Purjelaeva liikumine vastutuult. Kuidas saavad purjekad vastutuult sõita? Tõeline ja vimpli tuul jahisõidus

Jätkame interaktiivse populaarteadusliku ajaveebi "Kahe minutiga selgitan" koostatud publikatsioonide sarja. Blogis räägitakse lihtsatest ja keerulistest asjadest, mis meid igapäevaselt ümbritsevad ega tekita täpselt niikaua küsimusi, kuni me nende peale ei mõtle. Näiteks saab sealt teada, kuidas kosmoselaevad ei lase mööda ega põrka dokkides ISS-iga kokku.

1. Purje all on võimatu purjetada rangelt vastutuult. Kui aga tuul puhub eestpoolt, kuid veidi viltu, võib jaht vabalt liikuda. Sellistel juhtudel on laev väidetavalt teraval kursil.

2. Purje tõukejõud tuleneb kahest tegurist. Esiteks surub tuul lihtsalt purjedele peale. Teiseks, enamikele kaasaegsetele jahtidele paigaldatud kaldpurjed töötavad õhuga voolates nagu lennukitiib ja tekitavad "tõstuki", ainult et see on suunatud mitte üles, vaid ettepoole. Tänu aerodünaamikale liigub õhk purje kumeral küljel kiiremini kui nõgusal küljel ning rõhk purje välisküljele on väiksem kui siseküljel.

3. Purje tekitatud kogujõud on purjega risti. Vektorite liitmise reegli järgi on selles võimalik eristada triivijõudu (punane nool) ja tõukejõudu (roheline nool).

4. Teravatel kursidel on triivi jõud suur, kuid sellele vastandub kere, kiilu ja rooli kuju: jaht ei saa vee vastupanu tõttu külili minna. Teisest küljest libiseb see kergelt edasi isegi madala veojõu korral.

5. Rangelt vastutuult minekuks manööverdab jaht: pöördub ühe või teise küljega tuule poole, liigub segmentidena edasi – tõmbub. Kui pikk peaks olema takk ja millise nurga all tuule suhtes minna, on kipperi taktika olulised küsimused.

6. Tuule suhtes on laeval viis põhirooga. Tänu Peeter I-le juurdus hollandi merendusterminoloogia Venemaal.

7. Leventic- tuul puhub otse laeva vööri. Purje all sellisel kursil purjetada ei saa, kuid pööret tuule poole kasutatakse jahi peatamiseks.

8. Tagatuul- väga terav kurss. Külili sõites puhub tuul näkku, seega tundub, et jaht arendab väga suurt kiirust. Tegelikult on see tunne petlik.

9. Gulfwind- tuul puhub risti sõidusuunaga.

10. Lavatagused- tuul puhub ahtrist ja küljelt. See on kiireim kursus. Tagaküljel jooksvad kiired võidusõidupaadid suudavad tänu purje tõstejõule kiirendada tuule kiirust ületava kiiruseni.

11. Fordewind- samasugune taganttuul puhub ahtrist. Vastupidiselt ootustele mitte just kõige kiirem rada: siin ei kasutata purje tõstmist ning teoreetiline piirkiirus ei ületa tuule kiirust. Kogenud kapten suudab ennustada nähtamatuid õhuvoolusid samamoodi nagu lennuki piloot üles- ja allavoolu.

Diagrammi interaktiivset versiooni saate vaadata ajaveebis "Selgitan kahe minuti pärast".

Raske on ette kujutada, kuidas purjelaevad võivad minna "vastutuult" - või meremeeste sõnadega "külgtuult". Tõsi, purjetaja ütleb sulle, et purjede all ei saa minna otse vastutuult, vaid liikuda saab ainult terava nurga all tuule suuna suhtes. Kuid see nurk on väike - umbes veerand täisnurgast - ja võib-olla tundub sama arusaamatu: kas ujuda otse vastutuult või selle suhtes 22 ° nurga all.

