У дома Костур Какъв вятър причинява движението на ветроходен кораб. Как да плаваме с платноходка срещу вятъра? Сега нека да разгледаме как работи едно платно на яхта.

Какъв вятър причинява движението на ветроходен кораб. Как да плаваме с платноходка срещу вятъра? Сега нека да разгледаме как работи едно платно на яхта.

Продължаваме поредицата от публикации, подготвени от интерактивния научнопопулярен блог „Ще обясня за две минути“. Блогът говори за прости и сложни неща, които ни заобикалят всеки ден и не повдигат точно никакви въпроси, стига да не мислим за тях. Например, там можете да разберете как космическите кораби не пропускат и не се сблъскват с МКС при скачване.

1. Плаването строго срещу вятъра е невъзможно. 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 се формира поради два фактора. Първо, вятърът просто притиска платната. Второ, наклонените платна, монтирани на повечето съвременни яхти, когато се движат с въздух, работят като крило на самолет и създават „повдигане“, само че не е насочено нагоре, а напред. Поради аеродинамиката въздухът се движи по-бързо от изпъкналата страна на платното, отколкото от вдлъбнатата страна, а налягането от външната страна на платното е по-малко, отколкото отвътре.

3. Общата сила, генерирана от платното, е насочена перпендикулярно на платното. Според правилото за добавяне на вектора е възможно да се разграничат силата на дрейфа (червена стрелка) и силата на тягата (зелена стрелка) в него.

4. На остри курсове силата на дрейфа е голяма, но се противопоставя на формата на корпуса, кила и руля: яхтата не може да се движи настрани поради водоустойчивост. Но напред той охотно се плъзга дори с малка теглителна сила.

5. За да върви строго срещу вятъра, яхтата прави галсове: обръща се към вятъра с едната или другата страна, движейки се напред на сегменти - галсове. Колко дълги трябва да бъдат галсовете и под какъв ъгъл спрямо вятъра да вървят － важни въпроси за тактиката на капитана.

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

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

8. Попътен вятър－ същият остър курс. Когато сте на близко теглене, вятърът ви духа в лицето, така че изглежда, че яхтата развива много висока скорост. Всъщност това чувство е измамно.

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

10. Заден щанг－ вятърът духа откъм кърмата и отстрани. Това е най-бързият курс. Бързите състезателни лодки с бекстейг са в състояние да ускорят до скорости, по-големи от скоростта на вятъра поради повдигането на платното.

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

Можете да видите интерактивна версия на диаграмата в блога "Two Minutes Explained".

Ветровете, които са в южната част Тихи океандухащ в западна посока. Ето защо нашият маршрут беше проектиран по такъв начин, че ветроходна яхта"Жулиета" се движат от изток на запад, тоест така, че вятърът да духа в гърба.

Въпреки това, ако погледнете нашия маршрут, ще забележите, че често, например при движение от юг на север от Самоа до Токелау, трябваше да се движим перпендикулярно на вятъра. И понякога посоката на вятъра се промени напълно и трябваше да вървиш срещу вятъра.

Маршрутът на Жулиета

Какво да направите в този случай?

Ветроходните кораби отдавна могат да плават срещу вятъра. Класикът Яков Перелман дълго време добре и просто пише за това във втората си книга от поредицата „Занимателна физика“. Това парче цитирам 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 "теглени". Вярно, един моряк ще ви каже, че не можете да плавате директно срещу вятъра, но можете да се движите само под остър ъгъл спрямо посоката на вятъра. Но този ъгъл е малък - около една четвърт от прав ъгъл - и изглежда, може би, също толкова неразбираем: дали да плавате директно срещу вятъра или под ъгъл от 22 ° спрямо него.

Всъщност обаче това не е безразлично и сега ще обясним как е възможно да се придвижите към него под лек ъгъл от силата на вятъра. Нека първо разгледаме как вятърът действа върху платното като цяло, тоест къде бута платното, когато духа върху него. Сигурно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: където и да духа вятърът, той избутва платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: оставете вятъра да духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по-долу; линията AB представлява платното.

