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关于桨棹橹的注记 精选

已有 10353 次阅读 2014-9-13 08:37 |个人分类:力学科普|系统分类:科普集锦|关键词:船,桨,棹,橹,力学原理| 力学原理

船可借助河岸、河底、河水乃至空气而运动,适用条件和使用物件各不相同;基于流体粘性定性说明桨棹橹的拨水性能,给出“一橹抵三棹”等熟语的力学解释。照片来自网络,特此致谢 

关于桨棹橹的注记

尤 明 庆

0  引言

船舶种类繁多,用途各异;而行船方式也随之而变。山区河流,上水行船多得拉纤,长江三峡昔日修有专门栈道[1];平原河流,若顶风难行,也只能拉纤向前。拉纤真是艰难乃至危险,还得河岸无树、有路可行,且有人在船把舵方能直行[2],实属不得已而为之。

竹篙撑船,可得近岸河浅才行,且颇为费力,冬日尤其辛苦。若是船小篙短,则出力倾斜而效率较低,三篙不抵一棹。不过,撑船虽说速度较慢,但刚性出力,能行大船于风中;装满砖头、船帮平水的十吨船,两人在船头下篙,快撑几把,就用肩胛顶住篙尾,弓着身子,迈着大步,缓慢地向后走,到后艄双手抓住篙尾用力一送,就一手斜提着走向船头,任水流将篙子飘起——水的向上浮力和向后阻力想来能恰好协调。水运远比陆运省力经济。

风帆行船,得风力、风向合适才行,且用物较多——帆、桅、索等,技巧也较高。大船输运货物于江湖,多是御风而行;农家用船内河航行,风帆多有不便:遇桥得降帆落桅,而稍有疏忽则桥损船沉。此外,河道蜿蜒多变而风正难求;旁风虽可行船,但风着力偏高,船体倾侧而稳定较差。

船浮于水,当然可着力于水而向前。人力行船所用物件是桨棹橹,对其性能稍作解说。

1  水的黏性及对固体的绕流

固体能够抵抗变形;液体和气体,即流体如水和空气,不能抵抗剪切变形。若对流体局部作力,该处流体就会相对于他处运动;力存在,运动就会持续。流体具有黏性,因而

1流体与固体接触处速度总是相同而没有分离和滑移:管道内水流速度在中间最高,在管壁处为零,而贴船的水体速度就是船速,河岸及河底水速为零;

2流体若在垂直于运动方向有速度变化,则相互之间就会有粘性摩擦:单位面积的剪切力与速度梯度——速度在其垂直方向单位距离的变化量成正比,比例系数即黏性系数μ温度升高而降低,20℃时1.00*10-3 Ns/m2

水的黏性摩擦很低。不过,这并不意味着0.001 N力就能使浮在1 m 深湖面上的1 m2木片以1 m/s运动。拖拉木片使其下方水体因黏性而运动,需要提供额外的能量;水速向下迅速减小到零,木片处速度变化增大,即增大了速度梯度和黏性阻力,但减少运动水体总量。

人在农用平底船上,船以速度V0右行等价于船体固定、水流以速度V0左向绕流(图1);因粘性摩擦,船外壁水体速度为零,向外逐渐增加至V0;粘性影响范围即附面层逐渐变宽。船后尾流区(死水区)边界速度为零,而内部可形成低速环流。观察桥桩附近水面即可看出,迎流侧压力高,而桩后压力偏低,且可以存在漩涡环流。又,船厚度较小,且后部向上收缩以减小尾流区。

 1 船体绕流的水面速度示意图及桨(J)(Z)(L)的拨水位置,水下尾流区缩小

尾流区的低压是船体运动的主要阻力。若从岸上固定地点观察,则船带动两侧及后方水体向前运动,近船处速度较高而附面层外水体静止。如果河窄水浅,河岸或河底进入船体影响范围,那么就会对水流产生阻碍,附面层内速度梯度增大,船体受到的阻力增大。这就是常说的“河小行不得快船”以及“水小船被束住了”。

流体具有粘性,因而固体在流体中运动,或固体静止而流体绕过,则存在作用力;其数值与迎流面积及相对速度平方成正比,比例系数与物体形状、速度方向之间的关系复杂。该作用力是桨棹橹使船向前的机理。又,舵若完全处于尾流区,则不能阻碍水流而产生侧向力以调整船向;且因作用力与相对速度平方成正比,有船快舵灵之说。又,水面波浪影响不能细说。

2  桨和棹

桨是有柄的木板;人以两手执柄,重复进行划水和回桨两个动作。以板底而言,前者轨迹是竖直面内的弧线,而后者是紧贴水面的弧线。划水时下方即外侧手臂向后用力,上方手臂得向前用力,划桨出力也就不会很大。

靠近船体的水流速度较小,易于插入桨板,向后划水速度也就较高;为避免后推水体对船体产生粘性摩擦而形成阻力,划桨都是在船艄处,且可以桨代舵控制方向(图1)。划桨所需空间较小,人坐着也较为便利,常为小船采用,如《释正岩·点绛唇》“来往烟波,此生自号西湖长。轻风小桨,荡出芦花港。得意高歌,夜静声偏朗;无人赏。自家拍掌,唱彻千山响”的情景,只能用浆。

