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帆とは、布地やその他の膜状材料で作られた張力構造物であり、風の力を利用して帆船、ヨット、ウィンドサーフィン、アイスボート、さらには帆走式陸上車両などの帆走艇を推進させるものです。帆は、キャンバスやポリエステル布などの織物、積層膜、接着フィラメントなどを組み合わせて作られ、通常は3面または4面の形状をしています。
帆は、見かけの風に対する角度である迎角に応じて、揚力と抗力の組み合わせによって推進力を生み出します。見かけの風とは、移動中の船が受ける空気速度であり、実際の風速と帆船の速度を合わせたものです。迎角は、帆船の風に対する向き、つまり帆走方向によって制限されることがよくあります。帆の前縁を見かけの風に合わせることができる帆走方向では、帆は翼型として機能し、空気がその表面を通過する際に推進力を生み出します。これは、飛行機の翼が揚力を生み出し、前進運動を阻害する空気抵抗よりも優勢になるのと同様です。帆船が風下に向かって旋回するにつれて迎角が見かけの風から大きくずれるほど、推進力としての抗力は増加し、揚力は減少します。最終的には、風下に向かう帆では抗力が優勢になります。帆が風に近すぎると、推進力を生み出すことができません。
帆はマスト、ブーム、その他の支柱に取り付けることも、マストから吊り下げられたワイヤーに取り付けることもできます。帆は通常、ハリヤードと呼ばれるロープで上げられ、風に対する角度はシートと呼ばれるロープで調整されます。使用時には、帆の表面が両方向に湾曲するように設計されることがあり、これは多くの場合、縁が湾曲しているためです。バテンは、帆の後縁を取り付け点の線より外側に延長するために使用されます。
帆船の動力源となる回転しない翼型としては、翼のような形状をした剛性構造のウィングセイルや、カイトリグ船の動力源となるカイトなどがあるが、これらは翼型を支えるマストを使用しないため、この記事の範囲外となる。
横帆装では、主推進帆が水平な桁に取り付けられます。これらの桁は船のキールとマストに対して垂直または直角です。これらの桁はヤードと呼ばれ、リフトの先にある先端はヤードアームと呼ばれます[ 1 ]。主にこのように帆装された船は横帆船と呼ばれます[ 2 ]。
縦帆装とは、キールに垂直ではなく、キールの線に沿って帆を張る構造のことである。このように帆装された船は縦帆装船と呼ばれる。[ 3 ]
帆の発明は、車輪の発明と同等、あるいはそれ以上に重要な技術的進歩であった。[ a ]一部では、新石器時代の生活様式の発展や都市の最初の設立と同等の意義を持つと示唆されている。しかし、この発明がいつ、どこで行われたのかは分かっていない。[ 4 ]： 173
水上輸送の初期発展の多くは、世界の主要な2つの「発祥地」地域、すなわち東南アジアの島嶼部と地中海地域で起こったと考えられている。これらの地域では、水温が高いため、いかだ（いかだは通常「流れ抜け式」構造）を使用する際の低体温症のリスクが軽減され、互いに見える島々が多数存在するため、航海への誘いと高度な航行技術を必要としない環境が生まれている。加えて、ナイル川は北向きの流れと反対方向の卓越風があり、一方の方向には漂流し、もう一方の方向には帆走することが可能となっている。[ 5 ]： 113 [ 6 ]： 7帆は紀元前5千年紀以前には使用されていなかったと考える人も多い。一方、帆はもっと以前に発明されたと考える人もいる。[ 4 ]： 174、175
ククテニ・トリピリアン文化の陶器の考古学的研究は、紀元前6千年紀以降に帆船が使用されていたことを示している。[ 7 ]メソポタミアのウバイド期（紀元前6000年頃～4300年頃）の発掘調査は、帆船の直接的な証拠を提供している。[ 8 ]
紀元前3200年頃の古代エジプトの帆船が描かれており、 [ 9 ] [ 10 ]葦舟がナイル川の流れに逆らって上流へ航行していた。古代シュメール人はほぼ同時期に横帆の帆船を使用しており、インダス川流域まで海上交易路を確立したと考えられている。ギリシャ人とフェニキア人は紀元前1200年頃までに船による交易を開始した。