Вятърът бута платното винаги под прав ъгъл спрямо равнината му.

Тъй като вятърът тласка равномерно по цялата повърхност на платното, 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 (вижте фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното никъде, тъй като триенето на вятъра върху платното е незначително. Остава сила Q, която избутва платното под прав ъгъл спрямо него.

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

Как можеш да плаваш срещу вятъра.

Вятърът духа под остър ъгъл спрямо тази линия в посоката, посочена от редицата стрелки. Линията AB представлява платното; поставя се така, че равнината му да разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Следвайте схемата за разпределение на силите. Представяме натиска на вятъра върху платното чрез силата Q, която, знаем, трябва да е перпендикулярна на платното. Разлагаме тази сила на две: силата R, перпендикулярна на кила, и силата S, насочена напред по линията на кила на плавателния съд. Тъй като движението на плавателния съд в посока R среща силно водно съпротивление (кил в ветроходни корабистава много дълбоко), тогава силата R е почти напълно балансирана от съпротивлението на водата. Остава само силата 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 разполовява 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 такова движение на плавателния съд се нарича "херс" в тесния смисъл на думата.

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

Диаграма на курсовете на кораба спрямо вятъра, тоест ъгълът между посоката на вятъра и вектора от кърмата към носа (курс).

Когато вятърът духа в лицето (насрещен вятър), платната висят от една страна на друга и е невъзможно да се движите с платното. Разбира се, винаги можете да спуснете платната и да включите двигателя, но това вече не е от значение за ветроходството.

Когато вятърът духа точно отзад (джиб, попътен 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 на вятъра - вятърът духа отзад и е по-лесно да въртите педалите.

Когато се движи срещу вятъра (теглено), платното се движи не поради натиска на въздушните молекули върху платното отзад, както при джиб, а поради повдигането, което се създава поради различните скорости на въздуха от двете страни покрай платното. В същото време, поради кила, лодката не се движи в посока, перпендикулярна на курса на лодката, а само напред. Тоест платното в този случай не е чадър, както при бадевинд, а крило на самолет.

По време на нашите пасажи плавахме предимно с бекщагове и гълфветрове със средна скорост от 7-8 възела със скорост на вятъра от 15 възела. Понякога вървяхме срещу вятъра, на полувятър и на близък ход. И когато вятърът утихна, включиха двигателя.

Като цяло лодка с платно, което върви срещу вятъра, не е чудо, а реалност.

Най-интересното е, че лодките могат да се движат не само срещу вятъра, но дори и по-бързо от вятъра. Това се случва, когато лодката се върне назад, създавайки свой собствен вятър.

Вятърът бута платното винаги под прав ъгъл спрямо равнината му.

Тъй като вятърът тласка равномерно по цялата повърхност на платното, заместваме налягането на вятъра със силата R, приложена към средата на платното. Нека разделим тази сила на две: силата Q, перпендикулярна на платното, и силата P, насочена по него (вижте фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното никъде, тъй като триенето на вятъра върху платното е незначително. Силата остава Q, който избутва платното под прав ъгъл спрямо него.

Знаейки това, лесно можем да разберем как един ветроходен кораб може да отиде под остър ъгъл срещу вятъра. Нека линията QCизобразява линията на кила на кораба.

Как можеш да плаваш срещу вятъра.

