Движението на ветроходен кораб срещу вятъра. Как платноходките успяват да плават срещу вятъра? Истински и вимпел вятър в яхтинга

Продължаваме поредица от публикации, подготвени от интерактивния научно-популярен блог „Ще обясня за две минути“. Блогът говори за прости и сложни неща, които ни заобикалят всеки ден и не повдигат никакви въпроси точно докато не мислим за тях. Например, там можете да научите как космическите кораби не пропускат и не се сблъскват с МКС, когато са скачени.

1. Невъзможно е да се плава строго срещу вятъра под платното. Въпреки това, ако вятърът духа отпред, но леко под ъгъл, яхтата може да се движи. В такива случаи се казва, че корабът е на остър курс.

2. Тягата на платното идва от два фактора. Първо, вятърът просто натиска платната. Второ, наклонените платна, инсталирани на повечето съвременни яхти, когато текат с въздух, работят като крило на самолет и създават "лифт", само че е насочен не нагоре, а напред. Поради аеродинамиката въздухът от изпъкналата страна на платното се движи по-бързо, отколкото от вдлъбнатата страна, а налягането от външната страна на платното е по-малко, отколкото от вътрешната.

3. Общата сила, генерирана от платното, е перпендикулярна на платното. Съгласно правилото за добавяне на вектора е възможно да се разграничат силата на дрейф (червена стрелка) и силата на тласък (зелена стрелка) в него.

4. При остри курсове силата на дрейф е голяма, но се противопоставя на формата на корпуса, кила и кормилото: яхтата не може да тръгне настрани поради съпротивлението на водата. От друга страна, той лесно се плъзга напред дори при ниско сцепление.

5. За да върви стриктно срещу вятъра, яхтата маневрира: обръща се към вятъра с едната или другата страна, като се движи напред на сегменти - халси. Колко дълъг трябва да бъде халсът и под какъв ъгъл към вятъра да върви са важни въпроси на тактиката на шкипера.

6. Има пет основни курса на плавателния съд спрямо вятъра. Благодарение на Петър I холандската морска терминология се вкоренява в Русия.

7. Левентски- вятърът духа директно в носа на кораба. Не можете да плавате по такъв курс под платно, но завоят към вятъра се използва за спиране на яхтата.

8. Beidewind- много остър курс. Когато плавате настрани, вятърът ви духа в лицето, така че изглежда, че яхтата развива много висока скорост. Всъщност това чувство е измамно.

9. Gulfwind- вятърът духа перпендикулярно на посоката на движение.

10. Backstag- вятърът духа от кърмата и отстрани. Това е най-бързият курс. Бързите състезателни лодки, движещи се с гръб, могат да се ускоряват до скорости, надвишаващи скоростта на вятъра, поради повдигащата сила на платното.

11. Fordewind- същият попътен вятър, който духа от кърмата. Противно на очакванията, не най-бързият курс: повдигането на платното не се използва тук, а теоретичното ограничение на скоростта не надвишава скоростта на вятъра. Опитен капитан е в състояние да предвиди невидими въздушни течения по същия начин, по който пилотът на самолет може да предвиди възходящи и низходящи течения.

Можете да видите интерактивна версия на диаграмата в блога „Ще обясня след две минути“.

Трудно е да си представим как ветроходните кораби могат да вървят "срещу вятъра" - или, по думите на моряците, да вървят "страничен вятър". Вярно е, че морякът ще ви каже, че не можете да вървите директно срещу вятъра под платната, а можете да се движите само под остър ъгъл спрямо посоката на вятъра. Но този ъгъл е малък - около една четвърт от правия ъгъл - и изглежда, може би, също толкова неразбираем: дали да плувате директно срещу вятъра или под ъгъл от 22 ° към него.

В действителност обаче това не е безразлично и сега ще обясним как силата на вятъра може да се насочи към него под лек ъгъл. Първо, помислете как вятърът действа върху платното като цяло, тоест къде избутва платното, когато духа върху него. Сигурно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: навсякъде, където духа вятърът, той бута платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: нека вятърът духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по-долу; линия ABозначава платно.

