casa Attrezzatura Il movimento di un veliero controvento. Come fanno le barche a vela a navigare controvento? Venti veri e di gagliardetto nella nautica da diporto

Il movimento di un veliero controvento. Come fanno le barche a vela a navigare controvento? Venti veri e di gagliardetto nella nautica da diporto

Continuiamo la serie di pubblicazioni preparate dal blog interattivo di divulgazione scientifica "Ti spiego in due minuti". Il blog parla di cose semplici e complesse che ci circondano ogni giorno e non sollevano domande esattamente finché non ci pensiamo. Ad esempio, lì puoi scoprire come i veicoli spaziali non mancano e non si scontrano con la ISS durante l'attracco.

1. Navigare rigorosamente controvento è impossibile. Tuttavia, se il vento soffia davanti, ma leggermente inclinato, lo yacht potrebbe muoversi. In questi casi, si dice che la nave ha una rotta brusca.

2. La spinta della vela si forma a causa di due fattori. In primo luogo, il vento preme semplicemente sulle vele. In secondo luogo, le vele oblique installate sulla maggior parte degli yacht moderni, quando circolano con l'aria, funzionano come un'ala di aeroplano e creano "portata", solo che non è diretta verso l'alto, ma in avanti. A causa dell'aerodinamica, l'aria si muove più velocemente sul lato convesso della vela che sul lato concavo e la pressione all'esterno della vela è minore che all'interno.

3. La forza totale generata dalla vela è diretta perpendicolarmente alla tela. Secondo la regola dell'addizione vettoriale, è possibile distinguere la forza di deriva (freccia rossa) e la forza di spinta (freccia verde) in essa.

4. Sulle rotte strette, la forza di deriva è grande, ma è contrastata dalla forma dello scafo, della chiglia e del timone: lo yacht non può spostarsi lateralmente a causa della resistenza all'acqua. Ma in avanti scivola volentieri anche con una piccola forza di trazione.

5. Per andare rigorosamente controvento, lo yacht vira: gira al vento con l'uno o l'altro lato, avanzando in segmenti - virate. Quanto devono essere lunghe le virate e con quale angolo di vento andare － domande importanti sulle tattiche dello skipper.

6. Ci sono cinque corsi principali della nave rispetto al vento. Grazie a Pietro I, la terminologia marittima olandese ha messo radici in Russia.

7. Leventik－ il vento soffia direttamente nella prua della nave. Non puoi navigare su una rotta del genere, ma una virata al vento viene utilizzata per fermare lo yacht.

8. Vento in coda－ lo stesso corso acuto. Quando sei di bolina stretta, il vento ti soffia in faccia, quindi sembra che lo yacht stia sviluppando una velocità molto elevata. In effetti, questa sensazione è ingannevole.

9. Vento di Golfo－ il vento soffia perpendicolarmente alla direzione di marcia.

10. Paterazzo－ il vento soffia da poppa e di lato. Questo è il corso più veloce. Le barche da regata con paterazzo veloce sono in grado di accelerare a una velocità superiore alla velocità del vento grazie al sollevamento della vela.

11. Dare－ lo stesso vento in coda che soffia da poppa. Contrariamente alle aspettative, non la rotta più veloce: qui non viene utilizzata la portanza della vela, e il limite di velocità teorico non supera la velocità del vento. Uno skipper esperto può prevedere correnti d'aria invisibili nello stesso modo in cui un pilota di aeroplano può prevedere correnti ascensionali e discendenti.

Puoi visualizzare una versione interattiva del diagramma sul blog "Ti spiego in due minuti".

È difficile immaginare come i velieri possano andare "contro vento" - o, nelle parole dei marinai, andare "al traino". È vero, un marinaio ti dirà che non puoi navigare direttamente nel vento, ma puoi muoverti solo ad angolo acuto rispetto alla direzione del vento. Ma questo angolo è piccolo - circa un quarto di angolo retto - e sembra, forse, altrettanto incomprensibile: se navigare direttamente contro vento o con un angolo di 22° rispetto ad esso.

In realtà, però, questo non è indifferente, e spiegheremo ora come sia possibile avvicinarsi ad esso con una leggera angolazione grazie alla forza del vento. Consideriamo prima di tutto come agisce il vento sulla vela in generale, cioè dove spinge la vela quando ci soffia sopra. Probabilmente pensi che il vento spinga sempre la vela nella direzione in cui sta soffiando. Ma non è così: ovunque soffia il vento, spinge la vela perpendicolarmente al piano della vela. Infatti: lasciate che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sottostante; linea AB significa vela.

