技術專刊

技術專刊

風浪板(windsurfing)最早的概念，來自1962年兩位航空學(aeronautic)工程師—吉姆德瑞克(jim drake)與佛瑞德潘恩(fred payne)----之間的一段閒聊。兩人平日就喜歡衝浪、滑雪等運動，由於在玻多馬河(potomac)畔租了間小屋，這兩個精通航空動力學以及空氣動力學的工程師開始構思用(風箏)來驅動的滑水橇(kite-powered water ski)以及用風箏驅動的衝浪板(kite powered surfboard)，以便休假期間可以拿來航行玻多馬河。然而由於當年製造風箏的技術還未像今天這樣成熟，因此構想終究只停留在構想。
除了這兩位航空工程師，六0年代的頭五年，另外兩個人做的事情，為風浪板運動的發展使做了些前置功課。當時年僅12歲的英國小朋友彼得其費斯(peter chilvers)隨家人去海靈島(hayling island)渡假期間突發奇想，拿了一塊木質門板，在門板上的洞裡插一枝桿子，又拿一塊帆布擊在桿子上作為船帆，然後把這艘(帆船不像帆船)的東西推下水，自己踩在那塊門板上遊河。1965年左右，住在美國中西部的紐曼達比(newman darby)仿照彼得其費斯小弟的方法，做了一枝特大號風箏，將中央骨架插到沖浪板中央當成(桅桿mast)，變成一艘單人操作、竹筏不像竹筏、帆船不像帆船的玩具。同時為了讓帆能夠順應風力調整帆面吃風的角度，又自行研發出一種(萬向接頭universal joint)，就是可以往三百六十度任意旋轉彎曲的一種 (關節)，作為聯繫船板與桅桿的接頭。這種(風箏版)由於難以操作、並未受大眾的重視。
1966年，吉姆德瑞克在南加州的一個派對上，向沖浪板好手(hoyle schweitzer)提到他當初與潘恩提到過的(風浪板)概念，引起何耶高度的興趣。兩人隨即一塊跑去當地製造衝浪板的工場撿選適當的船板，做為打造(風浪板)的材料。德瑞克打造一枝(萬向接頭)、捨棄1962年(風箏)構想、與其佛斯小弟想到同樣的(單人帆船)概念、結合本身豐富的空氣動力知識，在當地船帆製造商(bob broussard)的襄助下，於1967年五月打造出史上第一艘[風浪板]。
第一次下水測試的時候，由於實在不知怎樣在水上把帆拉起來，所以還得請同行的巴布站在水裡面把船帆舉起來遞給站在船板上的吉姆---每次[起帆]都要兩個人操作。第二次下水測試，他們添加了一條[起帆繩(uphaul line)]，改良了原本無法單人操作的問題，今日風浪板的幾大要素至此瑧於完備。
德瑞克將風浪板的力學原理寫成一份科學學術報告，在1969年第一屆美國航太研究中心的研討會上發表。後來[風浪板]在荷耶與妻子黛安(diane schweitzer)的行銷策略推廣下，成為風行歐美國家的新興水上運動。
現在每當有人讚譽吉姆 [風浪板之父]、[風浪板發明者]，他都謙虛地推掉，說自己只能算是「風浪板」重複發明者，雖然他在發明出[風浪板]的當時，並沒聽聞過另外兩個人的創見，而且另兩位的發明其實並不算[成功]，然而由於在時間上，另兩人都比他早了幾年，他認為之前的兩位---才是第一及第二發明者，自己只能算第三位[重複發明者]。
回最上面

風帆基本結構

回最上面

帆船前行的原理

人們通常認為帆船只能沿風吹動的方向移動-既順風移動.但三角帆使帆船還能夠迎著風移動(逆風移動).在理解如何逆風移動之前,我們首先需要瞭解一些與船帆有關的知識.

船帆最先著風之帆緣稱作前緣,位於船隻的前部.後步的船翼後緣稱作帆的後緣.從前元到繁的後緣的假想水平線稱作弦.船帆的區曲度稱作吃水.並且從弦到最大吃水點的垂直距離稱作弦深.充滿空氣已成凹面彎曲的船帆的一面稱作迎風面.向外吹以形成凸起形狀的一面稱作背風面.瞭解了這些術語後,我們將繼續介紹帆船運轉.

船隻借助帆的每一面所產生的力量沿著迎風方式移動.迎風面的正向方力量(推力)和背風面的負向力量(拉力)合在一起形成了合力,這兩種力量都作用於同一方向.盡管你可能不認同,但拉利確實是這兩種力量中較強的力量.

在1738年,科學家丹尼爾-柏努力發現,氣流速度與周圍自由氣流成比例增加,縱而導致壓力的降低,而這可令氣流速度更快.這種情況再帆的背風面發生-空氣流動速度加快並在帆的後面形成低壓區域.

為什麼空氣加速?空氣與水一樣,都是流動的.當風匯聚並且被帆分開時,一些風附著在凸起面(背風面)並將帆扯起.為了其上(未附著)的空氣穿過帆,帆必須向不受帆影響的氣流外彎曲.但此類的自由氣流往往保持其直線流動並妨礙航行.自由氣流和彎曲的船帆在ㄧ起形成一個窄道,起初的氣流必須從中經過.因為他不能自行壓縮.所以空氣必須加速以從該窄道擠過.這就是氣流速度在帆的凸起面增加的原因.