桨柄以绳索于船侧立柱,则称为棹。棹端在水中浮力大致与重力平衡,而出水回程则需用力下压棹柄。棹端的运动轨迹大致是竖直面的椭圆,水面上下各占其半。因有了支点,单手即可划棹,且多是双棹交叉而双臂向前平衡用力,使船直行。

船头附面层较窄,棹板难以划拨外侧快速向后的水体,有效出力较小;当然,棹总是布置在后艄,但因棹板距船稍远,所拨水体仍具有较大流速(以图1所示船上视角);划棹速度通常较高,人体只得直立而全身运动,也就失去悠闲之态。顺便说一句,“靠船下篙”就是为了减少与水流之间的相对速度,避免受水体绕流而受力漂起。

桨棹都在船体侧面,向后划水,得提出水面而回程;桨棹在竖直方向运动属于无效动作,这实在是缺点。而船身高大之后,柄长棹重,操作也就困难,且功效降低。

3  

橹布置在船体后方,大约是模仿鱼摆尾向前而模仿制作:上端是弯曲的橹把,用橹绳与船相连;下端橹叶截面为三角形,宽度增加而高度较小;中间有橹眼(脐),搁在球形的支钮上(图2)。依靠支钮和橹绳,橹能够自平衡,手臂可得短时松弛。人往复推拉橹柄使橹叶划拨水体,即可获得船体向前的动力。文献[3, 4, 5]已有专业解读,此处再略作说明。

单支橹置于船尾右侧,人右手抚柄、左手拉绳。由于橹把转平,拉绳可以提供力矩,使橹旋转,改变橹叶与水面的夹角。侧边拉绳可提供更大的作用力,且方向便于调整而实现力和力矩平衡。

若手臂已向前至极限位置,橹叶在船尾左侧,此后向内回拉橹绳,引起橹柄逆时针旋转而使橹叶朝向右后方;用力回拉橹柄,橹叶向外推水,船体获得向左前方推力。橹到达中线(图2)后向内运动,但橹叶法向仍是向后,只要橹叶速度较快而推水,仍会产生向前推力。不过,实际摇过中线后会使橹叶转平,依据惯性拉至极限位置;而后再向前推橹绳,引起橹柄顺时针旋转而使橹叶朝向左后方,手臂向外推出橹柄。与推磨类似,真实摇橹也是周期性间歇出力以提高效率。作用力的周期变化引起橹脐、支钮摩擦力的变化,产生“欸乃”音调节奏


2 橹的结构及3个姿态参数

摇橹之理可以手在澡盆中一试而明。向前平伸右臂,中指、食指夹住铅笔使其与水平掌面垂直;掌臂向内旋转θ =30°,再向下转动β=45°即与图2橹叶相当,而铅笔指向船体的右-上-后。此时手臂向内旋转即增加α推水,水对手掌作用力仍存在指向人体的分量,只是出力效率低于此前的向外推水。实际摇橹αθ±30°之内,而β45°左右;以所述数字计算,橹叶法线与x轴夹角在39°~74°之间变化,因而橹叶不必出水而能持续产生推力。

尾流区水体与船行速度相当(图1),橹叶转动速度可全部用于拨水;而棹板在附面层内划水,因水体向后流动,拨水速度较低。若船行和棹板速度都是1 m/s,拨水大约只有0.5 m/s,而作用力与速度平方成正比,效率只有1/4。或许“一橹抵三棹”的力学解读就是:棹划三次不敌橹摇一回。

极限位置发力推橹时,橹叶受力会使其向下运动,因而橹把抬升,但幅度受橹绳限制;过中线之后,橹叶转平且速度降低,水流绕过三角形断面会形成升力,橹叶抬升而橹把下降。橹叶顺应水流的动作使其便利地向前运动;橹柄所走弧线与人体“摇橹”姿态协调。

摇橹回拉出力时,手臂处于伸展状态;而外推出力时,可以将身体与手臂一齐向外。就身体动作而言,摇橹比划桨、划棹都要舒展。不过,橹对船尾作用周期性变化的横向力,引起船体左右摆动;而人体重力在两脚轮换变化,引起船体摇晃而高低起伏,船小则尤为显著。

4  结语

船行水中,可走河岸而拉纤,可抵河底而撑篙,可借风力而使帆,可以桨棹橹推水而前;这些方法适用于不同船只和环境,并无优劣之分。内燃机驱动的螺旋桨,固然省力迅疾,但价格颇高且耗费能源,又因噪音和振动扰人,似不能完全替代人力而驱动水乡农用船只。 

[1]  单之蔷.  游三峡易被忽略的景观. http://blog.sina.com.cn/s/blog_48bb0d010102eb3i.html(郑云峰摄影)

[2]    靖.从《纤夫的爱》谈纤力牵引航船稳定航行的条件.力学与实践,200222(4)77-78.

[3]  武际可. 谈摇橹. http://blog.sciencenet.cn/blog-39472-799896.html

     [4] 欸乃一声山水绿_摇橹的力学_周靖.pdf力学与实践,200426(6)87-92.

    [5] 直橹效率与实践_陈耀纲.pdf力学与实践,198810(6)28-31

 

 

 



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