Il vento spinge la vela sempre ad angolo retto rispetto al suo piano.

Poiché il vento spinge uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con la forza R applicata al centro della vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza Q, perpendicolare alla vela, e la forza P diretta lungo di essa (vedi figura sopra, a destra). L'ultima forza non spinge la vela da nessuna parte, poiché l'attrito del vento sulla tela è trascurabile. Il potere resta Q, che spinge la vela perpendicolarmente ad essa.

Sapendo questo, possiamo facilmente capire come un veliero possa andare ad angolo acuto rispetto al vento. Lascia la linea controllo di qualità raffigura la linea della chiglia della nave.

Come puoi navigare controvento.

Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata dalla fila di frecce. Linea AB raffigura una vela; è posizionato in modo che il suo piano bisechi l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Seguire il diagramma per la distribuzione delle forze. Rappresentiamo la pressione del vento sulla vela con la forza Q, che sappiamo essere perpendicolare alla vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza R, perpendicolare alla chiglia, e la forza S puntando in avanti lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento della nave nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (chiglia navi a vela diventa molto profondo), quindi la forza R quasi completamente bilanciato dalla resistenza all'acqua. Rimane solo il potere S, che, come si può vedere, è diretta in avanti e, quindi, muove la nave in un angolo, come se fosse verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S ottiene il valore massimo quando il piano della vela divide in due l'angolo tra le direzioni della chiglia e del vento.]. Di solito questo movimento viene eseguito a zigzag, come mostrato nella figura seguente. Nel linguaggio dei marinai, un tale movimento della nave è chiamato "virata" nel senso stretto della parola.

FORZA MOTRICE DEL VENTO

Materiali molto interessanti sono stati pubblicati sul sito web della NASA su vari fattori che influenzano la formazione di portanza da parte di un'ala di aeroplano. Esistono anche modelli grafici interattivi che dimostrano che la portanza può essere generata anche da un'ala simmetrica a causa della deflessione del flusso.

La vela, essendo ad angolo rispetto al flusso d'aria, la devia (Fig. 1d). Passando attraverso il lato "superiore", sottovento della vela, il flusso d'aria percorre un percorso più lungo e, secondo il principio della continuità del flusso, si muove più velocemente che dal lato sopravvento, "inferiore". Il risultato è una pressione minore sul lato sottovento della vela che sul lato sopravvento.

In strambata, con la vela disposta perpendicolarmente alla direzione del vento, l'aumento di pressione sul lato sopravvento è maggiore della diminuzione di pressione sul lato sottovento, in altre parole, il vento spinge lo yacht più di quanto non tiri. Man mano che la barca vira verso il vento più forte, questo rapporto cambierà. Pertanto, se il vento soffia perpendicolarmente alla rotta della barca, un aumento della pressione della vela sopravvento ha un effetto minore sulla velocità rispetto a una diminuzione della pressione sottovento. In altre parole, la vela tira lo yacht più di quanto non spinga.

Il movimento dello yacht è dovuto al fatto che il vento interagisce con la vela. L'analisi di questa interazione porta a risultati inaspettati, per molti principianti. Si scopre che la velocità massima viene raggiunta, per niente quando il vento soffia esattamente dietro, ma il desiderio di un "vento in coda" ha un significato completamente inaspettato.

Sia la vela che la chiglia, quando interagiscono con il flusso, rispettivamente, di aria o acqua, creano una forza di sollevamento, quindi, per ottimizzare il loro lavoro, si può applicare la teoria dell'ala.

FORZA MOTRICE DEL VENTO

Il flusso d'aria ha energia cinetica e, interagendo con le vele, è in grado di muovere lo yacht. Il lavoro sia della vela che dell'ala di un aeromobile è descritto dalla legge di Bernoulli, secondo la quale un aumento della velocità del flusso porta ad una diminuzione della pressione. Quando si muove in aria, l'ala separa il flusso. Parte di essa bypassa l'ala dall'alto, parte dal basso. Un'ala di un aereo è progettata in modo che il flusso d'aria sopra la parte superiore dell'ala si muova più velocemente del flusso d'aria sotto la parte inferiore dell'ala. Il risultato è che la pressione sopra l'ala è molto più bassa che sotto. La differenza di pressione è la forza di sollevamento dell'ala (Fig. 1a). A causa della forma complessa, l'ala è in grado di generare portanza anche quando taglia il flusso, che si muove parallelamente al piano dell'ala.

