中西帆船性能比較

媽寶地狗

前言
網路上常比較中西帆船性能的優劣，往往各持一詞淪為各說各話。且文獻上的資料往往充滿騷人墨客的誇大之詞，這種描述性的文字沒有精確的數據，我認為缺乏準確與真實。本來使用中西方學者進行復原古船性能研究的資料，來進行
粗淺的比對，試圖還原出一個比較正確的面貌。



哥德堡號背景
哥德堡一號是一艘瑞典東印度公司的商船，建於1738年。它曾在1744年航行到廣州載運中國貨物回航。回航時在新埃爾夫斯堡附近擱淺，最後沉沒。
哥德堡三號是一艘復原船，其尺寸與工法都複製於當年的哥德堡一號。它於1995年開始建造，並於2003年下水。它為一典型的三桅帆船。

福船背景
福船—中國東南沿海常見的典型海船，特徵為尖底、有龍骨、吃水深、艏艉兩端高翹，依其建造地點不同而有不同名稱，如福建所建造者，最為有名，稱為福船。像鳥船、草撇船、冬船、開浪船、海滄船基本上都屬於福船類型的高性能航海用船，本文的數據是使用曾樹銘先生所復原之明朝海運船。

以下是哥德堡號與福船的船體數據


抗沉性
所謂抗沉性，就是船舶在局部破損浸水後，仍可以保持一定的浮性和穩性而不致沉沒的能力。在海洋環境中航行的船舶，局部損壞進水是難以完全避免的，如何在這種情況下避免沉沒，是抗沉性所要討論的問題。
在滿載水線以上的船體還保留有一定的水密體積，這個水密體積所具有的浮力稱為儲備浮力。增加乾舷、減少吃水或水線下船體適度削瘦都是增加儲備浮力的方法。而水密艙也能起避免沉沒增加抗沉性的功效。

以儲備浮力來看，哥德堡號有極高的乾舷，所以它儲備浮力應該優於福船。但中式帆船以橫隔板充當衡肋，起了水密艙的作用，在船體破洞時，其抗沉程度是優於哥德堡號。

耐波性
所謂耐波性就是船舶在波浪中抵抗搖擺的能力。如果耐波性差，船體強烈的搖晃會影響船員工作，劇烈的橫搖使船身橫傾過大，可能導致傾覆，且波浪產生的彎矩和運動產生的附加應力可能導致船體折斷或局部損壞。

船型的設計、在船底部裝上減搖龍骨、增加減搖水櫃都是增加耐波性的方法。


船隻在航行時會受橫風或橫浪拍擊會造成傾斜，傾斜後扶正的能力十分重要。如果扶正能力差，船隻就容易翻覆。
船隻的穩心與重心距離被稱為初稳高度GM， 稳高度越長，表示船隻在小角度(小於10度)傾斜時扶正的能力就越好，提高船寬與增加乾舷皆可以提高GM。由模型測試中得知哥德堡號的GM長是0.38m，而福船的GM是1.968m，福船在小角度傾斜時恢復的速度較快。

福船扶正力臂與傾斜角度關係圖

哥德堡號扶正力臂與傾斜角度關係圖

而大角度傾斜時則要看扶正力臂的大小。從以下兩圖可以看出福船在傾斜角度小時扶正力臂上升比哥德堡號快，表示福船在小角度傾斜時快速扶正的能力較佳，但傾斜如果超過123度則會翻覆。而哥德堡號的傾斜角度範圍與傾斜最大角度都大，意為它能容許更大的傾斜在惡劣的氣候中航行更不易翻覆。不過從此圖可以看出哥德堡號的扶正力臂上升速度較慢，表示它搖擺週期比福船搖擺週期(2.84秒)長，要更久的時間才能扶正。

哥德堡號與福船都裝有減搖龍骨，但福船在艏尖艙的水線下有開孔，當風浪時船頭陷入水中，艙內水面升高，並將艙內空氣由象鼻排出。反之，
則艙內水向外流出；返覆之間艙內水之重量與滯留性及艏部關頭板陷水時之浮揚力交替作用，使船艏起伏之頻率與振幅減小。發揮了類似減搖水櫃之作用。
這也是為何船頭設計成平寬的關頭板的原因，有助於航行之安定性。

在實船測試時，在浪高7.5m、風速26.5m/s、平均示性波週期=10.7 sec的海況七下，哥德堡號仍可航行，表示他的耐波性能不差。而福船的模型在水槽試驗中顯示，在浪高1.69m、風速13m/s、平均示性波週期=6.12 sec的台灣海峽平均海況下也能順利航行。

