你好，我是常娜，感谢看见。《创新的历程》是我在过去几年读书，与不同的教授、学者、创业者以及读书人学习交流过程中创作的通识启蒙课程。通识与人文博雅（liberal arts）教育并非培养具体的技能，而是以人本主义精神，关注每个人本身，培养丰富健全的人格、培养一个人获得并经营幸福的能力。
《创新的历程》第四季｜全球化简史
海洋文明与工业化进程
第121讲：历史上航行如何解决动力机制问题？
01｜早期分布在世界各地的人如何利用水和风？
在远古时期，人类在观察自然界时开始思考力学原理，帆的发明便是为了解决动力问题。他们逐渐认识到，物体受到的风力与其受风面积成正比，受风面积越大，风力也越强。因此，为了有效利用风力推动船只，必须增加船只的受风面积，从而增强风对船只的推动力。在海上航行中，风帆时代的动力主要依赖于季风。
据记载，埃及人在公元前3960至3908年间已经开始使用帆船，这是已知最早的古代帆船。这种帆船装备了一个简单的四角帆（Square rig），帆中间由桅杆支撑，平行的横杆上挂着四方形或梯形的帆布。这种帆虽然速度快，但只能顺风行驶，因此船上还配备了船桨，以便在逆风时降下帆布，依靠人力划桨前进。在这个阶段，风能的利用效率仍然很低，帆无法进行旋转和升降。
在阿拉伯海域，帆船的使用也相当早。由于当地气候炎热，风力时常较弱，四角帆无法逆风行驶，而在高温下划桨又非常耗费体力。因此，阿拉伯人的祖先发明了一种能够在横风和偏逆风条件下航行的纵帆，这种帆是三角形的。
在欧洲早期，帆船主要采用横帆设计。横帆，也被称作四角帆，是将长方形或梯形的帆布悬挂在桅杆上固定的横木上。由于这些横木是固定的，横帆帆船只能在顺风时使用，逆风时则需要降帆并依靠人力划桨，因此这种船也被称为桨帆船。在地中海地区，由于夏季常常无风，冬季主要吹西风，桨帆船因其能够在风力不足时依靠人力前进而广泛使用。
阿拉伯人的帆船则采用了三角帆，这种帆的角度可以调整，使得船只能够逆风航行，实际上是沿着“之”字形的路线前进。三角帆船速度快，转向灵活，使得阿拉伯人在印度洋上航行自如。后来，欧洲人将这种三角帆技术引入，并与横帆相结合，使得船只既能在顺风时快速前进，又能在逆风时逆风航行，从而不再依赖人力，为远洋探险提供了可能。当然，远洋探险船只也离不开中国人发明的舵，因为舵的使用使得主要依靠风力的帆船能够更好地控制方向。
中国的帆船则采用了硬帆，与阿拉伯和欧洲的软帆不同。硬帆具有良好的操控性，逆风航行也不成问题，但由于硬帆的特性，无法像三角帆那样做得很大，因此在速度上有所限制。与欧洲和阿拉伯的船只相比，中国的帆船很早就采用了隔水舱设计，这使得船只不易沉没，但同时也限制了船舱的大小，减少了货物的装载量。
到了10世纪，阿拉伯人利用三角帆船将影响力扩展到了东非沿岸，并在马坦杜河口建立了穆斯林贸易城市基卢瓦。这座城市以其华丽的宫殿、雄伟的清真寺和坚固的城墙吸引了众多穆斯林前来贸易。到了14世纪，基卢瓦逐渐控制了沿海的索法拉、莫桑比克、蒙巴萨、马林迪、摩加迪沙等多个港口贸易城市，形成了一个穆斯林城邦联盟。[1]
