Kodu Ahven Mis tuul põhjustab purjelaeva liikumist. Kuidas purjekaga vastutuult sõita? Nüüd vaatame, kuidas puri jahil töötab.

Mis tuul põhjustab purjelaeva liikumist. Kuidas purjekaga vastutuult sõita? Nüüd vaatame, kuidas puri jahil töötab.

Jätkame interaktiivse populaarteadusliku ajaveebi "Selgitan kahe minuti pärast" 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 dokkides mööda ei lase ega põrka kokku ISS-iga.

1. Rangelt vastutuult purjetamine on võimatu. Kui aga tuul puhub ees, kuid veidi viltu, võib jaht hästi liikuda. Sellistel juhtudel on laev väidetavalt teraval kursil.

2. Purje tõukejõud kujuneb kahe teguri mõjul. Esiteks surub tuul lihtsalt purjedele peale. Teiseks, enamikele tänapäevastele jahtidele paigaldatud kaldpurjed töötavad õhuga ringi liikudes nagu lennukitiib ja tekitavad “tõste”, ainult et see ei ole suunatud üles, vaid ettepoole. Tänu aerodünaamikale liigub õhk purje kumeral küljel kiiremini kui nõgusal poolel ning rõhk purje välisküljele on väiksem kui siseküljel.

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

4. Teravatel kursidel on triivijõud suur, kuid sellele vastandub kere, kiilu ja rooli kuju: jaht ei saa veekindluse tõttu külili minna. Kuid edasi libiseb see meelsasti isegi väikese tõmbejõuga.

5. Rangelt vastutuult minekuks jaht tõukab: pöördub ühe või teise küljega tuule poole, liikudes edasi segmentide kaupa – tõmbub. Kui pikad peaksid olema tõuked ja millise nurga all tuule suhtes – olulised küsimused kipperi taktikast.

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

7. Leventik– tuul puhub otse laeva vööri. Sellisel kursil purjetada ei saa, kuid jahi peatamiseks kasutatakse pööret tuule poole.

8. Taganttuul– sama terav kurss. Kui oled lähedal, puhub tuul näkku, seega tundub, et jaht arendab väga suurt kiirust. Tegelikult on see tunne petlik.

9. Gulfwind– tuul puhub sõidusuunaga risti.

10. Backstay- tuul puhub ahtrist ja küljelt. See on kiireim kursus. Kiired backstay võidusõidupaadid suudavad tänu purje tõstmisele kiirendada tuule kiirusest suurema kiiruseni.

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

Diagrammi interaktiivset versiooni saate vaadata ajaveebis "Kaks minutit selgitatud".

Tuuled, mis puhuvad Vaikse ookeani lõunaosas lääne suunas. Seetõttu sai meie marsruut koostatud nii, et purjejahil "Juliet" liigume idast läände ehk nii, et tuul puhub tagant.

Kui aga vaadata meie marsruuti, siis märkad, et sageli, näiteks liikudes lõunast põhja Samoalt Tokelausse, pidime liikuma risti tuulega. Ja vahel muutus tuule suund täiesti ja tuli vastutuult minna.

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 sarjast Entertaining Physics. Seda tükki tsiteerin siin sõna-sõnalt koos piltidega.

„Purjetamine vastutuult

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

Tegelikult pole see aga ükskõikne ja nüüd selgitame, kuidas on võimalik tuule jõul kerge nurga all selle poole liikuda. Mõelgem esmalt sellele, kuidas tuul purjele üldiselt mõjub ehk 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 üle kogu purje pinna, 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 lõuendil on tühine. Jõud Q jääb alles, mis surub purje selle suhtes täisnurga all.

Seda teades saame kergesti aru, kuidas purjelaev võib terava nurga all tuulde minna. Olgu KK joon tähistab laeva kiilujoont.

Kuidas saab vastutuult purjetada.

