Vì sao thuyền buồm có thể chạy ngược gió?

Về nguyên lý thì 1 lực tác dụng vào 1 vật sẽ được phân tích ra thành 2 lực, 1 lực vuông góc với bề mặt chịu tác dụng và 1 lực song song với bề mặt đó. Hợp lực lại chính là lực tác dụng lên vật. (Cái này hay gặp nhất là phân tích lực tác dụng lên 1 vật trên mặt phẳng nghiêng ở vật lý phổ thông)

Tương tự, ở thuyền buồm, gió cũng tác động 1 lực lên cánh buồm khi cánh buồm tạo thành 1 góc với phương gió thổi. Lực này sẽ chia làm 2 lực, 1 tác động lên buồm (vuông góc với buồm) đẩy buồm đi, lực kia song song với buồm khiến gió trượt ra khỏi buồm (vì ma sát giữa gió và buồm ko đáng kể nên cánh buồm sẽ ko bị kéo theo theo hướng này. Kết quả cánh buồm sẽ truyền 1 lực cho thuyền (qua cột buồm) theo hướng vuông góc với cánh buồm.

Ở thuyền chạy ngược gió. Các thủy thủ sẽ hướng sao cho cánh buồm tạo thành 1 góc nhỏ. Lúc này gió sẽ tạo ra 1 lực vuông góc với cánh buồm như trên, đẩy thuyền đi theo hướng vuông góc với mặt buồm.

Nhưng ở thuyền ngược gió, thân thuyền được chế tạo để nó ngập sâu dưới nước, thậm chí có 1 cái vây lớn ở dưới bụng thuyền (như 1 bánh lái, nếu mình nhớ ko nhầm).

Bây giờ lực từ gió sẽ chuyển thành lực thuyền tác dụng vào nước. Cũng theo cách phân tích lực như trên, lực vuông góc với mặt buồm sẽ bị phân tích thành 2 lực. Thủy thủ sẽ hướng buồm và thuyền sao cho 1 lực song song với hướng thuyền, lực kia vuông góc với thân thuyền.

Vì thân thuyền là sâu và lớn như trên, lực vuông góc với thân thuyền đó sẽ tác dụng lên nước, theo Định luật 3 Newton, nước sẽ tạo 1 phản lực để cân bằng (hay nói cách khác, nước cản ko cho thuyền di chuyển theo hướng này), chỉ còn lại lực song song với thân thuyền, vì mũi thuyền nhỏ, ít sức cản nên từ đó thuyền có thể tiến lên.

Hướng di chuyển này khá nhỏ so với đường vuông góc với hướng gió, đòi hỏi hành trình phải đi nhiều cái zic-zag, tổng hành trình khá dài so với đường chim bay. Nhưng thời xưa khi chưa có động cơ thì thuyền ngược gió vẫn là thứ tối ưu hơn việc chèo tay.