Курсы относительно ветра. Современные яхты и парусные лодки в большинстве случаев оснащаются косыми парусами. Отличительной их особенностью является то, что основная часть паруса или весь он располагается позади мачты или штага. Благодаря тому, что передняя кромка паруса туго натянута вдоль мачты (или сама по себе), парус обтекается потоком воздуха без заполаскивания при его расположении под довольно острым углом к ветру. Благодаря этому (и при соответствующих обводах корпуса) судно приобретает способность двигаться под острым углом к направлению ветра.

На рис. 190 представлено положение парусника при различных курсах по отношению к ветру. Прямо против ветра обычный парусник идти не может - парус в этом случае не создает силы тяги, способной преодолеть сопротивление воды и воздуха. Лучшие гоночные яхты в средний ветер могут идти в бейдевинд под углом 35-40° к направлению ветра; обычно же этот угол не меньше 45°. Поэтому к цели, расположенной прямо против ветра, парусник вынужден добираться в лавировку - попеременно правым и левым галсом. Угол между курсами судна на том и другом галсе называется лавировочным углом , а положение судна носом прямо против ветра - левентиком . Способность судна лавировать и с максимальной скоростью продвигаться в направлении прямо против ветра является одним из основных качеств парусника.

Курсы от крутого бейдевинда до галфвинда, когда ветер дует под 90° к ДП судна, называются острыми ; от галфвинда до фордевинда (ветер дует прямо в корму) - полными . Различают крутой (курс относительно ветра 90-135°) и полный (135-180°) бакштаги, так же как и бейдевинд (соответственно 40-60° и 60-80° к ветру).

Рис. 190. Курсы парусного судна относительно ветра.

1 - крутой бейдевинд; 2 - полный бейдевинд; 3 - галфвинд; 4 - бакштаг; 5 - фордевинд; 6 - левентик.

Вымпельный ветер. Поток воздуха, который обтекает паруса яхты, не совпадает с направлением истинного ветра (относительно суши). Если судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха, скорость которого равна скорости судна. При наличии ветра его направление относительно судна за счет встречного потока воздуха отклоняется определенным образом; изменяется и величина скорости. Таким образом, на паруса попадает суммарный поток, называемый вымпельным ветром . Направление и скорость его можно получить, сложив векторы истинного ветра и встречного потока (рис. 191).

Рис. 191. Вымпельный ветер на различных курсах яхты относительно ветра.

1 - бейдевинд; 2 - галфвинд; 3 - бакштаг; 4 - фордевинд.

v - скорость движения яхты; v и - истинная скорость ветра; v в - скорость вымпельного ветра.

Очевидно, что на курсе бейдевинд скорость вымпельного ветра имеет наибольшую величину, а на фордевинде - наименьшую, так как в последнем случае скорости обоих потоков направлены в прямо противоположные стороны.

Паруса на яхте всегда устанавливают, ориентируясь по направлению вымпельного ветра. Заметим, что скорость яхты растет не в прямой пропорциональности от скорости ветра, а гораздо медленнее. Поэтому при усилении ветра угол между направлением истинного и вымпельного ветра уменьшается, а в слабый ветер скорость и направление вымпельного ветра более заметно отличается от истинного.

Поскольку силы, действующие на парус как на крыло, растут пропорционально квадрату скорости обтекающего потока, у парусников с минимальным сопротивлением движению возможно явление «саморазгона», при котором их скорость превышает скорость ветра. К таким типам парусников относятся ледовые яхты - буера, яхты на подводных крыльях, колесные (пляжные) яхты и проа - узкие однокорпусные суда с поплавком-аутригером. На некоторых из этих типов судов зафиксированы скорости, втрое превышающие скорость ветра. Так, наш национальный рекорд скорости на буере равен 140 км/ч, а установлен он при ветре, скорость которого не превышала 50 км/ч. Попутно отметим, что абсолютный рекорд скорости под парусом на воде существенно ниже: он установлен в 1981 г. на специально построенном двухмачтовом катамаране «Кроссбау-II» и равен 67,3 км/ч.

Обычные парусные суда, если они не рассчитаны на глиссирование, в редких случаях превышают предел скорости водоизмещающего плавания, равный v = 5,6 √L км/ч (см. главу I).

Силы, действующие на парусное судно. Существует принципиальное различие между системой внешних сил, действующих на парусное судно, и судно, приводимое в движение механическим двигателем. На моторном судне упор движителя - гребного винта или водомета - и сила сопротивления воды его движению действуют в подводной части, располагаясь в диаметральной плоскости и на незначительном расстоянии друг от друга по вертикали.