Тъй като вятърът притиска равномерно цялата повърхност на платното, ние заместваме налягането на вятъра със силата R, приложена към средата на платното. Разлагаме тази сила на две: силата Вперпендикулярно на платното и силата P, насочена по него (виж фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното до никъде, тъй като триенето на вятъра в платното е незначително. Остава силен Вкойто избутва платното под прав ъгъл към него.

Знаейки това, лесно можем да разберем как един ветроходен кораб може да върви под остър ъгъл към вятъра. Нека линията QCизобразява киловата линия на кораба.

Вятърът духа под остър ъгъл към тази линия в посоката, посочена от редицата стрелки. линия ABизобразява платно; той е поставен така, че равнината му да разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Проследете разлагането на силите на фигурата. Представяме натиска на вятъра върху платното със сила Вкоето знаем, че трябва да е перпендикулярно на платното. Ще разложим тази сила на две: силата Рперпендикулярно на кила, и силата Снапред по линията на кила на кораба. Тъй като движението на плавателния съд в направление Ротговаря на силна водоустойчивост (навътре ветроходни корабистава много дълбоко), тогава силата Рпочти напълно балансиран от водоустойчивост. Остава само сила С, който, както виждате, е насочен напред и следователно движи кораба под ъгъл, сякаш към вятъра. [Може да се докаже, че силата Се най-голям, когато равнината на платното намали наполовина ъгъла между посоките на кила и вятъра.].Обикновено това движение се извършва на зигзаг, както е показано на фигурата по-долу. На езика на моряците това движение на кораба се нарича "такс" в тесния смисъл на думата.

ДВИЖЕЩА СИЛА НА ВЯТЪРА

Сайтът на НАСА публикува много интересни материали за различни фактори, влияещи върху образуването на подемната сила от крилото на самолет. Има и интерактивни графични модели, които демонстрират, че подемната сила може да бъде генерирана и от симетрично крило поради отклонение на потока.

Платното, намирайки се под ъгъл спрямо въздушния поток, го отклонява (фиг. 1г). Преминавайки през „нагоре“, подветрената страна на платното, въздушният поток изминава по-дълъг път и в съответствие с принципа на непрекъснатост на потока се движи по-бързо, отколкото от наветрената, „надолу“ страна. Резултатът е по-малък натиск върху подветрената страна на платното, отколкото откъм наветрената страна.

Когато плавате по посока на преден вятър с платно, поставено перпендикулярно на посоката на вятъра, скоростта на нарастване на налягането срещу вятъра е по-голяма от скоростта на намаляване на налягането от подветрената страна, с други думи вятърът избутва яхтата повече от нея дърпа. Тъй като лодката завива по-рязко към вятъра, това съотношение ще се промени. По този начин, ако вятърът духа перпендикулярно на курса на яхтата, увеличаването на налягането върху платното от наветрената страна има по-малък ефект върху скоростта, отколкото намаляването на налягането от подветрената страна. С други думи, платното дърпа яхтата повече, отколкото бута.

Движението на яхтата се дължи на факта, че вятърът взаимодейства с платното. Анализът на това взаимодействие води до неочаквани, за много новодошли, резултати. Оказва се, че максималната скорост се постига не когато вятърът духа точно отзад, а желанието за „попътен вятър“ носи напълно неочакван смисъл.

И платното, и кила, когато взаимодействат с потока, съответно, от въздух или вода, създават повдигане, следователно теорията на крилото може да се приложи за оптимизиране на тяхната работа.

ДВИЖЕЩА СИЛА НА ВЯТЪРА

Въздушният поток има кинетична енергия и, взаимодействайки с платната, е в състояние да задвижи яхтата. Работата както на платната, така и на крилото на самолета се описва от закона на Бернули, според който увеличаването на скоростта на потока води до намаляване на налягането. При движение във въздуха крилото разделя потока. Част от него обикаля крилото отгоре, част отдолу. Крилото на самолета е проектирано така, че въздушният поток над горната част на крилото е по-бърз от потока под долната част на крилото. Резултатът е значително по-ниско налягане над крилото, отколкото отдолу. Разликата в налягането е повдигането на крилото (фиг. 1а). Поради сложната си форма, крилото е в състояние да генерира повдигане дори когато реже поток, който се движи успоредно на равнината на крилото.