La vela può muovere lo yacht solo se si trova ad una certa angolazione rispetto al flusso e lo devia. Rimane la domanda su quale parte della forza di sollevamento sia associata all'effetto Bernoulli e quale sia il risultato della deflessione del flusso. Secondo la teoria classica dell'ala, la forza di portanza deriva esclusivamente dalla differenza di velocità di flusso sopra e sotto l'ala asimmetrica. Allo stesso tempo, è noto che un'anta simmetrica è anche in grado di creare portanza se installata ad un certo angolo rispetto al flusso (Fig. 1b). In entrambi i casi, l'angolo tra la linea che collega i punti anteriore e posteriore dell'ala e la direzione del flusso d'aria è chiamato angolo di attacco.

La forza di sollevamento aumenta con l'angolo di attacco, tuttavia questa dipendenza funziona solo per piccoli valori di questo angolo. Non appena l'angolo di attacco supera un certo livello critico e si verifica lo stallo del flusso, si formano numerosi vortici sulla superficie superiore dell'ala e la forza di portanza diminuisce drasticamente (Fig. 1c).

I diportisti sanno che la strambata non è la rotta più veloce. Se il vento della stessa forza soffia con un angolo di 90 gradi rispetto alla rotta, la barca si muove molto più velocemente. In una strambata, la forza con cui il vento spinge contro la vela dipende dalla velocità dello yacht. Con la massima forza, il vento preme sulla vela di uno yacht fermo (Fig. 2a). All'aumentare della velocità, la pressione sulla vela diminuisce e diventa minima quando lo yacht raggiunge la sua velocità massima (Fig. 2b). La velocità massima su una strambata è sempre inferiore alla velocità del vento. Ci sono diverse ragioni per questo: in primo luogo, l'attrito, in qualsiasi movimento, parte dell'energia viene spesa per superare varie forze che impediscono il movimento. Ma la cosa principale è che la forza con cui il vento preme sulla vela è proporzionale al quadrato della velocità del vento apparente, e la velocità del vento apparente sulla strambata è uguale alla differenza tra la velocità del vento vero e la velocità dello yacht.

Su una rotta di vento di golfo (a 90º rispetto al vento), le barche a vela sono in grado di muoversi più velocemente del vento. Nell'ambito di questo articolo, non discuteremo le caratteristiche del vento pennant, noteremo solo che sulla rotta Gulfwind, la forza con cui il vento preme sulle vele dipende in misura minore dalla velocità dello yacht ( Fig. 2c).

Il fattore principale che impedisce l'aumento della velocità è l'attrito. Pertanto, le barche a vela con poca resistenza possono raggiungere velocità molto più elevate del vento, ma non in strambata. Ad esempio, un buer, a causa del fatto che i pattini hanno una resistenza allo scivolamento trascurabile, può accelerare fino a una velocità di 150 km / h con una velocità del vento di 50 km / h o anche meno.

La fisica della vela spiegata: un'introduzione

ISBN 1574091700, 9781574091700

Penso che molti di noi coglierebbero l'occasione per tuffarsi negli abissi del mare su una sorta di veicolo sottomarino, ma comunque la maggior parte preferirebbe crociera su una barca a vela. Quando non c'erano aerei o treni, c'erano solo barche a vela. Senza di loro, il mondo non era lo stesso.

Le barche a vela con vele diritte portarono gli europei in America. I loro ponti stabili e le loro stive capienti portarono uomini e rifornimenti per la costruzione del Nuovo Mondo. Ma anche queste antiche navi avevano i loro limiti. Si stavano muovendo lentamente e quasi nella stessa direzione sottovento. Molto è cambiato da allora. Oggi vengono utilizzati principi completamente diversi per controllare la forza del vento e delle onde. Quindi, se vuoi guidarne uno moderno, dovrai imparare la fisica.

La vela moderna non è solo muoversi con il vento, è qualcosa che influenza la vela e la fa volare come un'ala. E questo "qualcosa" invisibile si chiama forza di sollevamento, che gli scienziati chiamano forza laterale.