在9世纪之前，罗马人无法建造较大的具有船头、船尾索具装置的船只，到了9世纪，在顶风转向时，把帆罩移向桅杆上方的问题已经解决，此后，较大的商船也能安装大三角帆了。有了这样的装备，船就能顺60-65度风行驶，这标志着船只性能的一次重大改进。装备完整的船带三根桅杆，前桅和主桅挂着方帆，后桅斜挂着大三角帆。有了这种结合，就可以把方帆做得很大，大三角帆则会尽可能地接近风向。随着时间的推移，帆数增加，具有早期西葡两国大帆船特色的大型胀形主帆被分成几个较小的方帆，这种改进能使帆布的姿势更加平直，船能更好地逆风前行。要充分理解这种改进的重要性，我们必须在能源长期短缺的背景下来对其加以认识，因为能源短缺阻碍了前工业化时代人们的活动。装备完整的船只使欧洲人利用海上风能的程度达到了从前难以想象的地步。
由此产生的经济意义可以直接感受出来。装备完整的船只无须再等待最有利的风，因此航期就会缩短。由于风帆的面积可以增加，更多能源可以得到利用，因此，一直到16世纪中叶，船只的体积越来越大，载重量不断上升，而且成本也相应减少。荷兰三桅商船的出现，最终使货船体积的增加得到阻止，使其远远低于技术 上可行的超过2000吨的最大值。三桅商船表明，17和18世纪欧洲内部和很多欧洲之外的最佳贸易吨位在300到500吨之间。直到1800年之 后，欧洲的船只才发展到超过这一吨位的程度。[2]
在桨帆船的动力发展过程中，最初是由人力驱动的，从古希腊时期一直延续到中世纪后期。英国学者罗杰·克劳利在《海洋帝国：地中海大决战》中，引述了同时期一个英国人对这些奴隶的描述：“一排排忍饥挨饿、皮肤被晒得黝黑、身体精瘦的可怜人，被锁在木板上，有时一连几个月都无法离开……裸露的皮肉遭到残忍的、持续的鞭打，被催促用力划桨，甚至超过了人类可承受的范围……”
图：船上划桨的奴隶[3]
02｜风对帆船作用如何推动船体行进的？
关于帆的风力作用可以予以简单描述。图中风力W以某一角度冲向帆，为简化计以下帆桁AB代之。帆面两边间之压力差产生垂直于AB之升力L和沿AB的阻力D。L应该比D要大得多，这是空气动力设计的终极目的，很多世纪以来已经成为船舶建造者的自发目标。当某艇仔成功地进行迎风航行时，L和D可以分解成两个其他分量T和S，T是在逆风航行时在前进方向上推进艇的力，而S是使艇作侧向运动的力，而船体、龙骨和披水板的功能就是抵消这个力。但如果艇被操纵到太靠近（正）逆向风，于是阻力D将很大而升力L则太小，于是T力将指向后（如图）而不指向前，艇就再不能进行迎风航行。人们现在才知道为何历史的趋势是帆的高度不断增高，因为L/D随着帆高相对于帆桁长度的增加而稳步增加。[4]
图：风对帆船作用力
船只利用帆的每一面产生的力量来迎风前进。帆的迎风面产生正向的推力，而背风面则产生负向的拉力，这两种力量共同作用于同一方向，推动船只前进。在1738年，科学家丹尼尔·伯努利发现了气流速度与周围自由气流成比例增加时，会导致压力降低的现象，这使得帆的背风面形成了低压区域，从而加速气流。
空气为何会加速呢？空气和水一样，都是流体。当风遇到帆并被分开时，一部分风会附着在帆的凸起面（背风面），并产生向上的力。为了让帆上方的“自由”空气通过，帆需要向外弯曲。然而，自由气流往往保持直线流动，这可能会阻碍船只的前进。自由气流与弯曲的帆共同形成了一个狭窄的通道，初始的气流必须通过这个通道。由于空气不能自我压缩，它必须加速以通过这个狭窄的空间，这就是为什么帆的凸起面会加速气流的原因。