Платното може да движи яхтата само ако е под някакъв ъгъл спрямо потока и го отклонява. Въпросът каква част от повдигането е свързана с ефекта на Бернули и колко е резултатът от отклонението на потока остава спорен. Според класическата теория на крилото, подемната сила възниква единствено от разликата в скоростите на потока над и под асиметричното крило. В същото време е добре известно, че едно симетрично крило също е способно да създаде повдигане, ако е монтирано под определен ъгъл спрямо потока (фиг. 1б). И в двата случая ъгълът между линията, свързваща предната и задната точки на крилото и посоката на потока, се нарича ъгъл на атака.

Подемната сила се увеличава с увеличаване на ъгъла на атака, но тази връзка работи само при малки стойности на този ъгъл. Щом ъгълът на атака надхвърли определено критично ниво и потокът се разпадне, по горната повърхност на крилото се образуват множество вихри и подемната сила рязко намалява (фиг. 1в).

Яхтсмените знаят, че предният вятър далеч не е най-бързият курс. Ако вятърът със същата сила духа под ъгъл от 90 градуса спрямо курса, лодката ще се движи много по-бързо. При преден вятър силата, с която вятърът натиска платното зависи от скоростта на яхтата. С максимална сила вятърът притиска платното на неподвижната яхта (фиг. 2а). С увеличаване на скоростта натискът върху платното спада и става минимален, когато яхтата достигне максимална скорост (фиг. 2б). Максималната скорост при преден вятър винаги е по-малка от скоростта на вятъра. Има няколко причини за това: първо, триенето, при всяко движение част от енергията се изразходва за преодоляване на различни сили, които пречат на движението. Но основното е, че силата, с която вятърът притиска платното, е пропорционална на квадрата на видимата скорост на вятъра, а видимата скорост на вятъра по предния вятър е равна на разликата между истинската скорост на вятъра и скоростта на яхтата .

Ветроходните яхти Gulfwind (90º спрямо вятъра) са способни да се движат по-бързо от вятъра. В рамките на тази статия няма да обсъждаме особеностите на видимия вятър, само отбелязваме, че на курса на Gulfwind силата, с която вятърът притиска платната, е по-малко зависима от скоростта на яхтата (фиг. 2в).

Триенето е основният фактор, който предотвратява увеличаването на скоростта. Следователно, платноходки с малко съпротивление на движение са в състояние да достигнат скорости, много по-високи от скоростта на вятъра, но не и на курс по преден вятър. Например, една кънка, поради факта, че кънките имат незначително съпротивление на плъзгане, може да се ускори до скорост от 150 km / h при скорост на вятъра от 50 km / h или дори по-малко.

Обяснение на физиката на ветроходството: Въведение

ISBN 1574091700, 9781574091700

Мисля, че много от нас биха се възползвали от шанса да се гмурнат в морската бездна с някакъв вид подводно превозно средство, но все пак повечето биха предпочели круизна платноходка. Когато нямаше самолети или влакове, имаше само платноходки. Светът беше без тях, не стана такъв.

Платноходки с прави платна доведоха европейците в Америка. Техните стабилни палуби и просторни трюмове доведоха хора и провизии за изграждане на Новия свят. Но дори тези древни кораби имаха своите ограничения. Вървяха бавно и практически в една и съща посока под вятъра. Много се промени оттогава. Днес те използват напълно различни принципи за управление на енергията на вятъра и вълните. Така че, ако искате да карате модерен, трябва да научите малко физика.

Съвременното ветроходство не е просто движение по вятъра, това е нещо, което влияе на платното и го кара да лети като крило. И това невидимо „нещо“ се нарича повдигане, което учените наричат ​​странична сила.

Един внимателен наблюдател не можеше да не забележи, че независимо къде духа вятърът, ветроходната яхта винаги се движи там, където капитанът има нужда от нея – дори когато вятърът е челен. Каква е тайната на такава невероятна комбинация от упоритост и послушание.

Мнозина дори не осъзнават, че платното е крило, а принципът на действие на крилото и платното е един и същ. Тя се основава на повдигащата сила, само ако повдигащата сила на крилото на самолета, използвайки попътния вятър, избутва самолета нагоре, тогава вертикално разположеното платно насочва платноходката напред. За да обясните това научно, трябва да се върнете към основите – как работи платното.