船体で合流する2本の帆桁を持つV字型の四角帆は、オーストロネシア人が前後に張るカニの爪帆、タンジャ帆、ジャンク帆を開発する以前の祖先の帆装であった。[ 11 ]これらの後期のオーストロネシア帆の導入時期については議論がある。[ 12 ]
ラテンセイルは紀元2世紀頃に地中海で出現した。5世紀になってようやく普及し、その頃には（古典期を通じて広く使用されていた）地中海の四角帆の索具が簡素化されつつあったという証拠がある。[ b ]ラテンセイルの人気が高まったことと、当時の四角帆の索具に変化が生じたのは、いずれもコスト削減策であり、船の装備に必要な高価な部品の数を減らすためであったと考えられている。[ 13 ]
海事史家の間では、ラテン帆は同時代の横帆よりも航行性能が著しく優れていたという誤った認識が一般的であった。同時代の記録や様々なレプリカ船で記述された航海の分析から、横帆とラテン帆の性能は非常に似ていたことが分かる。ラテン帆は、性能の低下もなく、建造と維持がより安価な帆装であった。[ 14 ] [ 13 ]
ラテン帆はアラブの船乗りによって採用されました（通常はセッティ帆というサブタイプ）が、その時期は不明で、西インド洋で1500年以前に使用されていたという確固たる証拠はありません。しかし、例えば1519年には、この地域でアラブ、ペルシャ、インドの船が四角帆を使用していたことを示す図像学的証拠は十分にあります。[ 15 ]
1440 年頃から北ヨーロッパの海域でキャラベル船が人気を博したことで、この地域ではラテン帆が広く知られるようになった。さらに、初期の 3 本マスト船ではミズン帆にラテン帆が使用され、完全帆装船の発展に重要な役割を果たした。しかし、これらの船の推進力の大部分はラテン帆では提供されず、むしろ特定の海況や風況での操縦に必要なバランス帆として機能した。16 世紀と 17 世紀の船にラテンミズン帆を描いた当時の海洋画は数多く存在するが、多くの場合、帆は畳まれている。Duyfken レプリカでの実体験により、ラテンミズン帆の役割が確認された。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
オーストロネシア人が発明したカタマラン、アウトリガー、二本マストの三角形の蟹爪帆により、彼らの船は外洋を長距離航海することが可能になった。これがオーストロネシア人の拡大につながった。彼らは台湾から東南アジアの島々に急速に定住し、その後さらにミクロネシア、メラネシア島、ポリネシア、マダガスカルへと航海を続け、最終的には地球の半分に及ぶ領土に定住した。[ 19 ] [ 20 ]
帆、敷設、その他の索具の一部を表す原オーストロネシア語は、このグループが太平洋への拡大を開始した紀元前3000年頃に遡ります。 [ 21 ]オーストロネシアの帆装は、帆の上端と下端の両方（そして時にはその間）を支える桁がある点で特徴的です。[ 20 ]また、帆は耐塩性のある編み込んだ葉、通常はパンダン植物から作られていました。[ 22 ] [ 23 ]
ミクロネシア、メラネシア諸島、ポリネシア、マダガスカルのシングルアウトリガー船で使用されていたカニ爪帆は、風下に向かってタッキングする際に本質的に不安定でした。これに対処するため、これらの地域のオーストロネシア人は、独特な可逆式シングルアウトリガーと併用して、帆走におけるシャント技術を開発しました。オーストロネシアのその他の地域では、カニ爪帆は主にダブルアウトリガー（トリマラン）と双胴船（カタマラン）の船に使用され、風下でも安定していました。[ 20 ] [ 24 ] [ 19 ] [ 25 ] [ 26 ]
西島嶼東南アジアでは、後にカニ爪帆、タンジャ帆、ジャンク帆から四角帆が発展したが、これらはいずれも帆を支える複数の桁を持つというオーストロネシアの特徴を保持していた。[ 27 ] [ 28 ]
