速快．流速慢的 压强大，流速快的压强小，这样就使球体得到了一个向下的力，这个力又 让球得到了一个加速度。

我们把球体向前上方的运动看作是这样两个运动 的合成：一个是沿水平方向的匀速直线运动，另一个是竖直上抛运动，以 此可得出相应的计算式．然后把具体数值代入计算式中，并把计算结果在 座标中画出来，就会联结出一个具有一定弯曲度的弧线，这就是上旋，能 增大乒乓球飞行弧线的弯曲程度，也就是被运动员用来增加保险系数的弧 上旋的利用，使得许多运动员如虎添翼．马文革在1994 年世界明星巡 回赛上速度加旋转，以 2：0 轻取 1993 年世界杯男单冠军普里莫拉茨，第 局的比分是21：6．在与法国盖亭争夺冠军的决赛中，又以 3：1 取胜．上 旋的特性在弧圈球中表现得最为出色，因为弧圈球的上旋力非常强。法国 埃卢瓦凌厉的两面弧圈技术，使他得以在乒坛上称霸一方。 编辑本段帆船前行的原理 人们通常认为帆船只能沿风吹动的方向移动，即顺风移动。 但三角帆 使帆船还能够迎着风移动（逆风移动）。 在理解如何逆风移动之前，我们 首先需要了解一些与船帆有关的知识。 船帆的最先着风之帆缘称作前缘，它位于船只的前部． 后部的船翼后 缘称作帆的后缘． 从前缘到帆的后缘的假想水平线称作弦． 船帆的曲度 称作吃水，并且从弦到最大吃水点的垂直距离称作弦深． 充满空气以形成 凹面弯曲的船帆的一面称作迎风面．向外吹以形成凸起形状的一面称作背 了解了这些术语后，我们将继续介绍帆船运动．船只借助帆的每一面所产生的力量沿着迎风方向移动． 风面的正向力量（推力）和背风面的负向力量（拉力）合在一起形成了合力，这两种力量都作用于同一方向． 尽管您可能不认同，但拉力确实是 这两种力量中较强的力量． 1738年，科学家丹尼尔伯努利发现，气流速度与周围自由气流成 比例增加，从而导致压力的降低，而这可令气流速度更快． 这种情况在帆 的背风面发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区域． 为什么空气会加速？空气与水一样，都是流动的． 当风汇聚并且风被 帆分开时，一些风附着在凸起面（背风面）并将帆扯起． 为了其上“未附 着”的空气穿过帆，帆必须向不受帆影响的气流外弯曲． 但此类的自由气 流往往保持其直线流动并妨碍航行． 自由气流和弯曲的船帆合在一起形成 了一个窄道，起初的气流必须从中经过． 因为它不能自行压缩，所以空气 必须加速以从该窄道挤过． 这就是气流速度在帆的凸起面增加的原因． 一旦发生这一情况，伯努力的理论就得以生效． 窄道中增加的气流要 快于周围的空气，并且在气流速度加快的区域压力将下降．这就产生了链 式反应．随着新的气流接近最先着风之帆缘并分开，它更多地流向背风面 ——气流被吸引到低压区域并被高压区域所排斥． 现在即使更大块的空气 也必须更快地挤进凸起帆面和自由气流形成的窄道，这令空气压力更 这一情况不断发展直至达到现有风力条件的最大速度，并且在背风面形成最大低压区域． 请注意，只有在气流达到曲面（弦深）的最深点后气 流才增加． 在达到这一点之前，空气不断汇聚和加速． 超出这一点后， 空气分开并减速，直到再次与周围空气速度相当． 在其间，在帆的迎风面发生相反的情况． 随着更多的空气流过背风面， 迎风面上流过帆的凸起面和自由气流之间的扩展空间的空气将减少．由于 这些气流四散流动，所以其流速下降到比周围空气还低的速度，这导致压 力增加． 在了解了这些潜在的力量之后，我们如何在实际中借助这些力量来使船 只移动呢？ 我们需要在风帆和风之间建立理想的关系，使风不但加速流 动，而且可以沿着帆的凸起面流动． 