Обърнете внимание на симулирания процес, който показва как въздухът действа върху равнината на платното. Тук можете да видите, че по-извитите въздушни течения под модела се огъват, за да заобиколят модела. В този случай потокът трябва да се ускори малко. В резултат на това се появява зона с ниско налягане - това генерира повдигане. Ниският натиск върху долната страна издърпва платното надолу.

С други думи, зоната с високо налягане се опитва да се придвижи към зоната с ниско налягане, оказвайки натиск върху платното. Възниква разлика в налягането, което генерира повдигаща сила. Поради формата на платното скоростта на вятъра е по-ниска от вътрешната страна срещу вятъра, отколкото от подветрената страна. Отвън се образува вакуум. Платното буквално изсмуква въздух, което тласка ветроходната яхта напред.

Всъщност този принцип е доста прост за разбиране, просто разгледайте по-отблизо всеки ветроходен кораб. Номерът тук е, че платното, независимо как е разположено, предава енергията на вятъра към кораба и дори ако визуално изглежда, че платното трябва да забави яхтата, центърът на приложение на силите е по-близо до носа на платноходката , а силата на вятъра осигурява транслационно движение.

Но това е теория, но на практика всичко е малко по-различно. Всъщност една ветроходна яхта не може да тръгне срещу вятъра – тя се движи под определен ъгъл спрямо него, т.нар.

Платноходката се движи поради баланса на силите. Платната действат като крила. По-голямата част от повдигането, което генерират, е насочена настрани и само малка част отпред. Тайната обаче е в това прекрасно явление в така нареченото „невидимо“ платно, което се намира под дъното на яхтата. Това е килът или на морски език - централната дъска. Повдигането на централната дъска също води до повдигане, което също е насочено предимно настрани. Килът е противопоставен на петата и противоположната сила върху платното.

Освен повдигащата сила има и преобръщане - явление, вредно за движението напред и опасно за екипажа на кораба. Но ето защо на яхтата има екип, който да служи като жив противовес на неумолимите физически закони.

В една модерна платноходка, както кила, така и платното работят заедно, за да насочат платноходката напред. Но както всеки начинаещ моряк ще потвърди на практика, всичко е много по-сложно, отколкото на теория. Опитният моряк знае, че дори и най-малката промяна в завоя на платното позволява да се постигне повече повдигане и да се контролира посоката му. Чрез промяна на кривината на платното, опитният моряк контролира размера и позицията на зоната за производство на повдигане. Дълбоко извиване напред може да създаде голяма зона на натиск, но ако огъването е твърде голямо или водещият ръб е твърде стръмен, въздушните молекули, обикалящи около него, вече няма да следват завоя. С други думи, ако обектът има остри ъгли, частиците на потока не могат да направят завой - импулсът на движение е твърде силен, това явление се нарича "разделен поток". Резултатът от този ефект е, че платното се "лющи", губейки вятър.

И ето още няколко практически съветиизползване на вятърна енергия. Оптимален курс на черен вятър (състезателен страничен вятър). Моряците го наричат ​​"плаване срещу вятъра". Вятърът на вимпел, който има скорост от 17 възела, е забележимо по-бърз от истинския вятър, който създава вълнова система. Разликата в техните посоки е 12 °. Насочване към привиден вятър - 33 °, към истински вятър - 45 °.

Ветровете, които са в южната част Пасификадуха на запад. Ето защо нашият маршрут е проектиран така, че нататък ветроходна яхта"Жулиета" се движи от изток на запад, тоест така, че вятърът да духа в гръб.

Ако обаче погледнете нашия маршрут, ще забележите, че често, например, когато се движим от юг на север от Самоа до Токелау, трябваше да се движим перпендикулярно на вятъра. А понякога посоката на вятъра се променяше напълно и трябваше да върви срещу вятъра.

Маршрутът на Жулиета

Какво да направите в този случай?

Ветроходните кораби отдавна могат да плават срещу вятъра. Класикът Яков Перелман пише за това дълго време добре и просто във Втората си книга от цикъла „Забавна физика“. Цитирам това парче тук дословно със снимки.