Tuul puhub selle joone suhtes terava nurga all noolereaga näidatud suunas. Joone AB tähistab purje; see asetatakse nii, et selle tasapind poolitab nurga kiilu suuna ja tuule suuna vahel. Järgige jõudude jaotuse diagrammi. Esitame tuule survet purjele jõuga Q, mis, nagu me teame, peaks olema purjega risti. Jagame selle jõu kaheks: jõuks R, mis on risti kiiluga, ja jõuks S, mis on suunatud edasi piki laeva kiilujoont. Kuna aluse liikumine suunas R kohtub tugeva veetakistusega (purjelaevadel on kiil väga sügav), on jõud R veetakistusega peaaegu täielikult tasakaalustatud. Jääb vaid jõud S, mis, nagu näete, on suunatud ettepoole ja liigutab seetõttu laeva nurga all, justkui tuule poole. [Võib näidata, et jõud S on suurim, kui purje tasapind poolitab nurga kiilu ja tuule suundade vahel.]. Tavaliselt tehakse seda liigutust siksakidena, nagu on näidatud alloleval joonisel. Meremeeste keeles nimetatakse sellist aluse liikumist selle sõna kitsas tähenduses "tacking".

Vaatleme nüüd kõiki võimalikke tuulesuundi paadi kursi suhtes.

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

Kui tuul puhub näkku (vastutuul), siis purjed rippuvad küljelt küljele ja purjega on võimatu liikuda. Muidugi saab alati purjed alla lasta ja mootori tööle panna, aga see ei puutu enam purjetamise juures.

Kui tuul puhub täpselt tagant (jibe, taganttuul), avaldavad hajutatud õhumolekulid ühelt küljelt purjele survet ja paat liigub. Sel juhul saab laev liikuda ainult tuule kiirusest aeglasemalt. Siin töötab analoogia tuules jalgrattaga sõitmisest - tuul puhub tagant ja pedaalida on lihtsam.

Liikudes vastutuult (vedamisel) ei liigu puri mitte tagantpoolt purjele avaldatava õhumolekulide surve tõttu, nagu jiibi puhul, vaid tõstejõu tõttu, mis tekib mõlemal erineva õhukiiruse tõttu. küljed mööda purje. Samas ei liigu paat kiilu tõttu paadi kursiga risti olevas suunas, vaid ainult edasi. See tähendab, et puri pole sel juhul vihmavari, nagu halva tuule puhul, vaid lennuki tiib.

Läbisõitudel purjetasime valdavalt seljatuulte ja meretuulega keskmise kiirusega 7-8 sõlme tuule kiirusega 15 sõlme. Vahel käisime vastutuult, pooltuules ja lähituult. Ja kui tuul vaibus, panid nad mootori käima.

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

Kõige huvitavam on see, et paadid võivad sõita mitte ainult vastutuult, vaid isegi kiiremini kui tuul. See juhtub siis, kui paat läheb tagasi, tekitades oma tuule.

Tuul surub purje alati oma tasapinnaga täisnurga all.

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

Seda teades saame kergesti aru, kuidas purjelaev võib terava nurga all tuulde minna. Lase rida QC kujutab laeva kiilujoont.

Kuidas saab vastutuult purjetada.

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. Järgige jõudude jaotuse diagrammi. Kujutame tuule survet purjele jõuga K, mis meie teada peab olema purjega risti. Jagame selle jõu kaheks: jõuks R, risti kiiluga ja jõudu S piki laeva kiilujoont ettepoole suunatud. Alates laeva liikumisest suunas R kohtab tugevat veetakistust (purjelaevadel läheb kiil väga sügavaks), siis jõud R peaaegu täielikult tasakaalustatud veekindlusega. Jääb vaid võim S, mis, nagu näha, on suunatud ettepoole ja seetõttu liigutab laeva viltu, justkui tuule poole. [Võib tõestada, et tugevus S saab suurima väärtuse, kui purje tasapind poolitab nurga kiilu ja tuule suundade vahel.]. Tavaliselt tehakse seda liigutust siksakidena, nagu on näidatud alloleval joonisel. Meremeeste keeles nimetatakse sellist aluse liikumist selle sõna kitsas tähenduses "tacking".

