Как да плавате с ветроход на ветроходна яхта? Физика на движение на ветроходна яхта Как платното работи срещу вятъра.

"Честен вятър!" - пожелават на всички моряци и това е напразно: когато вятърът духа от кърмата, яхтата не е в състояние да развие максимална скорост. Тази схема беше подпомогната от Вадим Ждан, професионален шкипер, състезател, организатор и домакин на яхтени регати. Прочетете подсказките на диаграмата, за да разберете.

2. Тягата на платното се дължи на два фактора. Първо, вятърът просто притиска платната. Второ, косите платна, инсталирани на повечето съвременни яхти, когато текат с въздух, работят като самолетно крило и само то е насочено 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 страна.

3. Общата сила, генерирана от платното, е перпендикулярна на платното. Според правилото за векторно добавяне е възможно да се разграничат силата на дрейф (червена стрелка) и тягата (зелена стрелка) в нея.

5. За да плава стриктно срещу вятъра, яхтата маневрира: обръща се към вятъра с едната или другата страна, движейки се напред на сегменти - такове. Колко дълъг трябва да бъде ходът и под какъв ъгъл спрямо вятъра да се движат, са важни въпроси от тактиката на капитана.

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

11. Fordewind- същият заден вятър, духащ 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 знае как да прогнозира невидимите въздушни течения по същия начин, както

Движение ветроходна яхтавятърът всъщност се определя от простото налягане на вятъра върху платното й, изтласкващо кораба напред. Проучванията на аеродинамичните тунели обаче показват, че плаването срещу вятър излага платното на по -сложен набор от сили.

Когато входящият въздух тече около вдлъбнатата задна повърхност на платното, скоростта на въздуха намалява, докато когато се движи около изпъкналата предна повърхност на платното, тази скорост се увеличава. В резултат на това се образува зона с повишено налягане на задната повърхност на платното и зона с ниско налягане на предната повърхност. Разликата в налягането от двете страни на платното създава издърпваща (бутаща) сила, която движи яхтата напред под ъгъл спрямо вятъра.

Ветроходна яхта, разположена приблизително под прав ъгъл спрямо вятъра (според морската терминология, яхта се прилепва), се движи бързо напред. Платното е подложено на дърпащи и странични сили. Ако ветроходна яхта плава под остър ъгъл спрямо вятъра, скоростта й ще се забави поради намаляване на дърпащата сила и увеличаване на страничната сила. Колкото повече платното е обърнато към кърмата, толкова по -бавно се движи яхтата напред, по -специално поради голямата странична сила.

Ветроходна яхта не може да плава направо срещу вятъра, но може да се движи напред в поредица от кратки зигзагообразни движения под ъгъл спрямо вятъра, наречени галсове. Ако вятърът духа към пристанищната страна (1), се казва, че яхтата плава по пристанищната опора, ако към десния борд (2), по десния борд. За да измине по -бързо разстоянието, яхтсменът се опитва да увеличи скоростта на лодката до границата, като регулира позицията на нейното платно, както е показано на фигурата по -долу вляво. За да се сведе до минимум отклонението от правата линия, яхтата се движи, променяйки курса от десен борд към пристанище и обратно. Когато яхтата промени курса, платното се изхвърля на другата страна, а когато равнината й съвпада с линията на вятъра, тя се втурва за известно време, т.е. е неактивен (средна фигура под текста). Яхтата попада в т. Нар. Мъртва зона, губейки скорост, докато вятърът отново надуе платното от противоположната страна.

4.4. Действие на вятъра върху платното

Лодка под платно се влияе от две среди: въздушният поток, действащ върху платното и повърхността на лодката, и водата, действаща върху подводната част на лодката.

Благодарение на формата на платното, дори при най -неблагоприятните ветрове (страничен вятър), лодката може да се движи напред. Платното прилича на крило, чието най-голямо отклонение е 1 / 3-1 / 4 от ширината на платното от пиявицата и има стойност 8-10% от ширината на платното (фиг. 44).