Tegelikkuses pole see aga ükskõikne ja nüüd selgitame, kuidas tuule jõud võib selle poole minna väikese nurga all. Kõigepealt mõelge, kuidas tuul purjele üldiselt mõjub, st kuhu ta purje peale puhudes lükkab. Tõenäoliselt arvate, et tuul lükkab purje alati selles suunas, kuhu see puhub. Kuid see pole nii: kus iganes tuul puhub, surub ta purje purje tasapinnaga risti. Tõepoolest: laske tuulel puhuda alloleval joonisel nooltega näidatud suunas; rida AB tähistab purje.

Kuna tuul surub ühtlaselt kogu purje pinnale, asendame tuulesurve purje keskele rakendatava jõuga R. Jagame selle jõu kaheks: jõud K purjega risti ja seda mööda suunatud jõud P (vt ülaltoodud joonist paremal). Viimane jõud ei lükka purje kuhugi, kuna tuule hõõrdumine vastu lõuendit on tühine. Jääb tugevaks K mis surub purje enda suhtes täisnurga all.

Seda teades saame kergesti aru, kuidas purjelaev võib tuule poole terava nurga all sõita. Laske rida QC kujutab aluse kiilujoont.

Tuul puhub selle joone suhtes terava nurga all noolereaga näidatud suunas. Liin AB kujutab purje; see asetatakse nii, et selle tasapind poolitab nurga kiilu suuna ja tuule suuna vahel. Jälgi joonisel olevate jõudude lagunemist. Esindame jõuga tuule survet purjele K mis meie teada peavad olema purjega risti. Jagame selle jõu kaheks: jõud R kiiluga risti ja jõudu S piki laeva kiilujoont edasi. Alates laeva liikumisest suunas R vastab tugevale veekindlusele (keel in purjelaevad muutub väga sügavaks), siis jõud R peaaegu täielikult tasakaalustatud veekindlusega. Jääb vaid jõud S, mis, nagu näha, on suunatud ettepoole ja seetõttu liigutab laeva viltu, justkui tuule poole. [Võib tõestada, et tugevus S on suurim, kui purje tasapind poolitab nurga kiilu ja tuule suuna vahel.]. Tavaliselt tehakse seda liigutust siksakidena, nagu on näidatud alloleval joonisel. Meremeeste keeles nimetatakse seda laeva liikumist selle sõna kitsas tähenduses "tacking".

TUULELE JUHTIV JÕUD

NASA veebilehel on avaldatud väga huvitavaid materjale erinevate tegurite kohta, mis mõjutavad lifti teket lennuki tiiva poolt. Samuti on olemas interaktiivsed graafilised mudelid, mis näitavad, et voolu läbipainde tõttu võib tõusu tekitada ka sümmeetriline tiib.

Puri, olles õhuvoolu suhtes nurga all, kaldub selle kõrvale (joonis 1d). Purje “ülespoole”, tuulealusest küljest läbi tulles läbib õhuvool pikemat teed ja liigub vastavalt voolu pidevuse põhimõttele kiiremini kui vastutuult “alla” poolelt. Tulemuseks on väiksem surve purje tuulealusele poolele kui vastutuule poolele.

Tuule suunaga risti seatud purjega eestuulesuunal purjetades on vastutuule rõhu suurenemise kiirus suurem kui rõhu languse kiirus tuulealusel küljel ehk teisisõnu tuul lükkab jahti rohkem kui see. tõmbab. Kui paat pöörab teravamalt tuule poole, siis see suhe muutub. Seega, kui tuul puhub jahi kursiga risti, siis surve suurenemine purjele vastutuule poolelt mõjutab kiirust vähem kui rõhu vähenemine tuulealuselt küljelt. Ehk siis puri tõmbab jahti rohkem kui lükkab.

Jahi liikumine on tingitud sellest, et tuul suhtleb purjega. Selle interaktsiooni analüüs viib paljude uustulnukate jaoks ootamatute tulemusteni. Selgub, et maksimaalne kiirus ei saavutata siis, kui tuul puhub täpselt tagant, vaid soov “tagatuule” kannab endas täiesti ootamatut tähendust.