Kere takistusest vähem oluline pole ka purjede poolt arendatav tõmbejõud. Purjete töö selgemaks ettekujutamiseks tutvume purjeteooria põhimõistetega.

Peamistest jõududest, mis mõjuvad taganttuulega (gybe) ja vastutuulega (haul) sõitva jahi purjedele, on juba juttu olnud. Leiti, et purjedele mõjuvat jõudu saab lagundada jõuks, mis paneb jahi veerema ja allatuult triivima, triivimisjõuks ja tõukejõuks (vt joonis 2 ja 3).

Nüüd vaatame, kuidas määratakse purjedele mõjuv tuulesurve summaarne jõud ning millest sõltuvad tõmbe- ja triivijõud.

Et kujutada ette purje tööd teravatel kursidel, on mugav esmalt võtta arvesse lamedat purje (joon. 94), mis kogeb tuule survet teatud lööginurga all. Sel juhul tekivad purje taha keerised, selle tuulepoolsel poolel tekivad survejõud ja tuulealusel poolel tekivad haruldased jõud. Nende saadud R on suunatud ligikaudu risti purje tasapinnaga. Purje toimimise õigeks mõistmiseks on mugav esitada see kahe jõu komponendi resultandina: X-suunaline õhuvooluga (tuulega) paralleelselt ja Y-suunaline sellega risti.

Õhuvooluga paralleelselt suunatud jõudu X nimetatakse tõmbejõuks; selle loovad lisaks purjele ka jahi kere, taglas, peksid ja meeskond.

Jõudu Y, mis on suunatud õhuvooluga risti, nimetatakse aerodünaamikas tõstmiseks. Just tema loob teravatel kursidel tõukejõu jahi liikumissuunas.

Kui purje X sama takistuse korral (joonis 95) tõuseb tõstejõud näiteks väärtuseni Y1, siis, nagu joonisel näidatud, muutub saadud tõste ja takistus R võrra ja vastavalt tõukejõud T suureneb väärtuseni T1.

Sellise konstruktsiooniga on lihtne kontrollida, et takistuse X suurenemisega (sama tõstejõu korral) tõukejõud T väheneb.

Seega on veojõu ja seega ka kiiruse suurendamiseks järskudel kursidel kaks võimalust: purje tõstejõu suurendamine ning purje ja jahi takistuse vähendamine.

Kaasaegses purjetamises suurendatakse purje tõstejõudu, andes sellele nõgusa kuju mõne “poti kõhuga” (joon. 96): suurus mastist kuni “kõhu” sügavaima kohani on tavaliselt 0,3-0,4. purje laiusest ja "kõhu" sügavusest - umbes 6-10% laiusest. Sellise purje tõstejõud on 20-25% suurem kui peaaegu samasuguse takistusega täiesti tasasel purjel. Tõsi, laugete purjedega jaht läheb tuule poole veidi järsemalt. "Kõhuga" purjede puhul on aga tõukejõudu edenemise kiirus suurem tänu suuremale tõukejõule.

Riis. 96. Purjeprofiil

Pange tähele, et kõhuga purjede puhul ei suurene mitte ainult veojõud, vaid ka triivimisjõud, mis tähendab, et kõhuga purjedega jahtide veeremine ja triiv on suurem kui suhteliselt lamedate purjedega. Seetõttu on tugeva tuule korral üle 6-7% suurune kõhuga puri kahjumlik, kuna veeremise ja triivi suurenemine toob kaasa kere takistuse olulise suurenemise ja purjede efektiivsuse vähenemise, mis "söövad" üles” suurenenud tõukejõu mõju. Kerge tuulega tõmmatakse paremini 9-10% “kõhuga” purjed, kuna väikese tuule kogusurve tõttu purjele on veeremine väike.

Iga puri, mille ründenurk on suurem kui 15–20 °, st jahi kursil 40–50 ° tuule suhtes ja rohkem, võimaldab teil vähendada tõstejõudu ja suurendada takistust, kuna tuulealusel küljel tekivad märkimisväärsed turbulentsid. Ja kuna põhiosa tõstejõust tekitab sujuv, ilma turbulentsita vool purje tuulealuse külje ümber, siis peaks nende turbulentside hävitamisel olema suur mõju.