船型與阻力
待續

hukaikaka

好像听人说过，欧洲人的船是梭子型，中国是鸭子型。一个仿的是鱼，一个是鸭子。一个在水下，一个在水中，所造成的阻力不一样。中国的好一些。

媽寶地狗

那是瞎扯蛋.
對船的航行來說,空氣阻力相比於水阻根本微不足道,做成鴨子狀哪會比較快呢?你看軍艦是做成鴨子狀嗎?

hukaikaka

媽寶地狗 发表于 2012-5-1 14:31
那是瞎扯蛋.
對船的航行來說,空氣阻力相比於水阻根本微不足道,做成鴨子狀哪會比較快呢?你看軍艦是做成鴨子 ...

水面阻力与水下阻力。

hukaikaka

媽寶地狗 发表于 2012-5-1 14:31
那是瞎扯蛋.
對船的航行來說,空氣阻力相比於水阻根本微不足道,做成鴨子狀哪會比較快呢?你看軍艦是做成鴨子 ...

梭子型前后对称，鸭子型最宽的地方在中间点靠后一点，优化阻力。

LeSoleil

福船在艏尖艙的水線下有開孔，當風浪時船頭陷入水中，艙內水面升高，並將艙內空氣由象鼻排出。反之，則艙內水向外流出；返覆之間艙內水之重量與滯留性及艏部關頭板陷水時之浮揚力交替作用，使船艏起伏之頻率與振幅減小。發揮了類似減搖水櫃之作用。這也是為何船頭設計成平寬的關頭板的原因，有助於航行之安定性。
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对这个细节很感兴趣，请问有图片可以直观地看一看吗？谢~

媽寶地狗

「方頭方艄」係指中國傳統船隻水面以上頭尾部分都是方型，具有寬敞的甲板與吃水浮力。
船首水面以上的關頭板突出船體數寸尺，上寬下窄，呈弧狀彎曲，具兜水功能。
當浪濤使船頭下陷水中時，方寬的艏部就產生額外的浮力，避免船身深埋水中。
反之，當船頭上升，關頭板的兜水作用可以減少並遲緩船身上揚的速度。

關頭板又與艏尖減搖艙連成一體。艏尖減搖艙為活水艙，也稱浮力艙。此艙
設有通氣管及艙側過水眼，以通空氣和流水。減搖艙位於水線上下，當艙部下陷
水中時，空氣排出，海水則緩流入艙；相反的，當艙部上升，空氣灌入，艙內的
水緩緩流出。水的流進流出，就產生緩衝減搖的作用。
尾部為艉封滅搖艙，結合突出的艉封板，與左、右草鞋底，構成兩個三角形
的開口式小艙，它的功能就像關頭板與艏尖減搖艙的結合。此種設計能增加縱向
穩度；也略有左右減搖之作用。


右邊是頭,左邊是尾,船頭那一段就是船艏艙.古代人會在水線下開一個洞讓水流進去,起減搖水艙的作用.

dgpainter

中国古船上装备有披水板，无风浪时可收起，风浪大时放下两舷，可以起到类似减摇鳍的作用，以此推之，耐波性能当好于欧式帆船。

媽寶地狗

福船又沒有披水板..披水板更多是用在沙船上.

dgpainter

网上查了下，不仅沙船且郑和宝船也在用披水板，独福船例外？！

mathewwu

沙船后来不也走南北洋？

dgpainter

明 茅元仪 《武备志·军资乘·沙船》：“沙船能调戗使鬭风，然惟便於北洋，而不便於南洋，北洋浅南洋深也。沙船底平，不能破深水之大浪也。北洋有滚涂浪，福船、苍山船底尖，最畏此浪，沙船却不畏此。”

dgpainter

http://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/research/zheng-he/prelim.PDF

鄭和寶船復原模型與典型福船及沙船性能之初步比較研究

媽寶地狗

船型與阻力
船型與浮力、耐波性有關以外，也跟船速有很大的關係。如果船型適當，船遇到的水阻越小，就能獲得更高的船速。
船舶阻力分為空氣阻力與水阻，水線以上為空氣阻力，水線以下是為水阻。空氣密度為水的1/800，且空氣阻力只佔總阻力的2~3%，故可忽略排除。