На паруснике движущая сила приложена высоко над поверхностью воды и, следовательно, над линией действия силы сопротивления. Если судно движется под углом к направлению ветра - в бейдевинд, то его паруса работают по принципу аэродинамического крыла, рассмотренному в главе II. При обтекании паруса потоком воздуха на его подветренной (выпуклой) стороне создается разрежение, на наветренной - повышенное давление. Сумму этих давлений можно привести к результирующей аэродинамической силе A (см. рис. 192), направленной примерно перпендикулярно хорде профиля паруса и приложенной в центре парусности (ЦП) высоко над поверхностью воды.

Рис. 192. Силы, действующие на корпус и паруса.

Согласно третьему закону механики, при установившемся движении тела по прямой каждой силе, приложенной к телу (в данном случае - к парусам, связанным с корпусом яхты через мачту, стоячий такелаж и шкоты), должна противодействовать равная ей по величине и противоположно направленная сила. На паруснике этой силой является результирующая гидродинамическая сила H , приложенная к подводной части корпуса (рис. 192). Таким образом, между силами A и H существует известное расстояние - плечо, вследствие чего образуется момент пары сил, стремящийся привести во вращение судно относительно оси, определенным образом ориентированной в пространстве.

Для упрощения явлений, возникающих при движении парусных судов, гидро- и аэродинамическую силы и их моменты раскладывают на составляющие, параллельные главным координатным осям. Руководствуясь третьим законом Ньютона, можно выписать попарно все составляющие этих сил и моментов:

Для того чтобы судно устойчиво шло по курсу, каждая пара сил и каждая пара моментов должны быть равны друг другу. Например, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу R д создают кренящий момент M кр, который должен быть уравновешен восстанавливающим моментом M в или моментом поперечной остойчивости. Этот момент образуется благодаря действию сил массы P и плавучести судна γ·V , действующих на плече l . Эти же силы образуют момент сопротивления дифференту или момент продольной остойчивости M l , равный по величине и противодействующий дифферентующему моменту M д. Слагаемыми последнего являются моменты пар сил T - R и A v - H v .

Таким образом, движение парусного судна косым курсом к ветру сопряжено с креном и дифферентом, а боковая сила D , кроме крена, вызывает еще и дрейф - боковой снос, поэтому любое парусное судно движется не строго в направлении ДП, как судно с механическим двигателем, а с небольшим углом дрейфа β. Корпус парусника, его киль и руль становятся подводным крылом, на которое набегает встречный поток воды под углом атаки, равным углу дрейфа. Именно это обстоятельство обусловливает образование на киле яхты силы сопротивления дрейфу R д, которая является компонентом подъемной силы.

Устойчивость движения и центровка парусного судна. Вследствие крена сила тяги парусов T и сила сопротивления R оказываются действующими в разных вертикальных плоскостях. Они образуют пару сил, приводящих судно к ветру - сбивающих с прямолинейного курса, которым оно следует. Этому препятствуют момент второй пары сил - кренящей D и силы сопротивления дрейфу R д, а также небольшая по величине сила N на руле, которую необходимо прикладывать для того, чтобы корректировать движение яхты по курсу.

Очевидно, что реакция судна на действие всех этих сил зависит как от их величины, так и от соотношения плеч a и b , на которые они действуют. При увеличении крена плечо приводящей пары b также увеличивается, а величина плеча уваливающей пары a зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП - точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам) и центра бокового сопротивления (ЦБС - точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты).

Точное определение положения этих точек является довольно сложной задачей, особенно если учесть, что оно изменяется в зависимости от многих факторов: курса судна относительно ветра, покроя и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.

При проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которые представляют собой паруса, поставленные в ДП, и очертания подводной части ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 193). Центр тяжести треугольного паруса, например, находится на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов располагается на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Если парус имеет четырехугольную форму, то его площадь делят диагональю на два треугольника и получают ЦП как общий центр этих треугольников.

Рис. 193. Определение условного центра парусности яхты.

Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки шаблон подводного профиля ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон расположится горизонтально, игла будет находиться в точке условного ЦБС. Однако этот способ более или менее применим для судов с большой площадью подводной части ДП - для яхт традиционного типа с длинной килевой линией, судовых шлюпок и т. п. На современных яхтах, обводы которых проектируются на основе теории крыла, основную роль в создании силы сопротивления дрейфу играют плавниковый киль и руль, устанавливаемый обычно отдельно от киля. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно. Например, для профилей с относительной толщиной δ/b около 8 % эта точка находится на расстоянии около 26 % хорды b от входящей кромки.