Nad hävitavad turbulentsid, mis tekivad suurpurje taga, seades püsipurje (joon. 97). Suurpurje ja jääpurje vahelisse pilusse sisenev õhuvool suurendab selle kiirust (nn düüsiefekt) ning peatuspurje õige reguleerimise korral “lakub” suurpurjest pöörised.

Riis. 97. Staysail töö

Pehme purje profiili on raske erinevate rünnakunurkade puhul sama hoida. Varem olid kummipaadid varustatud kogu purje läbivate läbivate soomustega - need tehti kõhu sees õhemaks ja kaani poole paksemaks, kus puri on palju lamedam. Nüüd paigaldatakse läbi soomused peamiselt jääpaatidele ja katamaraanidele, kus on eriti oluline säilitada purje profiili ja jäikust madalate ründenurkade korral, kui tavaline puri juba luffi mööda loputab.

Kui tõsteallikaks on ainult puri, siis tõmbejõudu tekitab kõik, mis on jahti ümbritsevas õhuvoolus. Seetõttu saab purje veoomadusi parandada ka jahi kere, peksude, taglase ja meeskonna takistuse vähendamisega. Sel eesmärgil kasutatakse peenradel ja taglasel erinevat tüüpi katteid.

Purje tõmbetugevus sõltub selle kujust. Aerodünaamika seaduste järgi on lennuki tiiva takistus sama pindalaga seda väiksem, kitsam ja pikem. Seetõttu püütakse puri (sisuliselt sama tiib, aga püsti seatud) teha kõrgeks ja kitsaks. See võimaldab kasutada ka sõidutuult.

Purje takistus sõltub väga suurel määral selle esiserva seisukorrast. Vibratsiooni tekkimise vältimiseks peavad kõik purjed olema tihedalt mähitud.

Peab mainima veel üht väga olulist asjaolu - nn purjede tsentreerimist.

Mehaanikast on teada, et igasuguse jõu määrab selle suurus, suund ja rakenduspunkt. Seni oleme rääkinud vaid purjele mõjuvate jõudude suurusest ja suunast. Nagu hiljem näeme, on rakenduspunktide tundmine purjede tööpõhimõtete mõistmiseks hädavajalik.

Tuule rõhk jaotub purje pinnale ebaühtlaselt (selle esiosa avaldab suuremat survet), kuid võrdlevate arvutuste lihtsustamiseks loetakse, et see jaotub ühtlaselt. Ligikaudsete arvutuste jaoks eeldatakse, et purjedele mõjuv tuulesurve resultantjõud rakendub ühele punktile; see on võetud purjede pinna raskuskeskmeks, kui need on asetatud jahi diametraaltasandile. Seda punkti nimetatakse tuule keskpunktiks (CP).

Peatume CPU asukoha määramise lihtsaimal graafilisel meetodil (joonis 98). Joonista jahi puri õiges mõõtkavas. Seejärel leidke mediaanide (joonte, mis ühendavad kolmnurga tippe vastaskülgede keskpunktidega) ristumiskohas iga purje keskpunkt. Olles saanud joonisel kahe suurpurje ja jääpurje moodustava kolmnurga keskpunktid O ja O1, tõmmatakse läbi nende keskpunktide kaks paralleelset joont OA ja O1B, mis asetsevad vastassuundades mis tahes, kuid samas mõõtkavas kui paljud lineaarsed. ühikud ruutmeetritena kolmnurgas; groti keskelt jääb jääpurje ala ja jääpurje keskelt - groti ala. Lõpp-punktid A ja B on ühendatud sirgjoonega AB. Teine sirgjoon - O1O ühendab kolmnurkade keskpunkte. Sirgede A B ja O1O ristumiskohas on ühine keskpunkt.

