Tại sao thuyền buồm có thể chạy ngược gió?

Tại sao thuyền buồm có thể chạy ngược gió?

Với người không có kinh nghiệm đi biển hoặc không học vật lý thì việc thuyền buồm có thể bơi ngược gió thật khó tưởng tượng. Thực ra, thuyền không thể đi ngược hướng gió hoàn toàn, nhưng chệch một góc nhỏ thì có thể.

Muốn hiểu vấn đề, chúng ta hãy tìm hiểu lực gió tác dụng lên buồm như thế nào? Nhiều người nghĩ rằng, cánh buồm được đẩy theo chiều gió thổi, nhưng thực tế không phải vậy: Dù gió có thổi theo hướng nào thì nó cũng chỉ đẩy buồm theo phương thẳng góc với mặt phẳng của buồm mà thôi!

Trong hình 1, đường thẳng AB biểu diễn cánh buồm. R là lực đẩy của gió tác dụng vào cánh buồm. Ta phân tích lực R thành hai phần, gồm lực Q vuông góc với cánh buồm và lực P hướng dọc theo nó. Vì sự ma sát của gió với cánh buồm là không đáng kể, nên lực P chỉ trượt qua chứ không tác dụng gì tới buồm. Chỉ có lực Q đẩy cánh buồm theo hướng vuông góc với mặt buồm.

Nếu hiểu được vấn đề trên, bạn cũng có thể hiểu tại sao thuyền có buồm có thể đi ngược một góc nhọn với chiều gió.

Giả sử đoạn thẳng KK biểu diễn chiều dài của thuyền. Đường thẳng AB biểu diễn cánh buồm. Người ta hướng cánh buồm sao cho mặt phẳng của nó chia đôi góc giữa phương của lòng thuyền và phương của gió. Bây giờ bạn hãy theo dõi biểu đồ phân tích lực ở hình 2, trong đó Q là áp lực của gió tác dụng lên cánh buồm.

Như đã phân tích ở hình 1, lực Q phải vuông góc với cánh buồm. Lực Q lại có thể được chia thành hai lực: lực S dọc theo mũi thuyền và lực R vuông góc với chiều dài thuyền. Vì chuyển động của thuyền theo hướng R bị nước cản lại rất mạnh (thuyền buồm thường có lòng rất sâu), nên lực R hoàn toàn bị lực cản của nước cân bằng. Do đó, chỉ có S là lực hướng tới phía trước, giúp thuyền có thể chuyển động ngược một góc nhỏ với chiều gió.

Thực tế (hình 3), để đưa thuyền từ điểm A đến điểm B, ngược chiều gió, người ta phải hướng thuyền buồm đi theo đường zic zac.