Однако корпус яхты определенным образом влияет на характер обтекания киля и руля, причем это влияние изменяется в зависимости от крена, дифферента и скорости судна. В большинстве случаев на острых курсах к ветру истинный ЦБС перемещается вперед по отношению к центру давления, определенному для киля и руля как для изолированных профилей. Вследствие неопределенности в расчете положения ЦП и ЦБС конструкторы при разработке проекта парусных судов располагают ЦП на некотором расстоянии a - опережении - впереди ЦБС. Величина опережения определяется статистически, из сравнения с хорошо зарекомендовавшими себя яхтами, которые имеют близкие к проекту обводы подводной части, остойчивость и парусное вооружение. Опережение задается обычно в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для судна, оснащенного бермудским шлюпом, 15-18 % L . Чем меньше остойчивость яхты, тем больший крен она получит под действием ветра и тем большее необходимо опережение ЦП перед ЦБС.

Точная корректировка относительного положения ЦП и ЦБС возможна при испытаниях яхты на ходу. Если судно стремится увалиться под ветер, особенно в средний и свежий ветер, то это является большим дефектом центровки. Дело в том, что киль отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, то его профиль работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если же для компенсации тенденции яхты к уваливанию руль приходится перекладывать на ветер, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону - туда же, что и сила дрейфа D на парусах. Следовательно, судно будет иметь повышенный дрейф.

Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на 3-4° в подветренную сторону руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила H , возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме при одновременном уменьшении угла дрейфа. Однако, если для удержания яхты на курсе бейдевинд приходится постоянно перекладывать руль в подветренную сторону на больший чем 2-3° угол, необходимо перенести ЦП вперед или сместить назад ЦБС, что сложнее.

На построенной яхте перенести ЦП вперед можно, наклонив вперед мачту, сместив ее вперед (если позволяет конструкция степса), укоротив грот по нижней шкаторине, увеличив площадь основного стакселя. Для перемещения ЦБС назад требуется установить плавник перед рулем или же увеличить размеры пера руля.

Для устранения тенденции яхты к уваливанию необходимо применить противоположные меры: перенести ЦП назад или сместить вперед ЦБС.

Роль составляющих аэродинамической силы в создании тяги и дрейфа. Современная теория работы косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе II. При обтекании паруса, поставленного под углом атаки α к вымпельному ветру, потоком воздуха, на нем создается аэродинамическая сила A , которую можно представить в виде двух составляющих: подъемной силы Y , направленной перпендикулярно потоку воздуха (вымпельному ветру), и лобового сопротивления X - проекции силы A на направление потока воздуха. Эти силы используются при рассмотрении характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом.

Одновременно силу A можно представить в виде двух других составляющих: силы тяги T , направленной по оси движения яхты, и перпендикулярной ей силы дрейфа D . Напомним, что направление движения парусника (или путь) отличается от его курса на величину угла дрейфа β, однако при дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь.

Если на курсе бейдевинд удается увеличить подъемную силу на парусе до величины Y 1 , а лобовое сопротивление останется неизменным, то силы Y 1 и X , сложенные по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу A 1 (рис. 194, а ). Рассматривая ее новые составляющие T 1 и D 1 , можно заметить, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличиваются и сила тяги и сила дрейфа.

Рис. 194. Роль подъемной силы и лобового сопротивления в создании движущей силы.

При аналогичном построении можно убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в бейдевинд решающую роль в создании тяги парусов играет подъемная сила паруса; лобовое сопротивление должно быть минимальным.

Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер имеет наивысшую скорость, поэтому обе составляющие аэродинамической силы Y и X имеют достаточно большую величину.

На курсе галфвинд (рис. 194, б ) подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление - силой дрейфа. Увеличение лобового сопротивления паруса на величине силы тяги не сказывается: увеличивается только сила дрейфа. Однако поскольку скорость вымпельного ветра на галфвинде снижается по сравнению с бейдевиндом, дрейф на ходовых качествах судна сказывается уже в меньшей степени.

На курсе бакштаг (рис. 194, в ) парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа также увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга увеличивается, а сила дрейфа уменьшается (рис. 194, г ). Следовательно, на курсе бакштаг увеличение и подъемной силы и (или) лобового сопротивления повышают тягу.

При курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения судна и является силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения тяги парусов желательно увеличивать их лобовое сопротивление. На гоночных яхтах это делается путем постановки дополнительных парусов - спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму. Отметим, что на курсе фордевинд на паруса яхты действует вымпельный ветер минимальной скорости, что обусловливает сравнительно умеренные силы на парусах.

Сопротивление дрейфу. Как было показано выше, сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она примерно втрое превышает силу тяги T , движущую судно вперед; на галфвинде обе силы примерно равны; на крутом бакштаге тяга паруса оказывается в 2-3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа отсутствует вообще. Следовательно, для того чтобы парусник успешно продвигался вперед курсами от бейдевинда до галфвинда (под углом 40-90° к ветру), оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.

Функцию создания силы сопротивления дрейфу на современных парусных судах выполняют в основном плавниковые кили или шверты и рули. Механика возникновения подъемной силы на крыле симметричного профиля, каковыми являются кили, шверты и рули, была рассмотрена в главе II (см. стр. 67). Отметим, что величина угла дрейфа современных яхт - угол атаки профиля киля или шверта - редко превышает 5°, поэтому, проектируя киль или шверт, необходимо выбрать его оптимальные размеры, форму и профиль сечения в расчете на получение максимальной подъемной силы при минимальном лобовом сопротивлении именно на малых углах атаки.

Испытания аэродинамических симметричных профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде b ) дают бо́льшую подъемную силу, чем тонкие. Однако на малых скоростях движения такие профили обладают более высоким лобовым сопротивлением. Оптимальные результаты на парусных яхтах можно получить при толщине киля t /b = 0,09÷0,12, так как подъемная сила на таких профилях мало зависит от скорости судна.

Максимальная толщина профиля должна располагаться на расстоянии от 30 до 40 % хорды от передней кромки профиля киля. Хорошими качествами обладает также профиль NACA 664‑0 с максимальной толщиной, расположенной на расстоянии 50 % хорды от носика (рис. 195).

Рис. 195. Профилированный киль-плавник яхты.

Для легких гоночных швертботов, способных выходить на режим глиссирования и развивать высокие скорости, используют шверты и рули с более тонким профилем (t /b = 0,044÷0,05) и геометрическим удлинением (отношением углубления d к средней хорде b ср) до 4.

Удлинение килей современных килевых яхт составляет от 1 до 3, рулей - до 4. Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой, причем угол наклона оказывает определенное влияние на величину подъемной силы и лобового сопротивления киля. При удлинении киля около λ = 0,6 может быть допущен наклон передней кромки до 50°; при λ = 1 - около 20°; при λ > 1,5 оптимальным является киль с вертикальной передней кромкой.

Суммарная площадь киля и руля для эффективного противодействия дрейфу принимается обычно равной от 1 / 25 до 1 / 17 площади основных парусов.

Вымпельный ветер

Попробуем понять за счет, каких сил, и на основании каких принципов происходит движение парусного судна под действием ветра. Рассмотрим только косые паруса, как наиболее часто встречающиеся в настоящее время. Косое парусное вооружение бермудского типа это основное вооружение большинства современных как одномачтовых, так и двухмачтовых судов. Все спортивные и круизные одномачтовые яхты так же вооружаются бермудским шлюпом.

Это вооружение дает максимальные возможности по выбору курса относительно направления ветра и требует существенно меньшего экипажа для управления парусами и не требует такой высокой его выучки как в случае применения прямого парусного вооружения.

Замечательной особенностью косого паруса является его способность создавать тяговое усилие на курсах до 30-40 градусов к направлению ветра.

При этом нужно учитывать, что парусное судно движется относительно вымпельного или кажущегося ветра, а не относительно истинного или метеорологического ветра.

При движении любого объекта в воздушной среде возникает поток набегающего воздуха, скорость которого определяется скоростью движения объекта. Соответственно, даже при полном отсутствии ветра (штиль) наблюдатель, находящийся на судне будет ощущать ветер равный скорости судна - курсовой ветер, который будет по величине равен скорости судна, а по направлению противоположен направлению движения судна. Таким образом, парусное судно, при своем движении испытывает действие двух потоков воздуха:

Действие потока, вызванного наличием истинного ветра;

Действие потока, вызванного движением судна – курсового ветра.

Для определения результирующего потока воздуха, ощущаемого наблюдателем, находящимся на движущемся объекте, необходимо произвести векторное сложение потоков. Результирующий вектор и будет по скорости и направлению, ощущаемым или кажущимся ветром, который называется вымпельным ветром. Этот ветер и будет рассматриваться как ветер, действующий на паруса судна при его движении (рис 1).