Riis. 98. Graafiline viis tuulekeskme leidmiseks

Nagu me juba ütlesime, mõjub triivijõule (me käsitleme seda tuule keskosas rakendatuna) vastu jahi kere külgtakistusjõud. Külgtakistusjõud loetakse rakendatuks külgtakistuse (CLC) keskpunktis. Külgtakistuskeskus on jahi veealuse osa projektsiooni raskuskese diametraaltasandil.

Külgtakistuse keskpunkti saab leida, kui lõigata paksust paberist välja jahi veealuse osa piirjoon ja asetada see mudel noaterale. Kui mudel on tasakaalus, vajutage seda kergelt, seejärel pöörake seda 90 ° ja tasakaalustage uuesti. Nende joonte ristumiskoht annab meile külgmise takistuse keskpunkti.

Kui jaht liigub ilma veeremiseta, peaks CPU asuma samal vertikaalsel joonel CBS-iga (joonis 99). Kui CPU asub CBS-ist eespool (joonis 99, b), siis külgtakistusjõu suhtes ettepoole nihutatud triivijõud pöörab aluse vööri tuulde – jaht kannab eemale. Kui protsessor on CBS-i taga, pöördub jaht oma vööriga tuule poole või juhitakse (joonis 99, c).

Riis. 99. Jahtide joondamine

Nii liigne tuulde toomine kui ka eriti eemale kandmine (ebaõige tsentreerimine) on jahi suunale kahjulikud, kuna sunnivad tüürimeest kogu aeg rooli keerama, et liikumise sirgus säiliks ning see suurendab kere takistust ja vähendab aluse kiirust. Lisaks põhjustab vale tsentreerimine juhitavuse halvenemist ja mõnel juhul selle täielikku kadumist.

Kui tsentreerime jahi nagu näidatud joonisel fig. 99, a ehk CPU ja CBS on samal vertikaalil, siis sõidetakse laeva väga tugevalt ja seda on väga raske juhtida. Mis viga? Siin on kaks peamist põhjust. Esiteks ei kattu protsessori ja CLS-i tegelik asukoht teoreetilisega (mõlemad keskused on nihutatud ettepoole, kuid mitte võrdselt).

Teiseks, ja see on peamine, kreenides osutuvad purjede tõmbejõud ja kere pikisuunalise takistuse jõud erinevatel vertikaaltasanditel (joonis 100), selgub justkui, kang, mis sunnib jahti juhtima. Mida suurem kreen, seda suurem on laeva kalduvus juhtida.

Sellise heite kõrvaldamiseks asetatakse CPU CBS-i ette. Veerega tekkiv tõukejõu ja pikisuunalise takistuse moment, mis põhjustab jahi juhtimist, kompenseeritakse triivijõudude ja külgtakistusmomendiga CPU ettepoole suunatud asukohaga. Hea tsentreerimise jaoks tuleb CPU asetada CLS-i ette kaugusele, mis on võrdne 10-18% jahi pikkusest piki veeliini. Mida ebastabiilsem on jaht ja mida kõrgemale CPU-st kõrgemale tõstetakse, seda rohkem tuleb seda edasi nihutada.

Selleks, et jahil oleks hea liikumine, tuleb see tsentreerida ehk panna CPU ja CLS sellisesse asendisse, kus nõrga tuulega tõmmatud kursil olev laev oleks purjedega täielikult tasakaalus ehk teisisõnu , oli kursil stabiilne visatud või DP-s fikseeritud rooliga (väga nõrga tuulega on lubatud kerge kalduvus ära kannatada) ja tugevama tuulega kaldus veerema. Iga tüürimees peab oskama jahti korralikult tsentreerida. Enamikul jahtidel suureneb kalduvus luffida, kui tagapurjed tõmmatakse üle ja esipurjed langetatakse. Kui esipurjed on üle ja tagapurjed üle tõmmatud, kannab laev ära. Seoses "kõhulise" suurpurje suurenemisega, aga ka halvasti seisvate purjedega kipub jahti rohkem sõitma.

Riis. 100. Veeremise mõju jahi tuulde toomisele