一旦气流加速，伯努利的原理就开始发挥作用。在狭窄通道中加速的气流比周围空气更快，而在气流加速的地方，压力会降低。这引发了一系列的连锁反应。随着新的气流接近帆的迎风边缘并分开，更多的气流被吸引到背风面，流向低压区域并被高压区域排斥。现在，即使是更大的气流也必须更快地通过凸起帆面和自由气流形成的狭窄通道，这进一步降低了空气压力。这个过程持续发展，直到达到现有风力条件下的最大气流速度，并在背风面形成最大的低压区域。值得注意的是，只有在气流到达帆的曲面最深处时，气流速度才会增加。在此之前，空气不断汇聚并加速。超过这一点后，空气开始分散并减速，直到与周围空气的速度相匹配。
图：帆型分布及可能的创始起源的图表
资料来源：[英]李约瑟：《中华科学文明史》第三卷，上海人民出版社2014年版，第732页。
图：基本帆型
资料来源：[英]李约瑟，《中华科学文明史》第三卷，上海人民出版社2014年版，第720页。
03｜中国的平衡式梯形斜帆
李约瑟评价说：“在人类利用风力来推进船舶的各项首要成就中，中国的平衡式梯形斜帆确是名列前茅的。”这种帆的一个最大特征是使用竹条作为横向加强材料，构成一个升降自如的帆架结构。这些竹条的两端固定在从横桁悬挂下来的帆缘索上，形成了一个可以自由升降的帆架。帆布通过绳索与帆架的边缘和每根竹条紧密连接，使得帆面平整，从而获得最佳的受风效果。
这种设计不仅取材容易，而且轻便、韧性好，能够抵御大风，不易折断。中国拥有丰富的竹子资源，易于获取。竹子轻便且具有良好的韧性和强度，能够承受强风而不轻易折断。在其他古代文明中，尚未见使用这种低成本且结构优良的船帆。
同时，由于横向加强材料的存在，对帆幕的强度要求不高，可以使用竹叶和其他植物叶子编织成帆幕，这种帆架结构还可以防止帆幕被撕裂，即使帆幕上有许多破洞，也仍旧可以收到良好的受风效果。而不像其他国家那样需要使用高强度的织物。这种帆架结构还能防止帆幕撕裂，即使帆幕上有许多破洞，也能保持良好的受风效果。
此外，每根横竹上都系有绳索，使得整个帆可以折叠，便于操作。既可以整体折叠，也可以进行梯级式收缩。桅杆顶部装有滑轮，与帆索相连，形成一个有机的整体，使得帆的升降快速且方便，同时可以根据风力大小和航行需求调整帆的展开程度。
中国式帆船的风帆通常在起航时扬帆，停泊时落帆。由于古代的硬帆很重，扬帆时需要多人合力才能成功，因此古人还发明了专门用来省力的扬帆绞车，在遇到恶劣天气时，依靠扬帆绞车可以做到迅速落帆。
在古代，船帆的制作材料因其名称“布帆”和“利篷”而有所区别。[5]在北宋之前，“布”并非指现代由棉纱织成的布。当时，棉花种植并不普遍，棉布是一种珍贵的物品，只有皇室和贵族才能少量使用棉织物。民间普遍使用的是麻织品，因此“布帆”很可能是指用麻布制成的帆。同时，为了显示身份和地位，官船上的帆有时也会使用丝织品制作。南宋以后，随着棉花种植的推广和棉纺织业的发展，棉布逐渐成为制作船帆的常用材料。
中国古代的帆幕多采用天然植物材料编织而成，如竹叶、篾片、棕榈枝叶和芦苇等。晋代木华在《海赋》中提到“揭百尺，维长绡，挂帆席”，这里的“帆席”就是用席子制成的帆。由于海上风浪较大，对帆幕的韧性和强度要求较高，因此大多使用竹篾编织。明代宋应星在《天工开物》中记载，风帆是由篾片编织而成，每编织一块就夹入一根带篷缰的篷挡竹作为骨干，然后折叠起来，待需要时悬挂使用。尽管史籍中有许多关于竹帆的记载，但历史上竹帆的具体样式一直未有实物证据。近年来，随着古船挖掘工作的进展，出土的竹帆残片填补了这一空白。