水阻分為黏性水阻與興波阻力，而黏性水阻又再分為磨擦水阻與形狀水阻。當船在航行時因為水的黏性與水的摩擦力造成的磨擦水阻佔總水阻的50%~80%。當水流過船體造成分離現象，此分離現象會在船周圍形成漩渦而造成吸力此乃形狀水阻。而興波阻力則是船在航行時產生船行波時所引起的阻力，船速越大，則興波阻力就越強。低速船則主要考慮如何降低黏性水阻，而高速船主要考慮消除興波阻力。

如上面所言，船的型狀與黏性水阻大小有連帶關係，船速與浸水表面積越大，則黏性水阻也越大；降低船殼的粗糙度使之光滑或減少浸水表面積，皆可降低水的磨擦，這也是為何18世界以後英國海軍用銅包覆船底，就是為了降低海中生物的覆著。在降低形狀水阻方面，其長寬比(L/B)加長，可獲得較低的形狀水阻，現代船舶在船首增加球鼻首，可有效降低興波阻力。

以下是福船與哥德堡號模型在水槽中進行傳體阻力測試的結果︰

福船福勞得數與總阻力關係圖


福船船速與有效馬力關係圖


哥德堡號福勞得數與總阻力關係圖


哥德堡號船速與總阻力關係圖

在學術上常以福勞德系數來表示船的快慢，福勞德系數 = 船速/開根號(重力*船體長度L)。由上面兩圖看來當福船船速增加到福勞德系數0.25時，總阻力系數快速增加，加速到4節時，所需要的馬力也快速的增加。而哥德堡號在福勞德系數0.25時，總阻力系數還不到0.004，且船速在4節時總阻力系數也低於0.004，直到4節多總阻力系數才增加到0.004。其意謂哥德堡號的船型其總水阻比福船更低，更適合於高速行駛。

雖然有學者認為西式船體狀如「鱈頭鯖尾」最寬處在中間偏前，雖有利取得較大的船頭浮力，但船型不如中式船體。因中式船體型如水禽，水平切面為前窄後寬，最寬處在中間偏後，是最有利於減少水阻與空氣阻力的形狀，因為水禽本來就身子半沉半浮。但我認為是似是而非的講那。因如上文所講，空氣阻力遠小於水中粘性水阻，根本可以忽略不計。且水阻公式算的是浸水表面積，也無關於水線上船體的型狀。最後，數字會說話。此等因民族主義充腦的積非成是，是無助於學術上的客觀。

媽寶地狗

風帆效率
帆船航行的最基本原理就是利用「帆」的裝置將風力轉化為航行力，當風向改變時，帆的角度也要改變將風向改變的風力變成航行力以維持前進的方向。理論上這個角度是介於0 ~180 度之間，在這個角度差異下，帆船駕駛操作方式基本上可分為迎風航行、側風航行及順風航行等三種。

航向、風向與帆船操作方式示意圖

帆如果缺乏了壓力差，帆船就無法借力使力，也就無法前進。當船與真風夾角為0度時，船帆的兩面無法形成正負壓力區，帆面也無法張起，只會如旗布般飄動。
只有當航向與風向形成超過45度角時，帆面才會應壓力差鼓起，船才可以前進。

帆船在行駛上有分為順風行駛、側風行駛、與迎風行駛，正順行駛就是順者風向與風夾角180度而航行。一般人以為正順行駛是最有效率的，其實不然。以下圖來說視風(scheinbarer Wind，帶動船隻前進的力量) =真風(wahrer Wind，即自然風) -運動風(Fahrtwind，與真風相反的風)。正順行駛時產生運動風的現象更為明顯，視風力量被抵消更大。如果船隻為多桅杆，正順行駛也會因為後桅擋到前桅或主桅，變成只有風力作用到後桅的情況，都會影響風帆的效率。


帆船正順行駛中的風力向量關係

側風航行是指風從帆船航行路線的側面來驅動船體前進，夾角為45度角時，屬於近風行駛；夾角為60度角時，屬於近側行駛；夾角為90度角時，屬於正側行駛；夾角為135度角時，屬於後側行駛。
而逆風行駛(夾角0~45度角)是最沒效率的；一般來說，要靠船隻行左右近風行駛交替，以之字形的路線前進。綜合以上所說，行駛效率是後側行駛、正側行駛>順風行駛>近側行駛>近風行駛>逆風行駛(0~45度角)。所以以多桅帆船來說，側風航行的能力最為重要，而最佳的側風角度則因帆裝不同而有所變化。

