Quale vento fa muovere la nave a vela? Come condurre una barca a vela controvento? Ora diamo un'occhiata a come funzionano le vele su uno yacht

Continuiamo la serie di pubblicazioni preparate dal blog scientifico divulgativo interattivo “Ti Spiegherò in Due Minuti”. Il blog parla di cose semplici e complesse che ci circondano ogni giorno e non sollevano alcuna domanda finché non ci pensiamo. Ad esempio, lì puoi scoprire come le astronavi non mancano e non entrano in collisione con la ISS durante l'attracco.

1. È impossibile navigare rigorosamente controvento. Tuttavia, se il vento soffia da davanti, ma leggermente obliquo, lo yacht potrebbe muoversi. In questi casi, si dice che la nave stia navigando su una rotta stretta.

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

3. La forza totale creata dalla vela è diretta perpendicolarmente alla tela. Secondo la regola della somma dei vettori è possibile distinguere la forza di deriva (freccia rossa) e la forza di trazione (freccia verde).

4. Su rotte strette la forza di deriva è notevole, 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 scivola volentieri in avanti anche con una piccola forza di trazione.

5. Per navigare rigorosamente controvento, lo yacht vira: gira prima al vento da una parte o dall'altra, avanzando per segmenti - virate. Quanto dovrebbero essere lunghe le virate e con quale angolo rispetto al vento dovrebbero andare - questioni importanti per le tattiche dello skipper.

6. Ci sono cinque rotte principali di una nave in relazione al vento. Grazie a Pietro I, la terminologia marittima olandese ha messo radici in Russia.

7. Leventik－ il vento soffia direttamente a prua della nave. È impossibile navigare in questo modo, ma per fermare lo yacht si usa girare al vento.

8. Vento chiuso－ lo stesso decorso acuto. Quando vai di bolina, il vento ti soffia in faccia, quindi sembra che lo yacht stia sviluppando una velocità molto elevata. In realtà, questa sensazione è ingannevole.

9.Gulfwind－ il vento soffia perpendicolarmente alla direzione del movimento.

10. Paterazzo－ il vento soffia da poppa e di lato. Questo è il corso più veloce. Le barche da regata veloci che navigano con paterazzo sono in grado di accelerare a velocità superiori a quella del vento a causa della forza di sollevamento della vela.

11. Controvento－ lo stesso vento in coda che soffia da poppa. Contrariamente alle aspettative, non è il percorso più veloce: qui non viene sfruttata la potenza portante della vela, e la velocità limite teorica non supera la velocità del vento. Uno skipper esperto può prevedere le correnti d'aria invisibili proprio come un pilota di aereo può prevedere le correnti ascensionali e discendenti.

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

I venti che sono nella parte meridionale l'oceano Pacifico soffiando in direzione ovest. Ecco perché il nostro percorso è stato progettato in questo modo barca a vela"Giulietta" si muove da est a ovest, cioè con il vento che soffia alle spalle.

Tuttavia, se osservate il nostro percorso, noterete che spesso, ad esempio quando ci spostavamo da sud a nord da Samoa a Tokelau, dovevamo muoverci perpendicolarmente al vento. E a volte la direzione del vento cambiava completamente e dovevamo andare controvento.

Il percorso di Giulietta

Cosa fare in questo caso?

Le navi a vela sono da tempo in grado di navigare controvento. Il classico Yakov Perelman ne ha scritto molto tempo fa, bene e semplicemente, nel suo secondo libro della serie "Entertaining Physics". Presento questo pezzo qui testualmente con le immagini.

"Navigare contro il vento

È difficile immaginare come le navi a vela possano andare “controvento” o, come dicono i marinai, andare “di bolina”. È vero, un marinaio ti dirà che non puoi navigare direttamente controvento, 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 controvento o con un angolo di 22° rispetto ad esso.