„Плаване срещу вятъра

Трудно е да си представим как ветроходните кораби могат да вървят "срещу вятъра" - или, по думите на моряците, да вървят "страничен вятър". Вярно е, че морякът ще ви каже, че не можете да вървите директно срещу вятъра под платна, а можете да се движите само под остър ъгъл спрямо посоката на вятъра. Но този ъгъл е малък - около една четвърт от правия ъгъл - и изглежда, може би, също толкова неразбираем: дали да плувате директно срещу вятъра или под ъгъл от 22 ° към него.

В действителност обаче това не е безразлично и сега ще обясним как силата на вятъра може да се насочи към него под лек ъгъл. Първо, помислете как вятърът действа върху платното като цяло, тоест къде избутва платното, когато духа върху него. Сигурно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: навсякъде, където духа вятърът, той бута платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: нека вятърът духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по-долу; линия AB представлява платното.

Вятърът винаги избутва платното под прав ъгъл спрямо неговата равнина.

Тъй като вятърът притиска равномерно цялата повърхност на платното, ние заместваме налягането на вятъра със силата R, приложена към средата на платното. Разлагаме тази сила на две: силата Q, перпендикулярна на платното, и силата P, насочена по него (виж фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното до никъде, тъй като триенето на вятъра в платното е незначително. Остава силата Q, която избутва платното под прав ъгъл към него.

Знаейки това, лесно можем да разберем как един ветроходен кораб може да върви под остър ъгъл към вятъра. Нека линията KK представлява линията на кила на кораба.

Как можеш да плаваш срещу вятъра.

Вятърът духа под остър ъгъл към тази линия в посоката, посочена от редицата стрелки. Линията AB представлява платното; той е поставен така, че равнината му да разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Проследете разлагането на силите на фигурата. Представяме налягането на вятъра върху платното чрез силата Q, която, както знаем, трябва да бъде перпендикулярна на платното. Разлагаме тази сила на две: силата R, перпендикулярна на кила, и силата S, насочена напред, по линията на кила на кораба. Тъй като движението на кораба в посока R среща силно съпротивление на водата (килът при ветроходните кораби става много дълбок), силата на R почти напълно се балансира от водосъпротивлението. Има само една сила S, която, както виждате, е насочена напред и следователно движи кораба под ъгъл, сякаш към вятъра. [Може да се покаже, че силата S е най-голяма, когато равнината на платното намали наполовина ъгъла между посоките на кила и вятъра.]. Обикновено това движение се извършва на зигзаг, както е показано на фигурата по-долу. На езика на моряците това движение на кораба се нарича "таксиране" в тесния смисъл на думата."

Нека сега разгледаме всички възможни посоки на вятъра спрямо курса на лодката.

Диаграмата на курса на кораба спрямо вятъра, тоест ъгълът между посоката на вятъра и вектора от кърмата до носа (направление).

Когато вятърът духа в лицето (левентик), платната висят отстрани и е невъзможно да се движат с платното. Разбира се, винаги можете да спуснете платната и да включите мотора, но това няма нищо общо с ветроходството.

Когато вятърът духа точно отзад (преден вятър, опашен вятър), разпръснатите въздушни молекули оказват натиск върху платното от едната страна и лодката се движи. В този случай корабът може да се движи само по-бавно от скоростта на вятъра. Тук работи аналогията с карането на велосипед във вятъра – вятърът духа в гърба и е по-лесно да се педали.

Когато се движи срещу вятъра (отвъд вятъра), платното не се движи поради налягането на въздушните молекули върху платното отзад, както в случая на преден вятър, а поради повдигането, което се създава поради различни скорости на въздуха от двете страни покрай платното. В същото време, поради кила, лодката се движи не в посоката, перпендикулярна на курса на лодката, а само напред. Тоест, платното в този случай не е чадър, както при странично теглене, а крило на самолет.

По време на нашите прекоси ние вървяхме основно по задните стойки и заливните ветрове със средна скорост 7-8 възела при скорост на вятъра 15 възла. Понякога вървяхме срещу вятъра, Gulfwind и Beydewind. И когато вятърът утихна, пуснаха двигателя.

Като цяло лодка с платно, движеща се срещу вятъра, не е чудо, а реалност.

Най-интересното е, че лодките могат да вървят не само срещу вятъра, но дори и по-бързо от вятъра. Това се случва, когато лодката е задна, създавайки „собствен вятър“.