Этот ветер является единственным ветром, с которым взаимодействуют паруса, а разложение его на истинный ветер и курсовой является результатом анализа исходных воздушных потоков.

Вымпельный ветер является величиной переменной даже при стабильном по скорости и направлению истинном ветре, так как его скорость и направление зависят от скорости и направления движения судна. Для простоты рассуждений рассмотрим случай, при котором рис. 1.

истинный ветер направлен под прямым углом к направлению движения судна и скорость истинного ветра равна скорости судна (рис. 2). Из рисунка видно, что при движении под углом 90 градусов к истинному ветру судно движется под углом 45 градусов к вымпельному ветру.

истинный В соответствие с изложенным выше, можно

ветер вымпельный ветер утверждать, что два судна, движущиеся од-

ним и тем же курсом, при одних и тех же ветровых

условиях, но с разными скоростями относительно воды будут двигаться под разными углами к вымпельному ветру. Судно, движущееся с более высокой скоростью, будет идти острее к вымпель-ному ветру, сохраняя тот же курсовой угол относительно истинного ветра. При этом, ветро- указатели на то пах мачт этих судов будут находить-

курсовой ветер ся под разными углами к ДП судна, фиксируя направ-

рис. 2 ление вымпельного ветра каждого из судов (рис. 3).

судно 1 судно 2

Из рисунка видно, что судно, идущее с большей скоростью, идет под меньшим углом к вымпельному ветру. Из этого можно сделать вывод о том, что при увеличении скорости движения судна вымпельный ветер заходит (уменьшается угол между направлением движения судна и вымпельным ветром). При дальнейшем увеличении скорости судна (лучше обводы, меньше трение, эффективнее работают паруса, другая конструкция корпуса судна) угол между направлением движения судна и вымпельным ветром станет меньше минимального лавировочного угла (минимального угла между направлением движения судна и вымпельным ветром, при котором сохраняется возможность эффективной работы парусов). После этого судно, имеющее большую скорость, будет вынуждено увалиться (увеличить угол между направлением движения судна и направлением вымпельного ветра) до восстановления минимального лавировочного угла. Этим объясняются разные углы выхода на ветер (угол между направлением истинного ветра и направлением движения судна). При этом, скорость выхода на ветер (скорость сближения с точкой прихода, находящейся на ветре) может быть больше у судна с большим углом выхода на ветер, но и большей скоростью движения. В качестве примера рассмотрим скорость выхода на ветер килевой яхты, спортивного швертбота и катамарана (рис. 4).

Острее к ветру идет килевая яхта, имеющая наименьшую, из этих судов, скорость движения. За ней идет спортивный швертбот и наименее остро к истинному ветру идет спортивный катамаран. Каждое из этих судов идет под одним и тем же углом к вымпельному ветру, но под разными углами к истинному ветру. Но, при этом, самая высокая скорость выхода на ветер будет у спортивного катамарана. Из рассмотрения треугольника скоростей становится понятной возможность приводится к истинному ветру на порывах ветра (кратковременное ускорение ветра). В порыве скорость истинного ветра возрастает, а скорость судна остается, в течение какого-то времени, прежней. Вымпельный ветер отходит и появляется возможность привестись и восстановить лавировочный угол относительно вымпельного ветра (рис. 5)

рис. 4

Килевая яхта

швертбот

Катамаран

Через некоторое время скорость судна возрастет, и оно будет вынуждено увалиться до прежнего курса относительно истинного ветра, сохраняя угол относительно вымпельного ветра. Однако, увеличение скорости судна возможно до достижения скорости, предельной для движения судна в водоизмещающем режиме (скорость судна в водоизмещающем режиме, выраженная в узлах, не может превышать длину судна, выраженную в метрах). Следовательно, при дальнейшем увеличении скорости ветра скорость судна не будет возрастать и курс судна относительно истинного ветра может быть острее.

Очень важным является наличие течений в районе плавания судна, с точки зрения поведения вымпельного ветра. При плавании на течении скорость судна векторно складывается со скоростью течения. В результате меняется абсолютная скорость судна и происходит изменение скорости и направления вымпельного ветра. При движении с попутным течением вымпельный ветер заходит, а при движении со встречным течением отходит. Следовательно, при попутном течении лавировочный угол увеличивается, а при встречном ветре – уменьшается. При этом скорость выхода яхты на ветер сохраняется практически неизменной. При направлении течения по направлению или против направления истинного ветра происходит изменение скорости истинного ветра. При однонаправленных ветре и течении вымпельный ветер заходит, а при разнонаправленных отходит, в силу увеличения скорости истинного ветра. Взаимодействие ветра и течения менят лавировочные углы судна относительно истинного ветра.