In realtà, però, questo non è indifferente, e ora spiegheremo come sia possibile avvicinarsi ad esso con una leggera angolazione a causa della forza del vento. Per prima cosa vediamo come agisce generalmente il vento sulla vela, cioè dove spinge la vela quando soffia su di essa. Probabilmente pensi che il vento spinga sempre la vela nella direzione in cui soffia. Ma non è così: ovunque soffi il vento, spinge la vela perpendicolarmente al piano della vela. Infatti: lasciamo che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sotto; la linea AB rappresenta la vela.

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

Poiché il vento preme uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con una forza R applicata al centro della vela. Divideremo questa forza in due: forza Q, perpendicolare alla vela, e 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 insignificante. Rimane la forza Q che spinge la vela perpendicolarmente ad essa.

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

Come puoi navigare controvento?

Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata da una serie di frecce. La linea AB rappresenta una vela; è posizionato in modo che il suo piano bisechi l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Seguire la distribuzione delle forze nella figura. Rappresentiamo la pressione del vento sulla vela con la forza Q, che, come sappiamo, deve essere perpendicolare alla vela. Dividiamo questa forza in due: forza R, perpendicolare alla chiglia, e forza S, diretta in avanti lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento dell'imbarcazione nella direzione R incontra una forte resistenza da parte dell'acqua (chiglia in dentro velieri diventa molto profondo), allora la forza R è quasi completamente bilanciata dalla resistenza dell'acqua. Rimane solo una forza S, che, come vedi, è diretta in avanti e, quindi, muove la nave ad angolo, come verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S riceve la massima forza grande valore 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, questo movimento della nave si chiama "virata" nel senso stretto del termine."

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

Diagramma della rotta della nave rispetto al vento, ovvero l'angolo tra la direzione del vento e il vettore da poppa a prua (rotta).

Quando il vento soffia in faccia (leventik), le vele pendono da un lato all'altro ed è impossibile muoversi con la vela. Certo, puoi sempre ammainare le vele e accendere il motore, ma questo non ha più niente a che vedere con la navigazione a vela.

Quando il vento soffia direttamente dietro di te (strambata, vento in coda), le molecole d'aria accelerate esercitano pressione sulla vela su un lato e la barca si muove. In questo caso, la nave può muoversi solo a una velocità inferiore alla velocità del vento. Qui funziona l'analogia di andare in bicicletta con il vento: il vento soffia alle spalle ed è più facile girare i pedali.

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

Durante i nostri passaggi abbiamo camminato principalmente su paterazzi e venti di golfo velocità media a 7-8 nodi con una velocità del vento di 15 nodi. A volte abbiamo navigato controvento, a mezz'aria e di bolina stretta. E quando il vento si calmò, accesero il motore.

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

La cosa più interessante è che le barche possono navigare non solo controvento, ma anche più velocemente del vento. Ciò accade quando la barca paterazzo, creando il proprio vento.

È difficile immaginare come le navi a vela possano andare “controvento” o, come dicono i marinai, andare “di bolina”. È vero, un marinaio ti dirà che non puoi navigare direttamente controvento, 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 controvento o con un angolo di 22° rispetto ad esso.

In realtà, però, questo non è indifferente, e ora spiegheremo come sia possibile avvicinarsi ad esso con una leggera angolazione a causa della forza del vento. Per prima cosa vediamo come agisce generalmente il vento sulla vela, cioè dove spinge la vela quando soffia su di essa. Probabilmente pensi che il vento spinga sempre la vela nella direzione in cui soffia. Ma non è così: ovunque soffi il vento, spinge la vela perpendicolarmente al piano della vela. Infatti: lasciamo che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sotto; linea AB denota una vela.

Poiché il vento preme uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con una forza R applicata al centro della vela. Suddividiamo questa forza in due: 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 insignificante. La forza resta Q, che spinge la vela ad angolo retto rispetto ad essa.

Sapendo questo, possiamo facilmente comprendere come un veliero possa navigare ad angolo acuto rispetto al vento. Lasciamo la linea Controllo qualità raffigura la linea della chiglia della nave.

Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata da una serie 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 la distribuzione delle forze nella figura. Rappresentiamo la forza del vento sulla vela Q, che sappiamo dovrebbe essere perpendicolare alla vela. Suddividiamo questa forza in due: forza R, perpendicolare alla chiglia, e la forza S, diretto in avanti, lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento della nave è nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (la chiglia delle navi a vela è molto profonda), quindi la forza R quasi completamente bilanciato dalla resistenza all'acqua. Resta solo la forza S, che, come puoi vedere, è diretto in avanti e, quindi, muove la nave ad angolo, come verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S riceve il valore maggiore 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 si chiama "virata" nel senso stretto del termine.

Non meno importante della resistenza dello scafo è la forza di trazione sviluppata dalle vele. Per immaginare più chiaramente il lavoro delle vele, conosciamo i concetti di base della teoria delle vele.

Abbiamo già parlato delle principali forze che agiscono sulle vele di uno yacht che naviga con vento in coda (rotta in strambata) e vento contrario (rotta dietro al vento). Abbiamo scoperto che la forza che agisce sulle vele può essere scomposta nella forza che fa rollare e andare alla deriva lo yacht sottovento, nella forza di deriva e nella forza di trazione (vedi Fig. 2 e 3).

Vediamo ora come viene determinata la forza totale della pressione del vento sulle vele e da cosa dipendono le forze di spinta e deriva.

Per immaginare il funzionamento di una vela su rotte strette, è conveniente considerare innanzitutto una vela piatta (Fig. 94), che subisce la pressione del vento ad un certo angolo di attacco. In questo caso, si formano vortici dietro la vela, forze di pressione si formano sul lato sopravvento e forze di rarefazione si formano sul lato sottovento. La loro R risultante è diretta approssimativamente perpendicolare al piano della vela. Per comprendere correttamente il funzionamento di una vela, è conveniente immaginarla come la risultante di due forze componenti: diretta X parallela al flusso d'aria (vento) e diretta Y perpendicolare ad esso.

La forza X diretta parallelamente al flusso d'aria è chiamata forza di resistenza; È formato, oltre che dalla vela, anche dallo scafo, dalle manovre, dalle aste e dall'equipaggio dello yacht.

La forza Y diretta perpendicolarmente al flusso d'aria è chiamata portanza in aerodinamica. È questo che crea la spinta nella direzione del movimento dello yacht su rotte strette.

Se, con la stessa resistenza della vela X (Fig. 95), la forza di portanza aumenta, ad esempio, al valore Y1, allora, come mostrato in figura, la risultante della forza di portanza e della resistenza cambierà di R e , di conseguenza, la forza di spinta T aumenterà fino a T1.

Una tale costruzione rende facile verificare che all'aumentare della resistenza X (a parità di portanza), la spinta T diminuisce.

Pertanto, ci sono due modi per aumentare la forza di trazione, e quindi la velocità su rotte strette: aumentare la forza di sollevamento della vela e ridurre la resistenza della vela e dello yacht.

Nella navigazione moderna, la forza di sollevamento della vela viene aumentata dandole una forma concava con una certa “pancianza” (Fig. 96): la dimensione dall'albero al più luogo profondo La "pancia" è solitamente 0,3-0,4 della larghezza della vela e la profondità della "pancia" è circa il 6-10% della larghezza. La forza di sollevamento di una vela di questo tipo è maggiore del 20-25% rispetto a quella di una vela completamente piatta con quasi la stessa resistenza. È vero, uno yacht con le vele piatte naviga un po' più ripido controvento. Tuttavia, con le vele panciute, la velocità di avanzamento nella virata è maggiore a causa della maggiore spinta.