Un osservatore attento non poteva non notare che, non importa da che parte soffia il vento, una barca a vela si muove sempre dove serve il capitano, anche quando il vento è contrario. Qual è il segreto di una così straordinaria combinazione di testardaggine e obbedienza.

Molti non si rendono nemmeno conto che una vela è un'ala e il principio di funzionamento di un'ala e di una vela è lo stesso. Si basa sulla forza di sollevamento, solo se la forza di sollevamento dell'ala dell'aeromobile, utilizzando un vento contrario, spinge l'aeromobile verso l'alto, quindi una vela posizionata verticalmente dirige la barca a vela in avanti. Per spiegarlo da un punto di vista scientifico, è necessario tornare alle basi: come funziona una vela.

Guarda il processo simulato, che mostra come l'aria agisce sul piano della vela. Qui puoi vedere che le correnti d'aria sotto il modello, che hanno una curvatura maggiore, si piegano per aggirarlo. In questo caso, il flusso deve accelerare leggermente. Di conseguenza, si verifica un'area di bassa pressione, che genera sollevamento. La bassa pressione sul lato inferiore tira la vela verso il basso.

In altre parole, l'area di alta pressione sta cercando di spostarsi verso l'area di bassa pressione esercitando pressione sulla vela. C'è una differenza di pressione, che genera portanza. A causa della forma della vela, sul lato interno sopravvento, la velocità del vento è inferiore rispetto al lato sottovento. All'esterno si forma un vuoto. L'aria viene letteralmente risucchiata nella vela, che spinge lo yacht a vela in avanti.

In effetti, questo principio è abbastanza semplice da capire, basta guardare qualsiasi imbarcazione a vela. Il trucco qui è che la vela, non importa come si trovi, trasmette l'energia del vento alla nave, e anche se visivamente sembra che la vela dovrebbe rallentare lo yacht, il centro di applicazione delle forze è più vicino alla prua della barca a vela e la forza del vento fornisce un movimento traslatorio.

Ma questa è teoria, ma in pratica è tutto un po' diverso. In effetti, una barca a vela non può andare controvento: si muove ad una certa angolazione, le cosiddette virate.

La barca a vela si muove a causa dell'equilibrio delle forze. Le vele si comportano come ali. La maggior parte della portanza che producono è diretta di lato e solo una piccola quantità è diretta in avanti. Tuttavia, il segreto sta in questo meraviglioso fenomeno nella cosiddetta vela "invisibile", che si trova sotto il fondo dello yacht. Questa è una chiglia o nella lingua del mare - una deriva. L'alzata della deriva produce anche l'alzata, anch'essa diretta principalmente al lato. La chiglia resiste al rollio e alla forza opposta che agisce sulla vela.

Oltre alla forza di sollevamento, c'è anche un rollio, un fenomeno dannoso per l'avanzamento e pericoloso per l'equipaggio della nave. Ma per questo, c'è una squadra sullo yacht che funge da contrappeso vivente alle inesorabili leggi fisiche.

In una moderna barca a vela, sia la chiglia che la vela lavorano insieme per guidare la barca a vela in avanti. Ma come confermerà qualsiasi marinaio alle prime armi, in pratica tutto è molto più complicato che in teoria. Un marinaio esperto sa che il minimo cambiamento nella bombatura della vela permette di ottenere più portanza e controllarne la direzione. Variando la prua della vela, un abile marinaio controlla le dimensioni e la posizione dell'area che produce portanza. Una profonda curva in avanti può creare un'ampia zona di pressione, ma se la curva è troppo grande o il bordo d'attacco è troppo ripido, le molecole d'aria non seguiranno più la curva. In altre parole, se l'oggetto ha spigoli vivi, le particelle del flusso non possono girare: l'impulso di movimento è troppo forte, questo fenomeno è chiamato "flusso separato". Il risultato di questo effetto è che la vela si "lava", perdendo il vento.

Ed eccone altri Consiglio pratico uso dell'energia eolica. Direzione ottimale controvento (corsa di bolina stretta). I marinai lo chiamano "andare controvento". Il vento apparente, che ha una velocità di 17 nodi, è notevolmente più veloce del vento vero, che crea un sistema di onde. La differenza nelle loro direzioni è di 12°. La rotta per il vento apparente è 33°, per il vento vero - 45°.