Современное навигационное оборудование дает возможность получать информацию не только о направлении и силе вымпельного ветра, но и о силе и направлении истинного ветра, путем пересчета треугольника скоростей (рис. 1). GPS дает информацию о скорости и направлении движения судна, а анеморумбометр о скорости и направлении вымпельного ветра. Путем пересчета треугольника скоростей система получает информацию о скорости и направлении истинного ветра.

Понимание поведения вымпельного ветра является ключевым для планирования маршрута движения судна, при известном направлении и скорости истинного ветра и фактической скорости парусного судна.

Однако для тихоходных судов угол между направлением истинного и вымпельного ветра незначителен и можно, с определенной степенью точности, утверждать, что этот угол находится в пределах 10-20 градусов.

4.4. Действие ветра на парус

Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед. Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1/3-1/4 ширины паруса и имеет величину 8-10% ширины паруса (рис. 44).

Если ветер, имеющий направление В (рис. 45, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с Подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р,направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис. 45, б).

Рис. 44. Профиль паруса:
В - ширина паруса по хорде

Рис. 45. Силы, действующие на парус и корпус шлюпки:
а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки

Рис. 46. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра: а - бейдевинд; б - галфвинд; в - фордевинд

Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше
Если
Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.

Несмотря на то что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т, шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R.

Рис. 47. Вымпельный ветер:
В И - истинный ветер; В Ш - ветер от движения шлюпки; В В - вымпельный ветер

Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливером и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис. 48, а).

Думаю, что многие из нас воспользовались бы шансом погрузиться в морскую бездну на каком-нибудь подводном аппарате, но все же, большинство бы предпочло морское путешествие на паруснике. Когда еще не было ни самолетов, ни поездов были лишь только парусники. Без них мир был, не стал таким.

Парусники с прямыми парусами привезли европейцев в Америку. Их устойчивые палубы и вместительные трюмы доставили людей и припасы для строительства Нового мира. Но и у этих старинных кораблей были свои ограничения. Они шли медленно и практически в одном направлении по ветру. С тех пор многое изменилось. Сегодня используют совсем другие принципы управления силой ветра и волн. Так что если захотите прокатиться на современном , придется подучить физику.

Современный парусный спорт это не просто движение по ветру, это нечто воздействующее на парус, и заставляющее его лететь подобно крылу. И это невидимое «нечто» называется подъемной силой, которую ученые называют боковой силой.

Внимательный наблюдатель не мог не заметить, что не зависимо от того куда дует ветер парусная яхта всегда движется туда, куда нужно капитану - даже когда ветер встречный. В чем же секрет такого удивительного сочетания упрямства и послушания.

Многие даже не догадываются, что парус это крыло, и принцип работы крыла и паруса один. В его основе лежит подъемная сила, только если подъемная сила крыла летательного аппарата, используя встречный ветер, толкает самолет вверх, то вертикально расположенный парус направляет парусник вперед. Чтобы объяснить это с научной точки зрения необходимо вернуться к истокам - как работает парус.

Посмотрите, на смоделированный процесс, который показывает, как воздух действует на плоскость паруса. Здесь можно видеть, что потоки воздуха под моделью, имеющие больший изгиб, изгибаются, чтобы обойти ее. При этом потоку приходиться немного ускориться. В результате возникает область низкого давления - это и генерирует подъемную силу. Низкое давление на нижней стороне тянет парус к низу.

Другими словами область с высоким давлением пытается передвинуться к области низкого давления, оказывая давления на парус. Возникает разница давлений, что порождает подъемную силу. Благодаря форме паруса, с внутренней наветренной стороны, скорость ветра меньше, чем с подветренной стороны. На внешней стороне образуется разрежение. В парус в буквальном смысле всасывается воздух, который и толкает парусную яхту вперед.

На самом деле этот принцип довольно прост для понимания, достаточно присмотреться на любое парусное судно. Фокус здесь в том, что парус как бы ни был расположен, передает судну энергию ветра и даже если визуально кажется, что парус должен тормозить яхту, центр приложения сил находится ближе к носу парусника, и сила ветра обеспечивает поступательное движение.

