逆风行舟——力分解复杂实例

明初1405年7月11日，郑和奉命七下西洋。郑和下西洋时，他的63艘船非常大。最大的船，鲍船长，宽151.18米，宽61.6米，有9个桅杆和12个帆。这么大的船没有机械动力，由自然风驱动。如果有逆风，船如何行驶？船上的那些人在划船吗？像那排那么大的船怎么可能？事实证明，还有复杂的机械原理。让我们来看看逆风航行的原理。

根据风向与船舶原航向(即无风时的船舶方向)的关系，通常有顺风:即风向与船舶原航向相同；侧风:即风向与船舶的原航向有一定的夹角，可以是锐角或钝角；逆风:也就是说，风向与船最初的航向相反，逆风也叫逆风。显然，逆风航行是最困难的。

逆风航行时，如果船的实际航向仍然沿着原来的航向，作用在帆上的风力总是船前进的阻力，而与帆面的方向无关。因此，如果船舶逆风航行，船舶的实际航向不能遵循原来的航向，但船舶的实际航向应该偏离原来的航向一定的角度，并且帆面和实际航向也应该形成一定的角度。

作用在帆面上的风力可以分解成平行于帆面的力F1和垂直于帆面的力F2。根据帆面的下沉效果，F1较小，F2较大。垂直于帆面的力F2可以分解成沿着船的实际航线的力F3和垂直于船的实际航线的力F4。调整方向舵，使水对船舶的横向阻力与垂直于船舶实际航向的F4和F1分力平衡；而F3大于或至少等于沿着船的实际路线的F1分力和该方向的水阻力之和，使得船在该方向上以恒定速度加速或向前移动，这是船的航行动力，如图1所示。

由于只能沿着船的原始航线(即逆风方向)到达目的地，所以船不能总是沿着图1所示的实际航线移动，否则它将偏离目标太远，因此必须在某个时刻改变船的实际航线以使风从另一侧吹来。原理和上面一样。这样，船实际上走了之字形路线，以便完全逆风航行并获得驱动力，而不偏离原始路线，如图2所示。

为了逆风航行时最有效地利用风，有必要选择合适的航向和航行方向。所谓最有效地利用风力，不仅是为了追求作用在船上的最大分量F3，也是为了考虑到实际航向与原航向之间的夹角应尽可能小，以便在最短的时间内到达目的地。

今天的帆板运动员利用上述原理在比赛中不断改变风帆表面。最有效地利用风逆风航行实际上是一个非常复杂的机械问题，对运动员的技术要求也非常高，如图3所示。