Ако вятърът, имащ посока В (фиг. 45, а), срещне платно по пътя си, той се огъва около него от двете страни. Наветрената страна на платното е под налягане по-високо (+) от ветровете (-). Резултатът от силите на натиск образува сила P, насочена перпендикулярно на равнината на платното или хордата, преминаваща през луфа и пиявицата и приложена към центъра на платното на CP (фиг. 45, б).

Ориз. 44. Профил на платното:
B - ширина на платното по хорд

Ориз. 45. Сили, действащи върху платното и корпуса на лодката:
а - въздействието на вятъра върху платното; б - въздействието на вятъра върху платното и водата върху корпуса на лодката

Ориз. 46. ​​Правилно положение на платното в различни посоки на вятъра: а - бейдуинд; b - gulfwind; c - fordewind

Силата P се разлага на тяговата сила T, насочена успоредно на централната равнина (DP) на лодката, принуждавайки лодката да се движи напред, и силата на дрейф D, насочена перпендикулярно на DP, което кара лодката да се носи и да се търкаля .

Силата P зависи от скоростта и посоката на вятъра спрямо платното. Колкото повече
Ако
Ефектът на водата върху лодка до голяма степен зависи от контурите на нейната подводна част.

Въпреки факта, че при вятър със странично теглене, дрейфовата сила D надвишава тяговата сила T, лодката има ход напред. Това се влияе от страничното съпротивление R 1 на подводната част на корпуса, което е в пъти по -голямо от челното съпротивление R.

Ориз. 47. Вятър на вимпела:
B И - истински вятър; В Ш - вятър от движението на лодката; В - видим вятър

Force D, въпреки противопоставянето на корпуса, все още издухва лодката от линията на курса. Съставено от DP и посока на истинско движение на IP лодка
По този начин най -голямата тяга и най -малкото отклонение на лодката могат да бъдат постигнати чрез избор на най -благоприятното положение на централната равнина на лодката и равнината на платното спрямо вятъра. Установено е, че ъгълът между DP на лодката и равнината на платното трябва да бъде равен на половината
Когато избира позицията на платното спрямо лодката и вятъра, бригадирът на лодката се ръководи не от истинския, а от видимия (видим) вятър, чиято посока се определя от резултанта на скоростта на лодката и истинската скорост на вятъра (фиг. 47).

Секачът, разположен пред далновидността, действа като ламел. Потокът въздух между стрелата и крайбрежието намалява натиска от подветрената страна на крайбрежието и следователно увеличава неговата сила на теглене. Това се случва само при условие, че ъгълът между стрелата и лодката на лодката е малко по -голям от ъгъла между предната част и лодката (фиг. 48, а).

Преди да се потопите в платното, трябва да имате предвид два кратки, но важни момента:
1. Определете кой вятър влияе върху платната.
2. Обяснете специфичната морска терминология, свързана с ветровите курсове.

Истински и свиреп вятър в яхтинга.

Вятърът, който действа върху движещ се съд и всичко по него е различно от това, което действа върху всеки неподвижен обект.
Самият вятър като атмосферно явление, духащо по отношение на сушата или водата, ние наричаме истински вятър.
При яхтирането вятърът спрямо движещата се яхта се нарича видим вятър и е сумата от истинския вятър и идващия въздушен поток, причинен от движението на плавателния съд.
Вихревият вятър винаги духа под по -остър ъгъл спрямо лодката, отколкото истинският вятър.
Скорост видим вятърможе да бъде повече (ако истинският вятър е челен или страничен) или по-малък от истинския (ако е от същата посока).

Посоки спрямо вятъра.