風帆獲得風力的公式為1/2 * 空氣密度 * 風速^2 * 風帆面積 * 帆升力係數。如果帆吃風的效率好帆升力係數高，或風帆面積面積大則可以獲得更大的推力，船速提升將更容易。

哥德堡號是一條三桅帆船，其帆裝如下圖：


1        斜杠帆        12        三角帆
2        四角斜桁帆        13        主桅支索帆
3        前桅主横帆        14        主中桅支索帆
4        前桅帆        15        主上桅支索帆
5        前上桅帆        16        后桅支索帆
6        主横帆        17        后中桅支索帆
7        主帆               
8        主上桅帆               
9        后桅纵帆               
10        后桅中帆               
11        前中桅支索帆

以下為哥德堡號模型進行風洞測試所得到的風帆綜合升/阻力係數關係圖，Y軸為升力係數，X軸為阻力係數：

風洞測試風向與風帆夾角示意圖


哥德堡號風向夾角與風帆升/阻力系數關係圖

下列是哥德堡號風帆獲得最大帆升力系數與風向、風帆夾角關係表
               

而福船部份，因尚未有學者進行風帆升阻力測試研究，但我們可以利用其它的測試資料進行推演。日本人曾對一艘橫掛典型中密桿梯形縱帆的2桅北前船進行風帆測試，以下是北前船的風帆綜合升力/阻力系數：

兩桅北前船風帆的升/阻力系數關係圖

由以上的圖可知，中密桿梯形縱帆的綜合升力系數可以接近1.5，而哥德堡號的風帆其綜合升力系數最高為0.82，且中密桿梯形縱帆其迎風時的風帆綜合升阻比(升力系數/阻力系數)最高為4.2，也優於哥德堡號的1.75，符合其大家的認知-中式風帆綜合效率優於西式風帆。但論文<<風帆空氣動力學特性研究試驗>>指出同一形狀下其軟帆的效率好於硬帆，且橫木條越多效率越差。所以我認為中式風帆綜合效率優於西式風帆不是在於材質，而是在於更優良的型狀。
中式風帆雖然綜合效率較優，但無法做大，因為以帆布製成的哥德堡號風帆，平均為每平方公尺一公斤重，其總重約為1.9噸。如果中式風帆要做成面積一樣大，有者橫木條與的大帆吃風面積遠小於哥德堡號的1900平方公尺，使用在大船上，可能會有推力不足的問題。所以我認為中式風帆適合使用在小船上，大船使用西式軟帆。

待續

媽寶地狗

風帆效率
帆船航行的最基本原理就是利用「帆」的裝置將風力轉化為航行力，當風向改變時，帆的角度也要改變將風向改變的風力變成航行力以維持前進的方向。理論上這個角度是介於0 ~180 度之間，在這個角度差異下，帆船駕駛操作方式基本上可分為迎風航行、側風航行及順風航行等三種。

航向、風向與帆船操作方式示意圖

帆如果缺乏了壓力差，帆船就無法借力使力，也就無法前進。當船與真風夾角為0度時，船帆的兩面無法形成正負壓力區，帆面也無法張起，只會如旗布般飄動。
只有當航向與風向形成超過45度角時，帆面才會應壓力差鼓起，船才可以前進。

帆船在行駛上有分為順風行駛、側風行駛、與迎風行駛，正順行駛就是順者風向與風夾角180度而航行。一般人以為正順行駛是最有效率的，其實不然。以下圖來說視風(scheinbarer Wind，帶動船隻前進的力量) =真風(wahrer Wind，即自然風) -運動風(Fahrtwind，與真風相反的風)。正順行駛時產生運動風的現象更為明顯，視風力量被抵消更大。如果船隻為多桅杆，正順行駛也會因為後桅擋到前桅或主桅，變成只有風力作用到後桅的情況，都會影響風帆的效率。


帆船正順行駛中的風力向量關係

側風航行是指風從帆船航行路線的側面來驅動船體前進，夾角為45度角時，屬於近風行駛；夾角為60度角時，屬於近側行駛；夾角為90度角時，屬於正側行駛；夾角為135度角時，屬於後側行駛。
而逆風行駛(夾角0~45度角)是最沒效率的；一般來說，要靠船隻行左右近風行駛交替，以之字形的路線前進。綜合以上所說，行駛效率是後側行駛、正側行駛>順風行駛>近側行駛>近風行駛>逆風行駛(0~45度角)。所以以多桅帆船來說，側風航行的能力最為重要，而最佳的側風角度則因帆裝不同而有所變化。