1974年，在泉州湾后渚的宋朝海船上发现了六角形的竹编。1982年，在泉州法石的宋朝海船上又发现了较大面积的竹帆残存，为研究宋朝竹帆提供了珍贵的实物样本。这些竹帆残存物呈多幅折叠状态，表面为六角形竹编，由六条篾片编织而成，篾片宽约0.5厘米，厚约0.1厘米，编织精细整齐。竹编中间夹有竹叶，两边用直径2厘米的竹管封边加固。竹帆上还夹缠着麻织绳索，分为粗细两种，均由两股拧绞而成，非常结实。细绳用于连接封边竹条和竹编，粗绳中夹有一条宽约0.3厘米、厚小于0.1厘米的藤皮或竹皮，以增加强度，可能用作帆索。
李约瑟对中国古船文化研究的成果，其中将中国古船文化方面的发明及传入西方的时间对照表显示如下[6]：
04｜补充材料：帆船动力机制[7]
帆引船在力学原理上类似于风筝。
拴在帆桁上的三根吊索不仅有拖力，还能使船帆产生扬力，取得三个力（风力、重力、抗力）的平衡从而能够使船稳定航行。
吊索的优点：
①可保桅杆不折
②当船帆被风推动时，船不会翻
③可以令渔网立体的张开
④船受到向上的扬力，令船更容易横向漂流
⑤提高了行驶速度
从以上等优点可以看出，吊索的构思可以说是在渔船制造上革新的关键。
特别是第5点，在湖上来回航行捕银鱼和公鱼时不可欠缺的一点就是要保证足够的速度。帆引船的发明最重要的目的一定也就是为了能够在保证速度的情况下拖网。
帆引船和风筝的比较
风筝靠作用在风筝上下两面不同的风的流速产生扬力而升空。帆引船则是将吊索做的比拖网绳短从而能够更加容易获取扬力。
渔网（水压） = 拽着风筝线的人
吊索和拖网绳 = 风筝线
船帆 = 风筝本身
船（秤砣） = 风筝的尾巴
根据以上的比较就可以知道，只要有一定的风，船就能稳定的横向漂流。通过帆引船可以实际体会到在机动船诞生以前使用小轻型船只时，靠扬力增加浮力，使船能够在水面上如滑行般漂流的状态。
参考资料
[1] 李不白：《透过地理看历史：大航海时代》，人民日报出版社2022年版，第100页。
[2] [意]卡洛·奇波拉：《工业革命前的欧洲社会与经济：1000～1700》，苏世军 译，社会科学文献出版社2020年版。
[3] 备注：奴隶桨手往往三四个人被锁在一起，固定在一条约0.3米宽的长凳上。一旦被固定在某个座位上，他们短时间内就无法移动了。奴隶桨手每天只能吃一点点黑饼干，忍饥挨饿。身上除了一条亚麻马裤，就是手上和脚上的铁链了。只要战船需要移动，桨手就必须按照节奏划桨，稍有不慎就会被手持皮鞭的监工暴打。拼命划桨就是他们唯一要做的事情，哪怕精疲力竭也无法休息。
[4] [英]李约瑟：《中华科学文明史》第三卷，上海人民出版社2014年版，第721-722页。
[5] 参考资料：https://www.toutiao.com/article/6716790316222906893/?channel=&source=search_tab。
[6] 李约瑟文献研究中心：《李约瑟研究》，上海科学普及出版社2000年版，第191页。
[7] 资料来源：https://www.city.kasumigaura.lg.jp/hobiki/chinese/ship_how/mechanism/index.html。
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《创新的历程》｜第四季：全球化简史：海洋文明与工业化进程（发刊篇）
