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风帆上的智慧

——中国古代竖轴大风车

 竖轴大风车，即立帆风车，是一种旋转轴垂直于地面的风力机。因其体形巨大，民间也直呼其为大风车（图1）。

（图1）

竖轴大风车最大特点在于风帆的自动调节功能。它巧妙地借用了中国式船帆的结构与操控方式。风帆升起后，不论风向如何，当风帆转到顺风一边，它自动与风向垂直，受风面积最大；当风帆转到逆风一边时，就自动与风向平行，所受阻力最小。风车可以接受360度任何方向的来风，且风车总是朝同一方向转动。

这是怎样实现的呢？

１．大风车的每一个帆的轴都不在帆的中间。就是说，它每一个帆都是偏轴帆（图2）。规律是，靠近中心轴一侧（下称“内侧”）帆的面积大，靠近外缘一侧（下称“外侧”）帆的面积小。因此，在同样的风向及风速下，内侧受力大于外侧，于是整个风帆的转动方向主要由内侧控制。

（图2）

２．在每一个帆靠近中心轴一侧（内侧）的边缘，都有一组控制绳索与前帆桅杆底部的横梁相连，我们把每个帆有绳索的一面称为Ａ面，另一面称为Ｂ面（图3）。这组绳索对帆的转动有至关重要控制作用，是实现大风车单向转动的关键。

（图3）

下面来看这几个结构是怎样运作的。

为了叙述方便，我们在大风车俯视图上设置一个平面坐标系，即图4中的Ｘ轴和Ｙ轴。设某一时刻风的方向自左向右，即沿Ｘ轴正方向，如图中白色箭头所示。

（图4）

由图4-1可见，第三、四象限的风帆处于顺风状态。在这一区域，风帆无论侧向还是正向，都是A面受风。在内侧风帆和控制绳索的共同作用下，每个帆都在围绕自己的风帆轴顺时针转动，控制绳索被拉紧。因此，这几个帆处于“发力”状态，推动大风车逆时针转动。

（图4-1）

　　第一、二象限的风帆处于逆风状态。在这一区域，风帆无论侧向还是正向，都是逆风的。

在第一象限，当帆从X轴向Y轴转动过程中，风帆“B面”受风，控制绳索处于放松状态，内侧帆面将向远离中心轴方向（逆时针方向）转动。转到ｙ轴位置时，帆面与支架垂直（图4-2）。

（图4-2）

在第二象限，随着风车的转动，风帆变为“迎风”状态，帆面开始变为“A面”受风，整个风帆将向顺时针方向转动（图4-3）。到达X轴负方向时，帆面与支架平行。

（图4-3）

因此，一、二象限这几个帆处于“不作为”状态。对大风车转动没有（或“很小”）影响（图4-4）。

（图4-4）

　　大风车还有一个特点，就是利用风帆的升降来控制风车的转速，风速加大时，适当降下风帆，减小推力；风速减小时，适当升起风帆，加大推力。这样可以使风车在风速改变时保持较为恒定的转速（图5）。

（图5）

正是这几个关键结构，保证了大风车在任何风向下都能向同一个方向转动（图6）。

（图6）

简单的结构，巧妙的构思，神奇的效果，把祖先的智慧体现得淋漓尽致。

本文图片源自网络。

【作者：中国科技馆　刘锡印】