桨(或船桨)用于推进船只，诸如游艇、作业艇和赛艇。桨是用于将桨手的付出的力转化成通过水的船只推进力的装置。为了清楚起见，桨、船桨和任何其它类似的人工操作的水推进装置在本文中都被称为“桨”。
桨可以典型地包括桨叶、桨手握的手柄、和将手柄连接到桨叶的轴杆。桨叶可以做成如扁平勺子那样的形状，当拉手柄时，桨叶的前表面对水施加压力。
通常，轴杆和桨叶组合基本上比手柄长。轴杆可以放置在被称为桨架的旋转枢轴中，所述桨架附接到船的侧面。该枢轴将桨转换成杠杆。由桨施加于水的力可以通过桨架传递到船，使得船在与桨叶运动相反的方向上加速。然而，桨架并不是必需的，船可以没有桨架推进，就像独木舟一样。
自从桨由古希腊人在3000年前用于给诸如三列桨座战船的船只提供动力以来，桨的设计变化不大。新材料已经被用来使它们变得更轻、更坚固，桨的形状已经有所修改，但是它们大致相同。在划船的运动中，桨叶的形状近年来已经得到发展，使其更宽和更长，从而其可以在更大面积的水上起作用。这使得船更快地行进，但也需要更多的力量使桨移动通过水。
在竞争激烈的划船中，总是需要改进设计，使桨更有效率，以便以同样的付出的力使船行进快得多。
本发明是对桨的改进，其将为来自桨手的相同付出的力提供每冲程(perstroke)的附加的动力。因此船只，特别是赛艇，将能够更快地航行。
通常，桨叶是实心的，以便按压尽可能大面积的水。已经令人惊讶地发现，通过用各种数量和形状的开口的桨叶进行穿孔，桨叶的有效性增加。这意味着对于桨手的一定量的力来说，更多的力可以从桨叶通过水的动作传递到船。
开口可以是圆形的(例如孔)，或者可以是长形的(例如槽形)。替代地，开口可以是任何其它形状。
这似乎是反直觉的，因为显然作用于水的桨叶的面积减小。有关为何对桨叶进行穿孔是更有效的一个可能解释在下面详述。
当正常的桨叶移动通过水时，它会推压其前面的水。因为桨叶试图从后面的水里拉出，该动作会在桨叶的后表面上产生阻力。该阻力需要能量来克服它；桨手使用桨叶不仅推动桨叶前面的水而且拉动桨叶后面的水。
可能的是，通过对桨叶进行穿孔，降低桨叶的后部的阻力，因为水可以通过开口。该水可以降低桨叶后面的回流并增加桨叶的前部和后部之间的压力差。此外，在桨叶后面产生涡流，通过开口的水可能有助于降低这些涡流的大小，因此降低了在形成涡流中浪费的能量。
并且，该水通过开口不会大大减小由桨叶施加的力，因为引导水通过开口的动作需要施加附加的力。有效地，必须花费附加的力来迫使水通过开口并克服水在开口侧上的阻力。同时该附加的力补偿了桨叶的实际实心面积的损失，这也大大补偿了由克服桨叶后部的阻力所需的力的减小。
人们普遍认为，桨通过杠杆作用而作用于水中的某点：拉动桨通过水就越使劲，则推进船产生的杠杆作用越大。实际上这不是全面的情况；桨并不是仅像杠杆那样拉压船外的某固定点来操作，而是更加复杂。在每个“冲程(stroke)”期间，桨都扫过一个圆弧，水上的力中有一些被引导离开船或朝向船，该力的仅一部分被有用地用于推进船。在理想的冲程中，当桨在与船的中心线成70度和110度之间时，产生最大有用力。
在理想化的冲程中，推进分量在90度点处增长到最大值，然后下降。对于整个冲程，桨手必须克服桨的后部的负力(吸力)。这在图5中示意性地示出。
然而，应当注意的是，在实际的船中，当桨与船的中心线成90度角时，不一定产生最大动力。动力分布可以由许多因素改变，包括但不限于，船和水之间的相对运动，水中的湍流和其它流体力学现象，以及划手技术。