Nii puri kui ka kiil tekitavad vastavalt õhu- või veevooluga suhtlemisel tõstejõu, seetõttu saab nende jõudluse optimeerimiseks rakendada tiivateooriat.

TUULELE JUHTIV JÕUD

Õhuvoolul on kineetiline energia ja see suudab purjedega suheldes jahti edasi lükata. Nii lennuki purjede kui ka tiiva tööd kirjeldab Bernoulli seadus, mille kohaselt voolukiiruse suurenemine toob kaasa rõhu languse. Õhus liikudes jagab tiib voolu pooleks. Osa käib ümber tiiva ülalt, osa alt. Lennuki tiib on konstrueeritud nii, et õhuvool üle tiiva ülaosa on kiirem kui vool tiiva põhja all. Tulemuseks on oluliselt madalam rõhk tiiva kohal kui all. Rõhu erinevus on tiiva tõstejõud (joonis 1a). Tänu oma keerulisele kujule on tiib võimeline tekitama tõstejõudu ka siis, kui see lõikab tiiva tasapinnaga paralleelselt liikuvat voolu.

Puri saab jahti liigutada ainult siis, kui see on oja suhtes mingi nurga all ja selle kõrvale kaldub. Küsimus, kui suur osa tõstest on seotud Bernoulli efektiga ja kui suur on voolu läbipainde tulemus, on endiselt vastuoluline. Klassikalise tiivateooria kohaselt tuleneb tõstejõud ainult asümmeetrilise tiiva kohal ja all olevatest voolukiirustest. Samas on hästi teada, et sümmeetriline tiib on võimeline tekitama ka lifti, kui see on paigaldatud voolu suhtes teatud nurga all (joonis 1b). Mõlemal juhul nimetatakse nurka tiiva esi- ja tagapunkti ühendava joone ja voolusuuna vahel ründenurgaks.

Tõstejõud suureneb lööginurga suurenedes, kuid see suhe toimib ainult selle nurga väikeste väärtuste korral. Niipea, kui ründenurk ületab teatud kriitilise piiri ja vool katkeb, tekib tiiva ülapinnale arvukalt keeriseid ning tõstejõud väheneb järsult (joonis 1c).

Jahtimehed teavad, et esituul pole kaugeltki kiireim kurss. Kui sama tugev tuul puhub kursi suhtes 90 kraadise nurga all, liigub paat palju kiiremini. Esituule kursil sõltub jõud, millega tuul purje vastu surub, jahi kiirusest. Maksimaalse jõuga surub tuul seisva jahi purjele (joonis 2a). Kiiruse kasvades surve purjele langeb ja muutub minimaalseks, kui jaht saavutab maksimumkiiruse (joonis 2b). Maksimaalne kiirus esituule kursil on alati väiksem kui tuule kiirus. Sellel on mitu põhjust: esiteks hõõrdumine, igasuguse liikumise puhul kulub mingi osa energiast erinevate liikumist takistavate jõudude ületamiseks. Kuid peamine on see, et jõud, millega tuul purjele surub, on võrdeline näiva tuule kiiruse ruuduga ja tuule näiv kiirus tagasituule kursil on võrdne tegeliku tuule kiiruse ja jahi kiiruse vahega. .

Gulfwindi suunaga (90º tuule suhtes) purjejahid on võimelised liikuma tuulest kiiremini. Selle artikli raames me näiva tuule iseärasusi ei käsitle, märgime vaid, et lahetuule kursil sõltub jõud, millega tuul purjedele surub, vähem jahi kiirusest (joonis 2c).

Hõõrdumine on peamine tegur, mis takistab kiiruse suurenemist. Seetõttu suudavad vähese liikumistakistusega purjekad saavutada tuule kiirusest palju suurema kiiruse, kuid mitte vastutuulekursil. Näiteks tänu sellele, et uiskudel on tühine libisemistakistus, suudab uisk tuule kiirusel 50 km/h või isegi vähem kiirendada kiiruseni 150 km/h.