船帆和风之间的这一关系的一部分称 作迎角． 描绘与风平直的船帆． 空气均匀分开到每一面上 船帆下垂而不是充满成弯曲形状，空气没有加速以在背风面形成低压区域，并且船 只没有移动． 但如果船帆与风向刚好成正确角度，则船帆会一下子充满风 并产生空气动力． 迎角的角度必须十分精确． 如果该角度保持与风太近，则船帆的前部 将“抢风”或摆动． 如果其角度太宽，则沿着帆的曲面流动的气流将分开 并且周围的空气重新聚合． 这一分离产生了旋转空气的“停转区域”，导 致风速下降、压力增加． 因为船帆的曲率将始终导致帆的尾端与风向所成 的角度大于与最先着风之帆缘所成角度，所以帆的后缘的空气不能沿着曲 面流动并返回周围自由空气的方向． 理想上讲，在气流到达帆的后缘前不 应开始分离． 但随着船帆的迎角加宽，分离点逐渐前移并将其后的一切保 留在停转区域． 除了迎角保持正确角度以使空气能够顺利通过外，关于风与帆关系的另 一重要因素就是船帆必须具有正确的曲率，以保证空气始终附着在船 如果曲线太小，则气流将不弯曲，并且将不会产生导致速度增加的压挤效果． 如果曲线太大，则气流不能被附着． 因此，只有在曲率不太大 并且迎角不太宽的情况下才能发生分离． 这样，我们现在就知道风帆压力是如何在理论上和实际中形成的． 这些压力是如何令船只前行的呢？让我们更深入地了解其中的奥妙． 在海平面上，每平方米的气压是 10 当船帆的背风面上的气流增强时，您从上文可以知道气压将下降． 假定每平方米将下降 20 千克． 假定每平方米增加10 千克（请记住，下 拉压力强于推送压力）． 并且即使背风压力是负向并且迎风压力是正向的， 它们都作用于同一方向． 因此现在我们每平方米约有共 30 千克的压 将其乘以10 平方米风帆大小，我们在该风帆上已产生了共 300 克的合力．船帆上的每一点都作用了不同的压力． 压力最强处位于弦深处，即船 帆曲面最深处． 这也是气流最快和压力下降最大的地方． 随着气流向后 移动并分离，力量也随之减弱．这些力量的方向也会更改．在船帆的每一 点上，该力量与帆面保持垂直． 船帆前部的力量最强处也在最前方向 在船帆的中部，力量更改为侧方向，或倾斜方向．在船帆的后部，随着风速的下降力量也逐渐减弱，并导致向后方向或往后拉的方向． 船帆各处上的压力都可以计算出来，以便确定其每一面上前部、后部和 牵引部位的相对力量． 因为向前的力量还是最强的，所以施加在船帆上的 合力还稍偏向前的，但主要是侧方向． 增加船帆作用以获得更多向前的驱 动力还导致侧向力的更大的增加． 因此，当风施加在侧面的力量达到最大 时，船只是如何前行的呢？ 这涉及船帆与风的迎角，还涉及船只与水的阻 力问题． 合力的方向与帆弦近乎垂直． 当帆弦与船只的中线平行时，主要力量 几乎完全施加在侧面． 但是，如果船帆成一点儿角度，以便船帆产生的力 量稍微向前，则船只本身会立即前行． 这是为什么呢？ 船的中线（即龙 骨）作用于水的方式类似于船帆作用于风的方式． 龙骨产生的力量与船帆 倾斜力相反的力量 它使船完全保持船帆形成的力量的方向．并且尽管 风帆合力始终作用于迎风的那面，但正确的迎角将使船只前行． 船帆的角度距离船体中线越远，着力点施加于正面相对于施加于侧面的 数量越多．将正向力量的稍微调整与水相对于空气的反向力量结合起来， 我们将令船只迎风前行，因为现在水流的阻力最小． 编辑本段气球与飞机及其区别 气球有热气球和充有氢气（或氦气）的气球，它们都是利用气球平均密 度小于大气密度在大气中上浮。

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