根据本发明，提供了一种船只的桨，所述桨包括桨叶和轴杆，所述桨叶具有正面和背面，并且所述轴杆具有纵向轴线；其中，所述桨叶包括多个狭缝形开口，所述多个狭缝形开口大体上垂直于所述轴杆的所述纵向轴线定向并从所述正面通到所述背面。狭缝形开口可以影响桨叶周围的流动，使得桨叶更有效，并因此可以在使船移动中产生比没有狭缝的桨叶更有用的功。
根据本发明的另一方面，提供了一种船只的桨，所述桨包括桨叶和轴杆，所述桨叶具有正面和背面，并且所述轴杆具有纵向轴线；其中，所述桨叶包括多个开口，所述多个开口从所述正面通到所述背面；以及每个开口的最小横向尺寸为5mm或更小。
根据本发明的另一方面，提供了一种通过设置从桨叶的正面通到桨叶的背面的多个开口来提高包括桨叶的桨的效率的方法。这意味着更大量的有用功可以从桨手传送到船，对于来自桨手的给定输入的功使得船移动更快。
开口的尺寸被设计成与在进行划船的典型条件(例如环境温度、压力、流速)中的水边界层的尺寸不相上下或者小于水边界层的尺寸。这意味着开口可以由流经其的流体的边界层的相互作用有效“阻挡”。可选地，每个开口可以是圆孔。可选地，每个开口可以是狭缝形。可选地，每个开口可以是方孔。每个开口也可以是任何其它合适形状，例如另一种类型的四边形、弯曲形状或形状的任何组合。合适形状的其它示例是椭圆形、星形或“饼干模子(cookiecutter)”(即，通常为圆形但具有锯齿形边缘)形状。
现在将提及可应用于本发明的任何上述方面的各种可选或优选特征。开口的“深度”是指桨叶厚度的方向(即桨叶从正面通到背面)。开口的“宽度”和“长度”是在与桨叶的正面和背面的表面相同的平面中的方向。
优选地，多个开口沿桨叶在与所述纵向轴线平行的方向上均匀地间隔开。替代地，所述开口也可以具有可变间距。例如，所述狭缝形开口的间距可以变化，使得所述狭缝形开口越远离所述轴杆而越靠近在一起。
优选地，所述多个狭缝形开口间隔开，使得每个开口之间的距离大于每个狭缝的宽度。替代地，每个开口之间的距离可以等于每个开口的宽度，或者小于每个开口的宽度。
优选地，每个开口的宽度为0.1mm-10mm。
优选地，每个开口的宽度为0.3mm-3mm。
优选地，每个开口的宽度为0.4至1.4mm，更优选为大体为0.5mm或1mm。每个开口的宽度可以是任何其它合适尺寸，例如0.1mm-1mm、0.2mm-2mm、或0.5mm-1.5mm。
优选地，所述多个开口的总面积大于所述正面或背面的总面积的0.2％且小于所述正面或背面的总面积的10％。总面积也可以在所述正面或所述背而的总面积的0.1％和20％之间。
优选地，所述桨叶包括10个或更多个开口。所述桨叶还可以包括5个或更多个、15个或更多个、20个或更多个、或30个或更多个开口。
可选地，所述开口的横截面通过所述桨叶的厚度而改变。每个开口可以在大体上垂直于所述正面和所述背面中的至少一个的表面的方向上从所述正面通到所述背面。替代地，每个开口可以以与所述正面和所述背面中的至少一个成30度和60度之间的角度、且优选以45度的角度从所述正面通到所述背面。
优选地，每个开口的长度与每个开口的宽度的比率至少为100:1，更优选至少为400:1。每个开口的长度与每个开口的宽度的比率也可以至少为200:1、300:1或500:1。这些比率适用于狭缝形开口。这种比率可能不适合于方孔形和圆孔形开口。
优选地，每个狭缝形开口的长度为所述桨叶的宽度的至少50％。每个开口的长度也可以是所述桨叶的宽度的至少25％、至少40％、至少60％或至少80％。
现在将仅参考以下附图通过示例来描述本发明：
图1是根据本发明的包括多个狭缝形开口的船的桨的平面图。