Purjetamise füüsika selgitus: sissejuhatus

ISBN 1574091700, 9781574091700

Ma arvan, et paljud meist kasutaksid võimalust sukelduda mingisuguse allveesõidukiga merekuristikusse, kuid siiski eelistaks enamik kruiis purjeka peal. Kui polnud lennukeid ega ronge, olid ainult purjekad. Maailm oli ilma nendeta, ei muutunud selleks.

Sirgete purjedega purjekad tõid eurooplased Ameerikasse. Nende stabiilsed tekid ja ruumikad trümmid tõid mehi ja tarvikuid Uue Maailma ehitamiseks. Kuid isegi neil iidsetel laevadel olid oma piirangud. Nad kõndisid aeglaselt ja praktiliselt samas suunas allatuult. Sellest ajast on palju muutunud. Tänapäeval kasutavad nad tuule- ja laineenergia juhtimise täiesti erinevaid põhimõtteid. Nii et kui tahad moodsaga sõita, pead natuke füüsikat õppima.

Kaasaegne purjetamine ei ole lihtsalt allatuult minek, see on miski, mis mõjutab purje ja paneb selle tiivana lendama. Ja seda nähtamatut "midagi" nimetatakse tõstmiseks, mida teadlased nimetavad külgjõuks.

Tähelepanelik vaatleja ei saanud märkamata jätta, et ükskõik kust tuul ka ei puhuks, liigub purjejaht alati sinna, kuhu kapten vajab – ka siis, kui tuul on vastu. Mis on sellise hämmastava kangekaelsuse ja kuulekuse kombinatsiooni saladus.

Paljud ei saa isegi aru, et puri on tiib ning tiiva ja purje tööpõhimõte on sama. See põhineb tõstejõul, ainult kui lennuki tiiva tõstejõud, kasutades vastutuult, surub lennuki üles, siis vertikaalselt paiknev puri suunab purjekat edasi. Et seda teaduslikult selgitada, tuleb minna tagasi põhitõdede juurde – kuidas puri töötab.

Heitke pilk simuleeritud protsessile, mis näitab, kuidas õhk purje tasapinnal mõjub. Siin on näha, et mudeli all olevad kõveramad õhuvoolud painduvad, et mudelist mööda minna. Sel juhul peab vool veidi kiirenema. Selle tulemusena ilmub madalrõhuala - see tekitab tõstejõu. Madal rõhk alumisel küljel tõmbab purje alla.

Teisisõnu, kõrgrõhuala püüab liikuda madalrõhuala poole, avaldades survet purjele. Tekib rõhuerinevus, mis tekitab tõstejõu. Purje kuju tõttu on tuule kiirus sisemisel vastutuule poolel väiksem kui tuulealusel poolel. Väljaspool tekib vaakum. Puri imeb sõna otseses mõttes õhku, mis lükkab purjejahti edasi.

Tegelikult on seda põhimõtet üsna lihtne mõista, vaadake lihtsalt mis tahes purjelaeva lähemalt. Nipp seisneb siin selles, et puri, olenemata asukohast, kannab tuuleenergiat laevale ja isegi kui visuaalselt tundub, et puri peaks jahti pidurdama, on jõudude rakenduskeskus purjeka vöörile lähemal. ja tuule jõud tagab translatsioonilise liikumise.

Kuid see on teooria, kuid praktikas on kõik veidi erinev. Tegelikult ei saa purjejaht vastutuult minna – ta liigub tema suhtes teatud nurga all, nn takid.