Но это теория, а на практике все чуть по-другому. На самом деле парусная яхта не может идти против ветра - она движется под определенным углом к нему, так называемыми галсами.

Парусник движется за счет баланса сил. Паруса действуют как крылья. Большая часть производимой ими подъемной силы направлено в сторону, и лишь небольшое количество вперед. Впрочем, секрет в этом чудесном явление в так называемом «невидимом» парусе, который находится под днищем яхты. Это киль или на морском языке - шверт. Подъемная сила шверта также производит подъемную силу, которая тоже направлена в основном в бок. Киль противостоит крену и противоположной силе действующей на парус.

Кроме подъемной силы возникает еще и крен - вредное для движения вперед и опасное для экипажа судна явление. Но для того на яхте и существует команда, чтобы служить живым противовесом неумолимым физическим законам.

В современном паруснике и киль, и парус совместными усилиями направляют парусник вперед. Но как подтвердит любой начинающий моряк на практике все намного сложнее, чем в теории. Опытный моряк знает, что малейшие изменения изгиба паруса дают возможность получить больше подъемной силы и контролировать ее направление. Изменяя изгиб паруса, умелый моряк управляет размером и расположением области, производящей подъемную силу. С помощью глубокого изгиба направленного вперед можно создать большую зону давления, но если изгиб слишком велик или передняя кромка слишком крутая молекулы воздуха, обтекающие перестанут следовать его изгибу. Другими словами, если у предмета острые углы частицы потока не смогут совершить поворот - слишком силен импульс движения, это явление получило название «отделившийся поток». Результат этого эффекта - парус «заполощет», потеряв ветер.

А вот еще несколько практических советов использования ветровой энергии. Оптимальный курс выхода на ветер (гоночный бейдевинд). Моряки называют его «ход против ветра». Вымпельный ветер, имеющий скорость 17 узлов, ощутимо быстрее истинного ветра, создающего волновую систему. Разница их направлений составляет 12°. Курс к вымпельному ветру - 33°, к истинному ветру - 45°.

Секция: физика

Тема: «Физика движения парусной яхты»

Руководитель: Бухольцева О.В., учитель физики

МОУ СОШ №11, г.Северобайкальск

Северобайкальск

Мы хотим уделить внимание актуальности обучения новичков: 2

Новизна 3

Яхты Северобайкальска 3

Физика 4

Закон Бернулли 4

Курс фордевинд 5

Курс галфвинд 6

Расположение веса и взаимодействие вода-корпус 7

Продольное распределение веса. Острые курсы 8

Продольное распределение веса. Полные курсы 8

Поперечное распределение веса при попутном ветре 9

Поперечное распределение веса при попутном ветре и волне 9

Заключение 11

Мы хотим уделить внимание актуальности обучения новичков:

Чтобы достичь цели, нам нужно решить следующие задачи :

1. 
   Рассмотреть виды яхт, которые доступны в Северобайкальске.
2. 
   Изучить природу движения яхты.
3. 
   Оспорить точку зрения новичков в том, что попутный ветер – самое главное.
4. 
   Изучить, как расположение веса влияет на скорость яхты.
5. 
   Рассмотреть влияние физических характеристик воды на скорость яхты.

1. 
   Сбор и анализ информации.
2. 
   Интервью и опрос.
3. 
   Выполнение расчетов.
4. 
   Составление таблиц.
5. 
   Испытания яхт.

Новизна

Яхты Северобайкальска

http://minitonnik.com.ua/?q=node/126

Физика

Движущая сила ветра

Как парус, так и киль, при взаимодействии с потоком, соответственно, воздуха или воды, создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации их работы можно применить теорию крыла.

Закон Бернулли

Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Остается вопрос: какая часть подъемной силы связана с эффектом Бернулли, а какая является результатом отклонения потока. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку. В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.

Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается.

Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его. Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. В результате – давление с подветренной стороны паруса гораздо ниже, чем с его наветренной стороны.

Курс фордевинд

Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорости. Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра . Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.

Курс галфвинд

.

Расположение веса и взаимодействие вода-корпус

Очевидно, что правильное распределение веса может сыграть решающую роль в определении положения яхты на финише. Решить эту задачу можно при переносе веса в ту или иную точку на яхте.

Главный принцип балансировки яхты состоит в том, чтобы найти равновесие сил, действующих на корпус, и поддерживать положение корпуса в состоянии, которое обеспечит максимальную скорость при тех или иных погодных условиях.