图2是包括多个圆孔状开口的船的桨的平面图。
图3是包括多个方孔状开口的船的桨的平面图。
图4是包括多个狭缝形开口的船的桨的平面图。
图5是示出在理想化的划桨冲程期间产生的动力的图。
图6a示意性地示出了具有开口的桨叶，其中，所述开口垂直通过所述桨叶的厚度。
图6b示意性地示出了具有开口的桨叶，其中，所述开口成45度角通过所述桨叶的厚度。
现在将参照图1-图6b描述船的桨。桨10可以包括轴杆20和桨叶30。桨叶可以具有正面和背面。正面是当划船时桨叶的推压水的一面。在传统的划船中，划手相对于船的运动方向面向后方，这意味着桨叶30的正面也相对于船的运动方向面向后方。
轴杆可以具有圆形横截面，并且可以是圆柱形、楔形或锥形。然而，轴杆的形状不限于具有圆形横截面并且可以采取任何合适形状。
桨叶的形状可以是椭圆形，如图1-4所示。然而，用于桨叶的许多其它合适形状在本领域中是众所周知的，例如“macon”(勺子)或“cleaver(劈刀)”形状。桨叶还可以具有任何其它合适形状，例如矩形、方形、三角形或圆形。
桨叶30可以包括多个狭缝形开口40，所述多个狭缝形开口40从桨叶的正面通到背面。换句话说，可以在桨叶中切割狭缝。如图1所示，狭缝形开口40可以具有矩形形状。这提供了由桨叶的外边缘提供强度的梳状结构。
狭缝形开口40的宽度(即在平行于桨叶的纵向轴线的方向上)可以在0.1mm和50mm之间，优选在0.2mm和10mm之间，更优选在0.3mm和5mm之间，最优选为0.5mm或1mm。然而，狭缝形开口的尺寸不受限制，并且它们的形状不一定是矩形。狭缝形开口可以具有弯曲边缘，或者具有任何其它合适形状。
cfd研究已经使用尺寸为25cm×50cm的桨叶的3d动态模型对如上所述的具有狭缝形开口的桨叶的性能进行了建模。这些尺寸被选择为类似于典型的划船桨叶的尺寸。模型桨叶具有宽度为1mm的33个狭缝形开口。这些研究表明，与实心桨叶相比，具有狭缝形开口的桨叶可以获得高达10％的力的增加。使用cfd的进一步研究表明，宽度为0.5mm的狭缝形开口由1cm或1.5cm宽的桨叶材料的“指形件”分开，也给出有利的结果。
在图1所示的实施例中，开口是狭缝形。然而，开口不限于狭缝形，并且可以以任何其它合适形状形成。例如，图2示出了具有圆形开口40的桨叶。替代地，狭缝形开口可以沿狭缝的线分成多个较短开口，呈现“点线”或“虚线”的外观。这种布置可以被认为是具有小中断的长狭缝，或者被视为一些排列成类似于狭缝的小开口。
开口可以是分布在桨叶区域上的任何形状、尺寸或图案。例如，开口可以平行于轴杆的纵向轴线延伸，或者以在与轴杆的纵向轴线成0度(平行)和90度之间的角度延伸。开口也可以布置成使得它们从桨叶上的某点(例如桨叶的一端)“扇出”。开口也可以是任何其它合适形状，例如另一种类型的四边形、弯曲形状或形状的任何组合。合适形状的其它示例是椭圆形、星形或“饼干模子”(即，通常为圆形但具有锯齿形边缘)形状或其组合。
替代地，如图3所示，桨叶的实心件可以布置成实现具有方形孔40的网格，并且可以在网格内使用各种图案和间距以获得最佳效果。
开口在沿其长度或深度的其横截面中无需均匀，并且可以例如在桨叶的一个表面上比另一个更宽。例如，圆孔可以是锥形，或者狭缝形开口可以具有楔形形状。
开口也可以不直接通过桨叶，而可以可以采取间接途径通过桨叶。例如，不是垂直于桨叶的表面(如图6a所示)从正面到背而通过桨叶(即，通过桨叶的厚度)，开口40可以成角度通过，如图6b所示。cfd研究已经表明，如图6b所示，成45度角的开口可以提供比垂直于桨叶的表面通过桨叶的开口具有更高的驱动力。其它角度，例如在30度和60度之间，也可以是合适的。并且，开口不必以恒定的角度通过桨叶。相反，它们可以通过桨叶的厚度中途改变角度。例如，开口可以通过桨叶的厚度形成“之字形”形状或任何其它形状。