Purjekas liigub tänu jõudude tasakaalule. Purjed toimivad nagu tiivad. Suurem osa nende tekitatud tõstest on suunatud küljele ja ainult väike osa ettepoole. Saladus peitub aga selles imelises nähtuses nn "nähtamatus" purjes, mis asub jahi põhja all. See on kiil või merekeeles - kesklaud. Keskplaadi tõstuk tekitab ka tõstejõudu, mis on samuti suunatud eelkõige küljele. Kiil on vastupidine kreenile ja purjele vastupidisele jõule.

Lisaks tõstejõule esineb ka veeremine – edasiliikumist kahjustav ja laeva meeskonnale ohtlik nähtus. Kuid seepärast on jahil meeskond, kes on elav vastukaal vääramatutele füüsilistele seadustele.

Kaasaegses purjekas töötavad nii kiil kui ka puri koos, et juhtida purjekat edasi. Kuid nagu iga algaja meremees praktikas kinnitab, on kõik palju keerulisem kui teoorias. Kogenud purjetaja teab, et isegi väikseim muutus purje kurvis võimaldab saada rohkem tõstejõudu ja juhtida selle suunda. Purje kumerust muutes kontrollib vilunud purjetaja tõstukit tekitava ala suurust ja asendit. Sügav ettepoole suunatud kurv võib tekitada suure survetsooni, kuid kui kurv on liiga suur või esiserv liiga järsk, ei järgi selle ümber voolavad õhumolekulid enam kurvi. Teisisõnu, kui objektil on teravad nurgad, ei saa voolu osakesed pööret teha - liikumisimpulss on liiga tugev, seda nähtust nimetatakse "eraldatud vooluks". Selle efekti tulemuseks on see, et puri "helbeneb", kaotab tuul.

Ja siin on veel mõned praktilisi nõuandeid tuuleenergia kasutamine. Optimaalne vastutuule kurss (võidusõidu külgtuul). Meremehed nimetavad seda "vastutuult purjetamiseks". Vimpli tuul, mille kiirus on 17 sõlme, on märgatavalt kiirem kui tõeline tuul, mis loob lainesüsteemi. Nende suundade erinevus on 12 °. Suund näiva tuule poole - 33 °, tõelise tuule poole - 45 °.

Tuuled, mis puhuvad lõuna pool Vaikne ookean puhub läände. Seetõttu oli meie marsruut kavandatud nii, et edasi purjejaht"Juliet" liiguvad idast läände ehk nii, et tuul puhub tagant.

Kui aga vaadata meie marsruuti, siis märkad, et tihti näiteks liikudes lõunast põhja Samoalt Tokelausse pidime liikuma risti tuulega. Ja vahel muutus tuule suund üldse ja pidi vastutuult minema.

Julia marsruut

Mida sel juhul teha?

Purjelaevad on juba ammu saanud vastutuult sõita. Klassik Yakov Perelman kirjutas sellest pikalt hästi ja lihtsalt oma teises raamatus meelelahutusliku füüsika tsüklist. Tsiteerin seda kirjatükki siin sõna-sõnalt koos piltidega.

„Purjetamine vastutuult

Raske on ette kujutada, kuidas purjelaevad võivad minna "vastutuult" - või meremeeste sõnadega "külgtuult". Tõsi, purjetaja ütleb sulle, et purjede all ei saa minna otse vastutuult, vaid liikuda saab ainult terava nurga all tuule suuna suhtes. Kuid see nurk on väike - umbes veerand täisnurgast - ja võib-olla tundub sama arusaamatu: kas ujuda otse vastutuult või selle suhtes 22 ° nurga all.

Tegelikkuses pole see aga ükskõikne ja nüüd selgitame, kuidas tuule jõud võib selle poole minna väikese nurga all. Kõigepealt mõelge, kuidas tuul purjele üldiselt mõjub, st kuhu ta purje peale puhudes lükkab. Tõenäoliselt arvate, et tuul lükkab purje alati selles suunas, kuhu see puhub. Kuid see pole nii: kus iganes tuul puhub, surub ta purje purje tasapinnaga risti. Tõepoolest: laske tuulel puhuda alloleval joonisel nooltega näidatud suunas; joon AB tähistab purje.