I venti che sono nella parte meridionale l'oceano Pacifico soffiando in direzione ovest. Ecco perché il nostro itinerario è stato progettato in modo tale barca a vela"Juliet" si sposta da est a ovest, cioè in modo che il vento soffi nella schiena.

Tuttavia, se guardi il nostro percorso, noterai che spesso, ad esempio spostandoci da sud a nord da Samoa a Tokelau, dovevamo muoverci perpendicolarmente al vento. E a volte la direzione del vento cambiava completamente e dovevi andare controvento.

Il percorso di Giulietta

Cosa fare in questo caso?

Le navi a vela sono state a lungo in grado di navigare controvento. Il classico Yakov Perelman ne ha scritto a lungo bene e semplicemente nel suo Secondo libro della serie Entertaining Physics. Questo pezzo lo cito qui testualmente con le immagini.

"Navigando controvento

Il vento spinge la vela sempre ad angolo retto rispetto al suo piano.

Poiché il vento spinge uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con la forza R applicata al centro della vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza Q, perpendicolare alla vela, e la forza P, diretta lungo di essa (vedi figura sopra, a destra). L'ultima forza non spinge la vela da nessuna parte, poiché l'attrito del vento sulla tela è trascurabile. Rimane una forza Q che spinge la vela perpendicolarmente ad essa.

Sapendo questo, possiamo facilmente capire come un veliero possa andare ad angolo acuto rispetto al vento. Lascia che la linea KK rappresenti la linea di chiglia della nave.

Come puoi navigare controvento.

Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata dalla fila di frecce. La linea AB rappresenta la vela; è posizionato in modo che il suo piano bisechi l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Seguire il diagramma per la distribuzione delle forze. Rappresentiamo la pressione del vento sulla vela con la forza Q, che, come sappiamo, dovrebbe essere perpendicolare alla vela. Decomponiamo questa forza in due: la forza R, perpendicolare alla chiglia, e la forza S, diretta in avanti lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento della nave nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (la chiglia nei velieri è molto profonda), la forza R è quasi completamente bilanciata dalla resistenza all'acqua. Rimane solo la forza S, che, come vedi, è diretta in avanti e, quindi, muove la nave di un angolo, come se fosse verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S è massima quando il piano della vela divide in due l'angolo tra le direzioni della chiglia e del vento.]. Di solito questo movimento viene eseguito a zigzag, come mostrato nella figura seguente. Nel linguaggio dei marinai, un tale movimento della nave è chiamato "virata" nel senso stretto della parola.

Consideriamo ora tutte le possibili direzioni del vento relative alla rotta della barca.

Un diagramma delle rotte della nave rispetto al vento, cioè l'angolo tra la direzione del vento e il vettore da poppa a prua (rotta).

Quando il vento soffia in faccia (vento contrario), le vele penzolano da un lato all'altro ed è impossibile muoversi con la vela. Certo, puoi sempre abbassare le vele e accendere il motore, ma questo non è più rilevante per la navigazione.

Quando il vento soffia esattamente dietro (strambata, vento in coda), le molecole d'aria disperse esercitano una pressione sulla vela da un lato e la barca si muove. In questo caso, la nave può muoversi solo a una velocità inferiore alla velocità del vento. L'analogia di andare in bicicletta nel vento funziona qui: il vento soffia nella schiena ed è più facile pedalare.

Quando si muove controvento (di bolina), la vela si muove non per la pressione delle molecole d'aria sulla vela da dietro, come nel caso di una strambata, ma per la forza di sollevamento che si crea a causa delle diverse velocità dell'aria su entrambi lati lungo la vela. Allo stesso tempo, a causa della chiglia, la barca non si muove in una direzione perpendicolare alla rotta della barca, ma solo in avanti. Cioè, la vela in questo caso non è un ombrello, come nel caso di vento cattivo, ma un'ala di aeroplano.

Durante i nostri passaggi abbiamo navigato principalmente con paterazzo e vento di golfo ad una velocità media di 7-8 nodi con una velocità del vento di 15 nodi. A volte andavamo controvento, di mezzo vento e di bolina stretta. E quando il vento si è calmato, hanno acceso il motore.

In generale, una barca con la vela che va controvento non è un miracolo, ma una realtà.

La cosa più interessante è che le barche possono andare non solo controvento, ma anche più veloci del vento. Questo accade quando la barca va indietro, creando il proprio vento.