桨叶本身可以以其它方式构造成常规桨叶。例如，其横截面可以较厚，使得开口可以更深。
开口之间的实心区域可以具有任何形状和间距，例如可以是椭圆形、圆形或矩形横截面。可以是形状的混合，开口之间的实心区域在其深度上具有不同形状。例如，它们也可以在其深度上成流线形，使得实心区域本身被设计成通过消除由非流线形形状生成的负压来降低其背部端的阻力，同时在相邻的实心部分和水之间产生有用的阻力。
桨叶可以包括一层或多层这样的开口，使得已经通过一个穿孔表面的水必须通过更多这样的穿孔表面。这种复杂的水流可以在增加施加到水的力的同时产生对水的更有用的阻力。
开口的尺寸和间距是重要的考虑因素。在cfd模拟中，已经发现，如果开口窄，则可以施加到水的力增大。这可能是因为开口增大了桨叶的有效宽度。术语“窄”是指在开口侧的边界层相互作用、产生对水流的阻力并有效地作为实心区域的宽度。特别是在开口小或开口是窄狭缝的情况下。
力增加的一个可能解释是水在开口的内表面上的摩擦以及通过开口转移的水的力产生阻力并因此产生对桨叶的附加力。该阻力可以补偿开口区域中的实心桨叶材料的缺乏。在这种情况下，因为桨叶的有效尺寸更大，桨手可以在水上施加更多的力。
一旦开口足够大，使得开口侧面的边界层不相互作用，则桨叶上的力最终可能下降到作用在开口之间作用在桨叶的各个元件上的组合力的力。然而，已经观察到，需要施加到桨上的力的下降比桨叶上的作用力的下降快得多。这可能是由于水流经桨叶而使桨叶背部的吸力减少。在这种情况下，桨手可以获得比桨叶是实心的情况下更有用的推进力，并且即使桨叶具有边界层相互作用的开口也是如此。
在桨叶中提供附加的开口可能会导致宽度增加，如果采取极端的方式，则该宽度增加可能使得桨叶难以管理。优选地，桨叶应当保持与常规桨叶类似的整体尺寸。这可以实现，因为对于由桨手给出的相同力，具有开口的桨叶，相对于因开口引起的一定的宽度增加，比没有开口的相同的宽度增加，产生施加给水的不成比例的更大的力。
类似地，对于由桨手给出的一定力，具有开口的桨叶与标准的桨叶尺寸相比不增加宽度，或者甚至以较小的桨叶宽度，可以产生施加给水的更大的有用力。
采取极端的方式，可以通过比较薄的桨叶产生施加给水的力，所述比较薄的桨叶包括宽度大于其厚度的多个元件。这些元件可以被定向成使得它们的薄边缘朝向桨扫过的方向。然后，可以通过水在元件表面上的摩擦来产生施加给水的力。在这种情况下吸力很小。这些元件可以进一步简化。使用该布置的桨叶的示例在图3中示出。
重要的是，桨叶应该是坚固的，以便在桨叶在比赛期间与硬质物体例如竞争对手的船的桨叶接触的情况下降低损坏的风险。为此，优选的是，桨叶的周边应该是实心的，以提供抵抗这种冲击的强度。然而，边缘能够打开(如图4所示)。
在30米长的游泳池内使用小型划艇进行试验。使用如图3所示的具有穿孔桨叶类型的两个原型桨。一名桨手坐在船中并尽力指示划到游泳池的另一端。记录用于到达游泳池端部的冲程数。然后，桨手将桨改为具有相同尺寸但不穿孔的桨并重复练习。再次记录冲程数。然后桨手休息5分钟并使用两种不同的设计重复练习六次。
记录的以下数据表示穿孔桨叶比实心桨叶更有效。
以上描述涉及船的桨或船桨。还应该指出的是，潜水员使用的鳍片等其他形式的海上推进器与桨的操作方式大致相同，本专利申请的原理同样适用于它们的改进。