Вятърът духа под остър ъгъл спрямо тази линия в посоката, посочена от редицата стрелки. Линия ABизобразява платно; поставя се така, че равнината му да разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Следвайте схемата за разпределение на силите. Изобразяваме натиска на вятъра върху платното със сила Q, което знаем, че трябва да е перпендикулярно на платното. Нека разделим тази сила на две: силата Р, перпендикулярно на кила, и силата Ссочещи напред по линията на кила на кораба. Тъй като движението на плавателния съд в посока Рсреща силно водосъпротивление (килът при ветроходните кораби става много дълбок), след това силата Рпочти напълно балансиран от водоустойчивостта. Остава само властта С, който, както можете да видите, е насочен напред и следователно движи кораба под ъгъл, сякаш към вятъра. [Може да се докаже, че силата Сполучава най-голяма стойност, когато равнината на платното разполовява 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 такова движение на плавателния съд се нарича "херс" в тесния смисъл на думата.

Не по-малко важно от съпротивлението на корпуса е теглителната сила, развивана от платната. За да си представим по-ясно работата на платната, нека се запознаем с основните понятия на теорията на платната.

Вече говорихме за основните сили, действащи върху платната на яхта, плаваща с попътен вятър (gybe) и с попътен вятър (haul). Установено е, че силата, действаща върху платната, може да се разложи на силата, която кара яхтата да се търкаля и да се носи по вятъра, силата на дрейфа и силата на тягата (виж Фиг. 2 и 3).

Сега да видим как се определя общата сила на натиска на вятъра върху платната и от какво зависят силите на сцепление и дрейф.

За да си представим работата на платно на остри курсове, е удобно първо да разгледаме плоско платно (фиг. 94), което изпитва натиск от вятъра при определен ъгъл на атака. В този случай зад платното се образуват вихри, от наветрената му страна възникват сили на натиск, а от подветрената страна се появяват сили на разреждане. Тяхното получено R е насочено приблизително перпендикулярно на равнината на платното. За правилното разбиране на работата на платното е удобно да се представи като резултатна от две компоненти на силите: X-насочена успоредно на въздушния поток (вятър) и Y-перпендикулярна на него.

Силата X, насочена успоредно на въздушния поток, се нарича сила на съпротивление; тя се създава, освен от платното, и от корпуса, такелажа, рангоутите и екипажа на яхтата.

Силата Y, насочена перпендикулярно на въздушния поток, се нарича повдигане в аеродинамиката. Тя е тази, която при остри курсове създава тяга в посоката на движение на яхтата.

Ако при същото съпротивление на платното X (фиг. 95) повдигащата сила се увеличи, например, до стойността Y1, тогава, както е показано на фигурата, резултатът от повдигането и съпротивлението ще се промени с R и, съответно силата на тягата Т ще се увеличи до Т1.

Такава конструкция улеснява проверката, че с увеличаване на съпротивлението X (при същата повдигаща сила), тягата T намалява.

По този начин има два начина за увеличаване на теглителната сила и, следователно, скоростта на остри курсове: увеличаване на повдигащата сила на платното и намаляване на съпротивлението на платното и яхтата.

В съвременното ветроходство силата на повдигане на платното се увеличава, като му се придава вдлъбната форма с известно „коремче“ (фиг. 96): размерът от мачтата до най-много дълбоко място„Коремът“ обикновено е 0,3-0,4 от ширината на платното, а дълбочината на „корема“ е около 6-10% от ширината. Подемната сила на такова платно е с 20-25% по-голяма от тази на напълно плоско платно с почти същото съпротивление. Вярно, яхта с плоски платна върви малко по-стръмно към вятъра. Но при "коремните" платна скоростта на напредване в халс е по-голяма поради по-голямата тяга.

Ориз. 96. Профил на платното

Обърнете внимание, че при платната с кореми се увеличава не само сцеплението, но и силата на дрейфа, което означава, че накланянето и дрейфа на яхтите с платна с кореми е по-голямо, отколкото при относително плоските. Следователно „коремното“ платно с повече от 6-7% при силни ветрове е нерентабилно, тъй като увеличаването на ролката и дрейфа води до значително увеличаване на устойчивостта на корпуса и намаляване на ефективността на платната, които „ядат нагоре” ефектът от увеличената тяга. При слаб вятър платната с „корем“ от 9-10% се издърпват по-добре, тъй като поради ниското общо налягане на вятъра върху платното, ролката е малка.