ㄧ但發生這一種狀況,伯努力的理論就得以生效.窄道中增加的氣流要快於周圍的空氣.並且在氣流速度加快的區域壓力將下降.這就產生鏈式反應.隨著新的氣流接近最先著風之帆緣並分開,他更多的流向背風面-氣流被吸引到低壓區域並被高壓區域所排斥.現在即使更大塊的空氣也必須更快地擠進凸起帆面和自由氣流行成的窄道,這令空氣壓力更低.這一情況不斷發展直至達到現有風力條件地最大速度.並且在背風面形成最大低壓區域.請注意,只有在氣流達到曲面(弦深)的最深點後氣流才會增加.在這一點之前,空氣不斷匯聚和加速超岀這一點後,空氣氛開並減速,直到再次與周圍空氣速度相當.

在期間,在帆的迎風發生相反的情況.隨著更多的空氣流過背風面,迎風面上流過帆的凸起面和自由氣流之間的擴展空間的空氣將減少.因為這些氣流四散流動,所其流速下降到比周圍空氣還低的速度,這導致壓力增加.

在了解了這些潛在的力量之後,我們如何在實際中借助這些力量來使船移動呢?我們需要在風帆和風之間建立理想的關係,使風不但加速流動,而且可以沿著帆的凸起面流動.船帆和風之間的這一關係的一部分稱作迎角.描繪與風平直的船帆.空氣均勻分開到每一面上-船帆下垂而不是充滿成彎曲形狀,空氣沒有加速以背風面形成低壓區域,並且船沒有移動.但如果船帆嶼風向剛好成正確角度,則船帆會依下子充滿風並產生空氣動力.

迎角地角度必須十分精確.如果該角度保持與風太近,則船帆地前不將(搶風)或擅動.如果其角度太寬,則沿著帆的曲面流動的氣流將分開並且周圍的空氣重新聚合.這一分離產生了旋轉空氣的(停轉區域),導致風速下降,壓力增加.因為船帆的曲率將始終導致帆的尾端與風向所成角度大于與最先著風之帆緣所成角度,所以凡蒂後緣的空氣不能沿著曲面流動並緩回周圍自由空氣的方向.理想上講,在氣流到達帆的後緣前不應開始分離.但隨船帆的迎角加寬,分離點逐漸前移並將其後的一切保留在停轉區域.

你可能看到,除了迎角保持正確角度以使空氣能夠順利通過外,關於風與帆關係的另一重要因素就是船帆必須有正確的曲率,以保證空氣始終附著在船尾.如果曲線太小,則氣流將不彎曲,並且將誤會產生導致速度增加的壓擠效果.如果區率太大,則氣流不能被附著.因此,只有在曲率不太大並且迎角不太寬的情況下才能發生分離.

這樣,我們現在就知道風帆壓力是如何在理論上和實際中形成的.但這些壓力是如何令船隻前的呢?讓我們更深入地了解其中第奧妙.

在海平面上,每平方米的氣壓是10頓.當船帆的背風面上的氣流增強時,你從上文可以知道氣壓將下降.假定每平方米將下降20千克.同樣,迎風面上的氣壓將增加-

假訂每平方米增加10千克(請記住,下拉壓力強於推送壓力).並且即使背風壓力是負向並且迎風壓力是正向的,她們都作用於同一方向.因此現在我們每平方米約有共30千克的壓力.將其乘以10平方米風帆大小,我們在該風帆上已產生了共300千克的合力.

船帆上的每一點都作用了不同的壓力.壓力最強處位於弦深處,即船帆趨面最深處.這也是氣流最快和壓力下降最大的地方.隨著氣流向後移動並分離,力量也隨之減弱.這些力量的方向也會更改.在船帆的每一點上,該力量與帆面保持垂直.船帆前部的力量最強處也在最前方向上.在船帆的中部,力量更改為側方向,或傾斜方向.在船帆的後部,隨著風速的下降力量也逐漸減弱,並導致向後方向或往後拉的方向.

船帆各處上的壓力都可以計算出來,以便確定其每一面上前部,後部和牽引部位第相對力量.因為向前的力量還是最強的,所以施加在船帆上的合力還稍偏向前的,但主要是側方向.增加船帆作用已獲得更多向前的驅動力還導致側向力的更大的增加.因此,當風施加在側面地利量達到最大時,船只是如何前行的呢?這涉及船帆與風的迎角,還涉及船隻與水的阻力問題. 水

合力的方向與帆弦近乎垂直.當帆弦與船隻的中線平行時,主要力量幾乎完全施加在側面.但是,如果船帆成一點角度,以便船帆產生的力量稍微向前,則船隻本身會立既前行.為什麼會這樣?船的中線(既龍骨)作用于水的方式類似于船帆作用于風的方式.龍骨產生的力量與船帆傾斜力相反的力量-它使船完全保持船帆形成的力量的方向.並且盡管風帆合力始終作用于迎風的那面,但正確的迎角將使船隻前行.