На вятъраозначава от страната, от която духа вятърът.
Под вятъра- от страната, където духа вятърът.
Тези термини, както и производни от тях, като „наветрен“, „подветрен“, се използват много широко, а не само при яхтинг.
Когато тези термини се прилагат към кораб, също е обичайно да се говори за наветрената и подветрената страна.
Ако вятърът духа от десния борд на яхтата, тогава тази страна се нарича на вятъра, лява страна - подветренасъответно.
Пристанище и десен борд са два термина, които са пряко свързани с предишните: ако вятърът духа към десния борд на кораба, тогава те казват, че той отива към десния борд, ако към пристанището е оставен.
В английската морска терминология това, което е свързано с десния борд и страната на порта, е различно от обичайните дясно и ляво. За десния борд и всичко, което е свързано с него, казват Starboard, за лявата страна - Порт.

Вятърни курсове.

Насочването на вятъра варира в зависимост от ъгъла между посоката на видимия вятър и посоката на лодката. Те могат да бъдат разделени на остри и пълни.

Beidewind е рязък курс спрямо вятъра. когато вятърът духа под ъгъл по -малък от 80 °. Тя може да бъде стръмна (до 50 °) и пълна (от 50 до 80 °).
Пълни курсове по отношение на вятъра са курсове, когато вятърът духа под ъгъл от 90 ° или повече спрямо посоката на движение на яхтата.
Тези курсове включват:
Gulfwind - вятърът духа под ъгъл от 80 до 100 °.
Backstay - вятърът духа под ъгъл от 100 до 150 ° (стръмен гръб) и от 150 до 170 ° (пълен гръб).
Fordewind - вятърът духа назад под ъгъл над 170 °.
Leventic - вятърът е строго челен или близо до него. Тъй като ветроходен кораб не може да се движи срещу такъв вятър, той по -често се нарича не курс, а позиция спрямо вятъра.

Маневри, свързани с вятъра.

Когато плаващата яхта променя курса си, така че ъгълът между вятъра и посоката на движение намалява, се казва, че корабът е даден... С други думи, кацането означава преминаване под по -остър ъгъл спрямо вятъра.
Ако се случи обратният процес, т.е.яхтата променя курса си към увеличаване на ъгъла между нея и вятъра, кораба се търкаля .
Нека да изясним, че термините („олово“ и „отклоняване“ се използват, когато лодката променя курса си спрямо вятъра в рамките на един и същ хват.
Ако корабът промени хватката, тогава (и само тогава!) Такава маневра при яхтинг се нарича завой.
Има два различни начина за промяна на прихващането и следователно два завоя: надвишаванеи fordewind .
Надвишаването е завой срещу вятъра. Лодката се задвижва, носът на лодката пресича линията на вятъра, в един момент лодката преминава през левентическото положение, след което лежи на друг хват.
Яхтирането при завой на заден ход се случва по обратния начин: плавателният съд се търкаля, кърмата пресича линията на вятъра, платната се прехвърлят на другата страна, яхтата лежи на друга греди. Най -често това е завой от един пълен курс към друг.

Работата на платното при яхтиране.

Една от основните задачи на моряка при работа с платна е да ориентира платното под оптималния ъгъл спрямо вятъра, за да се движи най -добре напред. За да направите това, трябва да разберете как платното взаимодейства с вятъра.
Работата на платното в много отношения е подобна на работата на самолетно крило и се осъществява съгласно законите на аеродинамиката. За особено любопитни яхтсмени можете да научите повече за аеродинамиката на едно платно като крило в поредица от статии :. Но е по -добре да направите това, след като прочетете тази статия, като постепенно преминете от лесен към по -сложен материал. Въпреки това, на кого казвам това? Истинските яхтсмени не се страхуват от трудности. И можете да направите всичко точно обратното.

Основната разлика между платно и самолетно крило е, че за да се появи аеродинамичната сила на платното, е необходим определен ненулев ъгъл между него и вятъра, този ъгъл се нарича ъгъл на атака. Крилото на самолета има асиметричен профил и може да работи нормално при нулев ъгъл на атака, платното не.
В процеса на вятъра, който тече около платното, възниква аеродинамична сила, която в крайна сметка задвижва яхтата напред.
Помислете за работата на платното при яхтинг при различни курсове спрямо вятъра. Първо, за простота, нека си представим, че мачтата с едно платно е вкопана в земята и можем да насочим вятъра под различни ъгли към платното.