帆にかかる空力は、風速と風向、および船の速度と方向によって決まります。船が真風（水面上の風向と風速）に対して進む方向を「帆のポイント」と呼びます。特定の帆のポイントにおける船の速度は、見かけの風（VA ）、つまり移動中の船上で測定される風速と風向に影響します。帆にかかる見かけの風は、総空力を生み出し、これは見かけの風の方向の力成分である抗力と、見かけの風に垂直（90°）な力成分である揚力に分解できます。帆と見かけの風の向きによっては、揚力または抗力のどちらかが主要な推進力成分となる場合があります。総空力はまた、船が通過または通過する媒体（例えば、水、空気、氷、砂の上）によって抵抗される前方の推進力と、帆船の水中翼、アイスランナー、または車輪によって抵抗される横方向の力に分解されます。[ 29 ]
見かけの風の角度が帆の進入点と一致する場合、帆は翼型として機能し、揚力が推進力の主たる要素となります。見かけの風の角度が帆の後ろにある場合、揚力は減少し、抗力が増加して推進力の主たる要素となります。水面上の一定の真風速の場合、帆の進入点が見かけの風と一致している帆走点では、進入点が一致していない場合よりも帆が船を高速に推進させることができます。これは、帆の周りの気流による力が減少することと、船の速度による見かけの風が減少することの組み合わせによるものです。水面速度に制限があるため、排水型帆船は一般的に、クローズホールドからブロードリーチ（風に対して約40°から135°）を含む帆走点で揚力を発生させる帆から動力を得ています。[ 30 ]氷上では表面摩擦が少なく、高速で航行するため、ほとんどの帆走方向で見かけの風速が高くなるため、アイスボートは排水型ボートよりも風下側で揚力から動力を得ることができる。[ 31 ]
各リグは、帆船のサイズに適した帆装図に構成されています。帆装図は、通常、造船技師によって作成される一連の図面で、帆船に提案されているさまざまな帆の組み合わせを示しています。帆装図は、軽風から強風まで、さまざまな風の状態に応じて変化する可能性があります。横帆船と縦帆船の両方が、帆を備えた単一または複数のマストの幅広い構成と、船へのさまざまな主要な取り付け手段を備えて建造されてきました。これには以下が含まれます。[ 33 ]
国際Cクラスカタマランを含む高性能ヨットは、従来のソフトセイルよりも性能は優れているが、操縦が難しいリジッドウィングセイルを使用していた、または現在も使用している。 [ 34 ]リジッドウィングセイルは、 1988年のアメリカズカップで優勝したディフェンダーのスターズ・アンド・ストライプスと、 2010年のアメリカズカップで優勝したチャレンジャーのUSA-17で使用された。[ 35 ] USA 17の2010年アメリカズカップレースでの性能は、風上では風速の2倍以上、風下では風速の2.5倍以上の速度で航行でき、見かけの風から20度以内の角度で航行できることを示した。 [ 36 ]
帆の形状は、平面上に展開した帆の縁と角によって定義されます。縁は、翼型として帆の形状を拡張するため、または使用時の形状を規定するために湾曲している場合があります。使用時には、帆は湾曲した形状となり、深さ、すなわち喫水という次元が加わります。
帆の特性は、帆布を作るために織り合わされる繊維の設計、構造、および特性に部分的に由来します。帆布を織るのに適した繊維を評価する際の重要な要素は、初期弾性率、破断強度（引張強度）、クリープ、および屈曲強度です。材料の初期コストと耐久性の両方が、時間の経過に伴う費用対効果を決定します。[ 39 ] [ 48 ]
伝統的に、帆は亜麻または綿のキャンバスで作られていましたが、[ 48 ]スカンジナビア、スコットランド、アイスランドの文化では、11 世紀から 19 世紀にかけてウールの帆が使用されていました。[ 49 ] 21 世紀現在、帆に使用される素材には、軽量性と衝撃荷重に対する弾性抵抗が重視されるスピンネーカー用のナイロンや、ダクロン、ケブラーを含むアラミド繊維、ベクトランを含むその他の液晶ポリマー繊維など、三角形の帆に使用されるさまざまな繊維が含まれます。[ 48 ] [ 39 ]ダクロンなどの織物素材は、デニール数 (繊維の線質量密度の測定単位)によって示されるように、高強度または低強度として指定される場合があります。[ 50 ]