風帆獲得風力的公式為1/2 * 空氣密度 * 風速^2 * 風帆面積 * 帆升力係數。如果帆吃風的效率好帆升力係數高，或風帆面積面積大則可以獲得更大的推力，船速提升將更容易。

哥德堡號是一條三桅帆船，其帆裝如下圖：


1        斜杠帆        12        三角帆
2        四角斜桁帆        13        主桅支索帆
3        前桅主横帆        14        主中桅支索帆
4        前桅帆        15        主上桅支索帆
5        前上桅帆        16        后桅支索帆
6        主横帆        17        后中桅支索帆
7        主帆               
8        主上桅帆               
9        后桅纵帆               
10        后桅中帆               
11        前中桅支索帆

以下為哥德堡號模型進行風洞測試所得到的風帆綜合升/阻力係數關係圖，Y軸為升力係數，X軸為阻力係數：

風洞測試風向與風帆夾角示意圖


哥德堡號風向夾角與風帆升/阻力系數關係圖

下列是哥德堡號風帆獲得最大帆升力系數與風向、風帆夾角關係表
               

而福船部份，因尚未有學者進行風帆升阻力測試研究，但我們可以利用其它的測試資料進行推演。日本人曾對一艘橫掛典型中密桿梯形縱帆的2桅北前船進行風帆測試，以下是北前船的風帆綜合升力/阻力系數：

兩桅北前船風帆的升/阻力系數關係圖

由以上的圖可知，中密桿梯形縱帆的綜合升力系數可以接近1.5，而哥德堡號的風帆其綜合升力系數最高為0.82，且中密桿梯形縱帆其迎風時的風帆綜合升阻比(升力系數/阻力系數)最高為4.2，也優於哥德堡號的1.75，符合其大家的認知-中式風帆綜合效率優於西式風帆。但論文<<風帆空氣動力學特性研究試驗>>指出同一形狀下其軟帆的效率好於硬帆，且橫木條越多效率越差。所以我認為中式風帆綜合效率優於西式風帆不是在於材質，而是在於更優良的型狀。
中式風帆雖然綜合效率較優，但無法做大，因為以帆布製成的哥德堡號風帆，平均為每平方公尺一公斤重，其總重約為1.9噸。如果中式風帆要做成面積一樣或較小，材質為竹篾編且有橫木條的中式帆其總重會更驚人。所以我認為中式風帆適合使用在小船上，大船使用西式軟帆。

待續

媽寶地狗

中英日資料引用：

Castro, T. A. S. N. F. F. (2007). "Naval Architecture Applied to the Reconstruction of an Early XVII Century Portuguese Nau." in Marine Technology 44.4.
       
Götheborg (2006). "哥德堡號航海日記." from http://soic.drift.senselogic.se/ ... 5c6d680006330.html.
       
Olsson, M. (2005). Performance Predictions for the East Indiaman Gotheborg, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Master.
       
Palmer, C. (2009). "Windward Sailing Capabilities of Ancient Vessels." The International Journal of Nautical Archaeology.
       
丁永良 (2010). "風帆空氣動力學特性研究試驗." 現代漁業訊息 25.
       
王淳真、王國彬、李敏榕、彭冠勳、葉怡岑、林靖雯 (2010). "中山大學物理系-風帆的物理實驗." from http://www2.nsysu.edu.tw/physdemo-kh/A6/A6.htm.
       
武漢理工大學 (2012). "船舶基礎知識." from http://jxpt.whut.edu.cn/eol/homepage/common/opencourse/.
       
徐玉樹、林建和、曾樹銘、王世婷、陳政宏 (2009). "17世紀「臺灣船」性能研究與初步復原規劃設計." 中國造船暨輪機工程學刊 128.
       
許智超、陳政宏 (2002). "四種典型中國式古帆船性能之比較." 成大學報.
       
野本謙作、增山豐、櫻井晃 (2000). 浪華丸的帆走性能.
       
麥克勞德, H. G. 哈. J. K. (2008). 實用中式帆裝設計與使用, 海洋出版社.
       
曾樹銘 (2009). 華舶的奧秘.
       
曾樹銘、陳政宏 (2006). "肆佰料戰座船之創復模型及其性能分析." 中國造船暨輪機工程學刊 25.
       

杨波

这个资料贴很好，我很喜欢机帆船。

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