Продольное распределение веса. Острые курсы

1. 
   Легкий ветер

Обычная проблема при слабом ветре – это уменьшение тенденции яхты приводиться. Из-за этого становится трудно отслеживать изменения подъемной силы и идти максимально остро к ветру. При легком ветре положение парусов и такелажа уменьшает тенденцию приводиться и оставляет яхтсменов без ощущений, которыми они привыкли. Классическим решением этой проблемы будет накренить яхту в подветренную сторону, чтобы изменить форму подводной части и усилить тенденцию приводиться. К сожалению, для большинства корпусов этот шаг увеличивает площадь смачиваемой поверхности корпуса, а также увеличивает сопротивление кормы и, соответственно, уменьшает скорость яхты. Если вместо этого перенести вес вперед и пригрузить нос, центр бокового сопротивления сместится вперед, тенденция приводиться увеличится, а площадь смоченной поверхности останется в прежних значениях. Очевидно, что, используя крен для поворота в наветренную сторону, рулевой просто увеличивает сопротивление корпуса.

1. 
   Свежий ветер

Продольное распределение веса. Полные курсы

1. 
   Легкий ветер

Длина ватерлинии является одним из важнейших параметров, определяющим скорость водоизмещающих корпусов. В результате углубления носа может приподняться корма, а это резко уменьшит длину ватерлинии. (При слабом ветре длина ватерлинии менее важна, чем площадь смоченной поверхности). Если вы сидите удобно, скорее всего, вы недостаточно сместились вперед. Посмотрите на воду за кормой: если увидите завихрения потока, смещайтесь вперед.

1. 
   Ветер средней силы

Если принимать во внимание эффект, который создают волны, перемещение вперед-назад может существенно помочь удержать режим глиссирования.

1. 
   Сильный ветер

Поперечное распределение веса при попутном ветре

1. 
   Слабый ветер

Если сила ветра достаточна, на повороте фордевинд можно выполнить следующий трюк.

Сместитесь вперед насколько это возможно и накрените лодку на несколько градусов на ветер, рулем удерживая яхту на нужном курсе. Сначала вы почувствуете небольшую тягу руля, но как только шверт начнет генерировать подъемную силу, давление уменьшится, руль станет легким, нейтральным, и установится в нужном направлении. Такой поворот очень эффективен еще и потому, что позволяет набрать дополнительную высоту по ветру. Но будьте осторожны: если во время такого маневра появится волна, которая погасит скорость, эффект может оказаться катастрофическим.

1. 
   Средний ветер

На современных яхтах существует множество приемов, с помощью которых можно уменьшить тенденцию приводиться. Но если сделать так, чтобы яхта кренилась в наветренную сторону, проблема исчезнет.

Поперечное распределение веса при попутном ветре и волне

При движении полными курсами при сильном волнении форма корпуса должна быть использована для облегчения управления яхтой. Для того, чтобы оседлать попутную волну и предотвратить чрезмерный крен, необходимо резко двигать рулем, а это уменьшает шансы на успех.

Уваливание

Если рассмотреть силы, действующие на лодку, становится понятным, почему при уваливании нос лодки уходит в воду. Крен создает подъемную силу на руле, в результате которой нос притапливается, и усложняет уваливание. Чтобы компенсировать это, необходимо растравить гика-шкот, и нос начнет смещаться под ветер. Тонкую коррекцию курса можно сделать рулем. Во время поворота вес команды лучше сместить назад; в результате этого нос приподнимется, и это поможет ветру развернуть его в нужном направлении.

Поворот оверштаг

По опыту управления малыми швертботами я знаю, что в процессе поворота скорость может резко снизиться. Одной из причин этого является перемещение рулевого в кокпите. Ныряя под гик во время поворота, рулевой смещается назад, притапливает корму, и она начинает работать как неплохой тормоз. Исправить ситуацию можно, если обходить погон лицом назад. При этом центр тяжести смещается не так далеко назад, ведь «пятая точка опоры» тяжелее головы! Это эффективный маневр, но будьте осторожны, уклоняясь от гика, не сгибайтесь слишком сильно – одно движение ногой, и эффект от ваших действий исчез. (При подготовке текста эта рекомендация вызвала серьезное сомнение. Ведь при пересадке лицом назад, рулевой теряет ориентацию, контроль над происходящим вокруг. Предлагаем читателям, принять самостоятельное решение о том, какой способ лучше. – Прим. переводчиков.)

Итак, как распределяем вес:

Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.

Заключение