クロスカットセイルは、パネルが互いに平行に縫い合わされており、多くの場合、セイルのフットと平行に縫い合わされています。これは、2 つのセイル構造の中で最も安価なものです。三角形のクロスカットセイルパネルは、マストに接するように設計されており、縦糸または横糸のいずれかに対して角度を保ち（バイアス方向）、ラフに沿って伸びるのを可能にしつつ、繊維がセイルの端に沿って並ぶラフとフットでの伸びを最小限に抑えます。[ 51 ]
ラジアルセイルは、応力を効率的に伝達するために角から放射状に伸びるパネルを持ち、一般的にクロスカットセイルよりも性能が高い。バイラジアルセイルは、3つの角のうち2つから放射状に伸びるパネルを持ち、トライラジアルセイルは、3つの角すべてから放射状に伸びるパネルを持つ。メインセイルはタックでの応力が非常に少ないためバイラジアルであることが多く、一方、ヘッドセイル（スピンネーカーとジブ）は角で張力がかかるためトライラジアルであることが多い。[ 48 ]
高性能の帆は、織物を接着するのではなく 、複数のフィラメント、繊維、タフタ、フィルムを直接積層して作られる場合がある。成形帆は、湾曲した型の上に成形され、平らではない形状に接着された積層帆である。[ 48 ]
従来の帆パネルは縫い合わせて作られます。帆は引張構造物なので、縫い目の役割は引張荷重をパネルからパネルへと伝達することです。縫製された布製の帆の場合、これは糸を通して行われ、糸の強度と、糸が通る布地の穴の強度によって制限されます。帆の縫い目はパネル間で重なり合うことが多く、縫い目の長さの単位あたりに多くの接続部を作るジグザグステッチで縫われます。[ 48 ] [ 52 ]
繊維は通常縫い合わせて作られるが、他の帆材は超音波溶着されることがある。超音波溶着とは、圧力下で保持されたワークピースに高周波超音波振動を局所的に加えることで固体溶着を作り出す技術である。これはプラスチック、特に異種材料の接合によく用いられる。[ 52 ]
帆には、ハトメやクリングルでラインを取り付ける部分に布地の層による補強が施されています。[ 43 ]ボルトロープは、帆を補強するため、またはブーム、マスト、ローラーファーリングジブのラフフォイルの溝に帆を固定するために、帆の縁に縫い付けられることがあります。[ 41 ]帆には、全長の帆の形状を整えるのに役立つバテンと呼ばれる補強材が付いている場合があり、 [ 53 ]または、ある場合はその部分だけを整えるのに役立ちます。[39] 帆には、スクエアリグやガフリグのように、使用しない帆を巻き取るために帆に固定された短いラインの列など、さまざまなリーフィング（帆面積を減らす）手段が備わっている場合があり、 [ 54 ]バミューダメインセールのように、ラインやフックを通すためのハトメが付いているだけの場合もあります。[ 55 ]縦帆には、帆の表面の気流を視覚化するために、帆に取り付けられた糸、紐、またはテープの切れ端であるテルテールが付いている場合があります。 [ 39 ]
帆に取り付けられ、帆を制御するロープは、ランニングリギングの一部であり、スクエアリグとフォアアンドアフトリグで異なります。ディッピングラグセイルやラテンセイルのように、マストの片側から反対側へ移動するリグもあります。ロープは、帆を支えるもの、帆の形を整えるもの、風に対する帆の角度を制御するものに分類できます。
縦帆船には、帆を支え、形を整え、風に対する性能を最適化するための索具があり、これには以下の索が含まれます。
横帆船は縦帆船よりも多くの操舵索を必要とし、以下のようなものが含まれる。
高性能帆船の帆。
前方抵抗が低く、横方向抵抗が高い船舶の帆には、通常、全長にわたるバテンが備わっている。[ 53 ]
帆船の使用は、紀元前6千年紀以降、陶器に刻まれた描写によって証明されている。
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帆布パネルの裁断。
カタマランのバテン。
リギングの技術: 用語とフレーズの説明と... ジョージ・ビドルコム著。
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