Tuul surub purje alati oma tasapinnaga täisnurga all.

Kuna tuul surub ühtlaselt kogu purje pinnale, asendame tuulesurve purje keskele rakendatava jõuga R. Jagame selle jõu kaheks: purjega risti olev jõud Q ja mööda seda suunatud jõud P (vt ülaltoodud joonist paremal). Viimane jõud ei lükka purje kuhugi, kuna tuule hõõrdumine vastu lõuendit on tühine. Jõud Q jääb alles, mis surub purje selle suhtes täisnurga all.

Seda teades saame kergesti aru, kuidas purjelaev võib tuule poole terava nurga all sõita. Olgu KK joon tähistab laeva kiilujoont.

Kuidas saab vastutuult purjetada.

Tuul puhub selle joone suhtes terava nurga all noolereaga näidatud suunas. Joon AB tähistab purje; see asetatakse nii, et selle tasapind poolitab nurga kiilu suuna ja tuule suuna vahel. Jälgi joonisel olevate jõudude lagunemist. Esitame tuule survet purjele jõuga Q, mis, nagu me teame, peab olema purjega risti. Jagame selle jõu kaheks: jõuks R, mis on risti kiiluga, ja jõuks S, mis on suunatud edasi piki laeva kiilujoont. Kuna laeva R-suunalisel liikumisel tekib tugev veetakistus (purjelaevadel läheb kiil väga sügavaks), siis on R-i jõud peaaegu täielikult veetakistusega tasakaalustatud. On ainult üks jõud S, mis, nagu näha, on suunatud ettepoole ja liigutab seetõttu laeva viltu, justkui tuule poole. [Jõud S on suurim, kui purje tasapind poolitab nurga kiilu ja tuule suuna vahel.]. Tavaliselt tehakse seda liigutust siksakidena, nagu on näidatud alloleval joonisel. Meremeeste keeles nimetatakse seda laeva liikumist "tõmbumiseks" selle sõna kitsas tähenduses.

Vaatleme nüüd kõiki võimalikke tuulesuundi paadi kursi suhtes.

Laeva kursi diagramm tuule suhtes, st tuule suuna ja ahtrist vööri vektori vaheline nurk (suund).

Kui tuul näkku puhub (leventik), siis purjed rippuvad küljelt küljele ja purjega on võimatu liikuda. Muidugi saab alati purjed alla lasta ja mootori sisse lülitada, aga purjetamisega pole siin midagi pistmist.

Kui tuul puhub otse tagant (eestuul, taganttuul), avaldavad hajutatud õhumolekulid purjele ühelt poolt survet ja paat liigub. Sel juhul saab laev liikuda ainult tuule kiirusest aeglasemalt. Siin töötab tuules rattasõidu analoog - tuul puhub tagant ja pedaalida on lihtsam.

Vastutuult (tagatuult) liikudes ei liigu puri mitte tagantpoolt purjele avaldatavate õhumolekulide surve tõttu, nagu ettetuule puhul, vaid tõstejõu tõttu, mis tekib mõlemast erinevast õhukiirusest. küljed mööda purje. Samal ajal liigub paat kiilu tõttu mitte paadi kursiga risti olevas suunas, vaid ainult edasi. See tähendab, et puri pole sel juhul vihmavari, nagu külgveo puhul, vaid lennuki tiib.

Ülesõitudel kõndisime põhiliselt seljatagasi ja meretuulesid keskmise kiirusega 7-8 sõlme tuulega 15 sõlme. Vahel käisime vastutuult, Gulfwind ja Beydewind. Ja kui tuul vaibus, panid nad mootori käima.

Üldiselt pole vastutuult sõitev purjega paat mingi ime, vaid reaalsus.

Kõige huvitavam on see, et paadid saavad kõndida mitte ainult vastutuult, vaid isegi kiiremini kui tuul. See juhtub siis, kui paat on tagaküljel, luues "oma tuule".