Всяко платно при ъгли на атака, по-големи от 15-20 °, тоест при курсове на яхта от 40-50 ° спрямо вятъра и повече, ви позволява да намалите повдигането и да увеличите съпротивлението, тъй като значителни турбуленции се образуват от подветрената страна. И тъй като основната част от повдигащата сила се създава от плавно, без турбуленции, течение около подветрената страна на платното, унищожаването на тези турбуленции трябва да има голям ефект.

Те унищожават турбуленциите, които се образуват зад грота, като поставят стаксел (фиг. 97). Въздушният поток, навлизащ в пролуката между грота и стаксела, увеличава скоростта си (т.нар. ефект на дюзата) и при правилна настройка на стакса „облизва“ вихрушките от грота.

Ориз. 97. Работа със стаксел

Профилът на едно меко платно е трудно да се запази еднакъв при различни ъгли на атака. Преди това на лодките се поставяха проходни летви, минаващи през цялото платно - те бяха направени по-тънки в рамките на "корема" и по-дебели към пиявицата, където платното е много по-плоско. Сега проходната броня се монтира главно на ледени лодки и катамарани, където е особено важно да се поддържа профилът и твърдостта на платното при ниски ъгли на атака, когато конвенционалното платно вече се изплаква по предната част.

Ако само платното е източникът на повдигане, тогава съпротивлението се създава от всичко, което е във въздушния поток около яхтата. Следователно, подобряването на свойствата на сцепление на платното може да се постигне и чрез намаляване на съпротивлението на корпуса на яхтата, рангоутите, такелажа и екипажа. За тази цел се използват различни видове обтекатели на гредите и такелажа.

Степента на съпротивление на едно платно зависи от неговата форма. Съгласно законите на аеродинамиката съпротивлението на крилото на самолета е толкова по-малко, колкото по-тясно и по-дълго е то при еднаква площ. Ето защо платното (по същество същото крило, но поставено вертикално) се опитва да бъде високо и тясно. Това също ви позволява да използвате вятъра за езда.

Съпротивлението на едно платно зависи до голяма степен от състоянието на неговия преден ръб. Предните части на всички платна трябва да бъдат плътно увити, за да се предотврати възможността от вибрации.

Необходимо е да се отбележи още едно много важно обстоятелство - така нареченото центриране на платната.

От механиката е известно, че всяка сила се определя от нейната величина, посока и точка на приложение. Досега говорихме само за големината и посоката на силите, приложени към платното. Както ще видим по-късно, познаването на точките на приложение е от съществено значение за разбирането как работят платната.

Налягането на вятъра е неравномерно разпределено по повърхността на платното (предната му част изпитва по-голям натиск), но за опростяване на сравнителните изчисления се счита, че е разпределено равномерно. За приблизителни изчисления се приема, че резултантната сила на натиска на вятъра върху платната е приложена към една точка; той се приема за център на тежестта на повърхността на платната, когато са поставени в диаметралната равнина на яхтата. Тази точка се нарича център на вятъра (CP).

Нека се спрем на най-простия графичен метод за определяне на позицията на процесора (фиг. 98). Начертайте платното на яхтата в правилния мащаб. След това в пресечната точка на медианите - линии, свързващи върховете на триъгълника със средните точки на противоположните страни - намерете центъра на всяко платно. След като по този начин са получени на чертежа центровете O и O1 на двата триъгълника, които изграждат грота и стаксела, две успоредни линии OA и O1B се начертават през тези центрове и се полагат в противоположни посоки във произволен мащаб, но не в същия мащаб като много линейни единици като квадратни метри в триъгълника; от центъра на пещерата лежеше зоната на стаксел, а от центъра на стаксел - зоната на пещерата. Крайните точки A и B са свързани с права линия AB. Друга права линия - O1O свързва центровете на триъгълниците. В пресечната точка на линиите A B и O1O ще има общ център.