Ъгълът на атака е 0 °. Вятърът духа по платното, ветрилото се развява като знаме. На платното няма аеродинамична сила, има само сила на плъзгане.
Ъгъл на атака 7 °. Аеродинамичната сила започва да се проявява. Той е насочен перпендикулярно на платното и все още е с малки размери.
Ъгълът на атака е около 20 °. Аеродинамичната сила е достигнала максималната си величина, насочена перпендикулярно на платното.
Ъгълът на атака е 90 °. Във връзка с предишния случай аеродинамичната сила не се е променила значително нито по величина, нито по посока.
По този начин виждаме, че аеродинамичната сила винаги е насочена перпендикулярно на платното и нейната величина практически не се променя в диапазона на ъглите от 20 до 90 °.
Ъглите на атака, по -големи от 90 °, няма смисъл да се обмислят, тъй като платната на яхта обикновено не се поставят под такива ъгли по отношение на вятъра.

Горните зависимости на аеродинамичната сила от ъгъла на атака са до голяма степен опростени и осреднени.
Всъщност тези свойства варират значително в зависимост от формата на платното. Например, дълъг, тесен и доста плосък гръб на състезателни яхти ще има максимална аеродинамична сила при ъгъл на атака от около 15 °, при по -високи ъгли силата ще бъде малко по -малка. Ако платното е с по-коремен корем и няма много голямо удължение, тогава аеродинамичната сила върху него може да бъде максимална при ъгъл на атака от около 25-30 °.

Сега нека разгледаме работата на платното на яхта.

За простота, нека си представим, че има само едно платно на яхта. Нека бъде пещера.
Първо, струва си да разгледаме как се държи системата яхта + платно, когато плавате в най -острите курсове спрямо вятъра, тъй като това обикновено повдига най -много въпроси.

Да кажем, че вятърът действа върху яхта под ъгъл 30-35 ° спрямо корпуса. Като ориентираме платното по курс под ъгъл приблизително 20 ° спрямо вятъра, ще получим върху него достатъчна аеродинамична сила А.
Тъй като тази сила действа под прав ъгъл спрямо платното, можем да видим, че тя дърпа яхтата силно настрани. След като разложим силата А на два компонента, можем да видим, че тягата напред Т е няколко пъти по -малка от силата, изтласкваща лодката настрани (D, силата на дрейфа).
Как тогава яхтата се движи напред?
Факт е, че конструкцията на подводната част на корпуса е такава, че съпротивлението на корпуса при движение встрани (т.нар. Странично съпротивление) също е няколко пъти по-голямо от съпротивлението при движение напред. Това се улеснява от кила (или централната дъска), кормилото и самата форма на корпуса.
Страничното съпротивление обаче възниква, когато има на какво да се устои, тоест, за да започне да работи, е необходимо известно изместване на тялото встрани, така нареченият вятър.

Това изместване естествено възниква под действието на страничния компонент на аеродинамичната сила и като реакция веднага възниква страничната сила на съпротивление S, насочена в обратна посока. По правило те се балансират помежду си под ъгъл на отклонение от около 10-15 °.
И така, очевидно е, че страничният компонент на аеродинамичната сила, който е най -силно изразен при остри курсове спрямо вятъра, причинява две нежелани явления: дрейф и търкаляне на вятъра.

Дрейфът на вятъра означава, че траекторията на яхтата не съвпада с нейната централна линия (централната линия, или DP, е интелигентен термин за линия на носовата кърма). Има постоянно изместване на яхтата във вятъра, движението изглежда е малко настрани.
Известно е, че при яхти на страничен курс със средно метеорологични условиядрейфът на вятъра като ъгълът между DP и реалната траектория на движение е приблизително 10-15 °.

Напредък срещу вятъра. Прихващане.