Ориз. 98. Графичен начин за намиране на центъра на вятъра

Както вече казахме, силата на дрейфа (ще я считаме приложена в центъра на вятъра) се противодейства от силата на страничното съпротивление на корпуса на яхтата. Силата на странично съпротивление се счита за приложена в центъра на страничното съпротивление (CLC). Центърът на страничното съпротивление е центърът на тежестта на проекцията на подводната част на яхтата върху диаметралната равнина.

Центърът на странично съпротивление може да се намери, като се изреже очертанието на подводната част на яхтата от плътна хартия и се постави този модел върху острието на нож. Когато моделът е балансиран, леко го натиснете, след това го завъртете на 90 ° и го балансирайте отново. Пресечната точка на тези линии ни дава центъра на странично съпротивление.

Когато яхтата се движи без ролка, процесорът трябва да лежи на една и съща вертикална линия с CBS (фиг. 99). Ако CPU лежи пред CBS (фиг. 99, b), тогава силата на дрейфа, изместена напред спрямо силата на странично съпротивление, обръща носа на кораба във вятъра - яхтата се отдалечава. Ако процесорът е зад CBS, яхтата ще се обърне с носа си към вятъра или ще бъде управлявана (фиг. 99, c).

Ориз. 99. Подравняване на яхта

Както прекомерното нанасяне на вятъра, така и по-специално отдалечаването (неправилното центриране) са вредни за курса на яхтата, тъй като принуждават кормчията да работи с волана през цялото време, за да поддържа праволинейността на движението, а това увеличава устойчивостта на корпуса и намалява скоростта на плавателния съд. Освен това неправилното центриране води до влошаване на управляемостта, а в някои случаи и до пълната й загуба.

Ако центрираме яхтата, както е показано на фиг. 99, а, тоест процесорът и CBS ще бъдат на една и съща вертикала, тогава корабът ще бъде задвижван много силно и ще стане много трудно да се контролира. Какъв е проблема? Тук има две основни причини. Първо, истинското местоположение на CPU и CLS не съвпада с теоретичното (и двата центъра са изместени напред, но не еднакво).

Второ, и най-важното, когато се накланя, теглителната сила на платната и силата на надлъжното съпротивление на корпуса се оказват в различни вертикални равнини (фиг. 100), оказва се, сякаш лост, който кара яхтата да се кара. Колкото по-голям е списъкът, толкова по-голяма е склонността на кораба да бъде управляван.

За да се елиминира такъв каст, процесорът се поставя пред CBS. Моментът на теглителна сила и надлъжно съпротивление, възникващи при търкаляне, принуждаващи яхтата да се задвижва, се компенсират от момента на улавяне на силите на дрейфа и страничното съпротивление с предното разположение на процесора. За добро центриране процесорът трябва да бъде поставен пред CLS на разстояние равно на 10-18% от дължината на яхтата по водолинията. Колкото по-малко стабилна е яхтата и колкото по-високо е издигнат процесорът над CBS, толкова повече трябва да се премести напред.

За да може яхтата да се движи добре, тя трябва да бъде центрирана, тоест да постави CPU и CLS в такава позиция, в която корабът на тегления курс при слаб вятър е напълно балансиран от платната, с други думи , беше стабилен на курса с кормилото захвърлено или фиксирано в DP (допуска се лека склонност към отнасяне при много слаб вятър), а при по-силен вятър имаше склонност към преобръщане. Всеки кормчия трябва да може правилно да центрира яхтата. При повечето яхти склонността към люлеене се увеличава, ако задните платна се дръпнат и предните са спуснати. Ако предните платна са напрегнати и задните платна са напрегнати, корабът ще се отнесе. С увеличаване на "кореместия" грот, както и лошо стоящи платна, яхтата има тенденция да се кара в по-голяма степен.

Ориз. 100. Влияние на крена върху навеждането на яхтата на вятъра