Тъй като яхтирането под платна е невъзможно строго срещу вятъра, но можете да се движите само под определен ъгъл, би било добре да имате представа колко рязко яхтата може да се движи към вятъра в градуси. И какво съответно е този неподвижен сектор от курсове спрямо вятъра, в който движението срещу вятъра е невъзможно.
Опитът показва, че конвенционалната круизна яхта (а не състезателна яхта) може ефективно да плава 50-55 ° до истинския вятър.

По този начин, ако целта, която трябва да бъде постигната, е строго срещу вятъра, тогава яхтирането до нея ще се извършва не по права линия, а по зигзаг с една халка, след това друга. В този случай естествено ще трябва да се опитате да отидете възможно най -рязко към вятъра. Този процес се нарича прилепване.

Ъгълът между траекториите на яхтите върху две съседни греди при прилепване се нарича прилепване. Очевидно при рязко движение на вятъра от 50-55 ° ъгълът на залепване ще бъде 100-110 °.

Стойността на ъгъла на прилепване ни показва колко ефективно можем да се движим към целта, ако тя е разположена строго срещу вятъра. Например за ъгъл от 110 °, пътят към целта се увеличава с 1,75 пъти в сравнение с движението по права линия.

Експлоатация на платна на други вятърни курсове

Очевидно вече на курса на Gulfwind тягата Т значително надвишава силата на дрейф D, така че дрейфът и търкалянето ще бъдат малки.

Както можем да видим, задникът не е променил много в сравнение с курса на Gulfwind. Основното платно е поставено в положение почти перпендикулярно на DP и това положение е най -доброто за повечето яхти, технически е невъзможно да се разгърне още по -далеч.

Позицията на основното платно на курса за заден ход не се различава от позицията на курса на задния багажник.
Тук за простота, когато разглеждаме физиката на процеса в яхтирането, ние вземаме предвид само едно платно - основното платно. Обикновено яхтата има две платна - основното платно и стойката (платно на главата). Така че, на заден ход, оставащият платно (ако е разположен от същата страна като основното платно) е в сянката на вятъра от основното платно и практически не работи. Това е една от няколкото причини, поради които курсът на заден ход не харесва моряците.

Трудно е да си представим как ветроходните кораби могат да вървят „срещу вятъра“ - или, по думите на моряците, да отидат „на страничния вятър“. Вярно е, че морякът ще ви каже, че не можете да отидете директно срещу вятъра под платната, но 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 плавате директно срещу вятъра или под ъгъл от 22 ° спрямо 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, нека разгледаме как вятърът действа върху платното като цяло, т.е. къде избутва платното, когато духа върху него. Вероятно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: където и да духа вятърът, той бута платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: нека вятърът да духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по -долу; линия ABозначава платно.

Вятърът винаги избутва платното под прав ъгъл спрямо равнината му.

Тъй като вятърът притиска равномерно цялата повърхност на платното, ние заменяме 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 протежение на него (виж фигурата по -горе, вдясно). Последната сила бута платното никъде, тъй като триенето на вятъра върху платното е незначително. Силата остава Вкоето избутва платното под прав ъгъл към него.

Знаейки това, ние лесно можем да разберем как ветроходен кораб може да се движи под остър ъгъл спрямо вятъра. Нека линията QCизобразява килевата линия на плавателния съд.

Как можеш да плаваш срещу вятъра.

Вятърът духа под остър ъгъл спрямо тази линия в посоката, посочена от реда със стрелки. Линия ABизобразява платно; той е поставен така, че неговата равнина да раздели ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Следвайте разлагането на силите на фигурата. Ние представяме натиска на вятъра върху платното със сила Вкоито знаем, че трябва да са перпендикулярни на платното. Ще разложим тази сила на две: силата Rперпендикулярно на кила и силата Снапред по киловата линия на плавателния съд. Тъй като движението на плавателния съд по посока Rотговаря на силна водоустойчивост (кил в ветроходни корабистава много дълбоко), след това силата Rпочти напълно балансиран от водоустойчивост. Остава само силата 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 „прилепване“ в тесния смисъл на думата.