Riso. 96. Profilo della vela

Si noti che con le vele panciute, non solo aumenta la spinta, ma anche la forza di deriva, il che significa che il rollio e la deriva degli yacht con vele panciute sono maggiori rispetto a quelli relativamente piatti. Pertanto, un "rigonfiamento" della vela superiore al 6-7% con vento forte non è redditizio, poiché un aumento dello sbandamento e della deriva porta ad un aumento significativo della resistenza dello scafo e ad una diminuzione dell'efficienza delle vele, che "divorano" l'effetto di aumentare la spinta. Con vento debole, le vele con una “pancia” del 9-10% tirano meglio, poiché a causa della bassa pressione totale del vento sulla vela, il tallone è piccolo.

Qualsiasi vela con angoli di attacco superiori a 15-20°, cioè quando lo yacht punta a 40-50° rispetto al vento o più, può ridurre la portanza e aumentare la resistenza, poiché si forma una significativa turbolenza sul lato sottovento. E poiché la parte principale della forza di sollevamento è creata da un flusso regolare e privo di turbolenze attorno al lato sottovento della vela, la distruzione di questi vortici dovrebbe avere un grande effetto.

Le turbolenze che si formano dietro la randa vengono eliminate regolando il fiocco (Fig. 97). Il flusso d'aria che entra nell'intercapedine tra randa e fiocco aumenta la sua velocità (il cosiddetto effetto ugello) e, quando il fiocco è regolato correttamente, “lecca” i vortici della randa.

Riso. 97. Lavoro con il fiocco

Il profilo di una vela morbida è difficile da mantenere costante a diversi angoli di attacco. In precedenza, le derive avevano stecche passanti che attraversavano l'intera vela: erano più sottili all'interno della “pancia” e più spesse verso l'inferitura, dove la vela è molto più piatta. Al giorno d'oggi, le stecche passanti vengono installate principalmente su barche da ghiaccio e catamarani, dove è particolarmente importante mantenere il profilo e la rigidità della vela ad angoli di attacco bassi, quando una vela normale è già sferzata lungo l'inferitura.

Se la fonte di portanza è solo la vela, la resistenza è creata da tutto ciò che finisce nel flusso d'aria che scorre intorno allo yacht. Pertanto, il miglioramento delle proprietà di trazione della vela può essere ottenuto anche riducendo la resistenza dello scafo, dell'albero, delle manovre e dell'equipaggio dello yacht. A questo scopo vengono utilizzati vari tipi di carenature sull'asta e sul sartiame.

La quantità di resistenza su una vela dipende dalla sua forma. Secondo le leggi dell'aerodinamica, la resistenza dell'ala di un aereo è tanto minore quanto più stretta e lunga è per la stessa area. Ecco perché cercano di rendere la vela (essenzialmente la stessa ala, ma posizionata verticalmente) alta e stretta. Ciò consente anche di sfruttare il vento superiore.

La resistenza di una vela dipende in larga misura dalle condizioni del suo bordo d'attacco. Le inferiture di tutte le vele dovrebbero essere coperte ermeticamente per evitare la possibilità di vibrazioni.

È necessario menzionare un'altra circostanza molto importante: la cosiddetta centratura delle vele.

È noto dalla meccanica che qualsiasi forza è determinata dalla sua grandezza, direzione e punto di applicazione. Finora abbiamo parlato solo dell'entità e della direzione delle forze applicate alla vela. Come vedremo in seguito, la conoscenza dei punti di applicazione è di grande importanza per comprendere il funzionamento delle vele.

La pressione del vento è distribuita in modo non uniforme sulla superficie della vela (la sua parte anteriore subisce una pressione maggiore), tuttavia, per semplificare i calcoli comparativi, si presume che sia distribuita in modo uniforme. Per calcoli approssimativi, si presuppone che la forza risultante della pressione del vento sulle vele sia applicata ad un punto; il baricentro della superficie delle vele viene preso come quando sono posizionate nel piano centrale dello yacht. Questo punto è chiamato centro della vela (CS).

Concentriamoci sul metodo grafico più semplice per determinare la posizione della CPU (Fig. 98). Disegna la superficie velica dello yacht sulla scala richiesta. Quindi, all'intersezione delle mediane - linee che collegano i vertici del triangolo con i punti medi dei lati opposti - si trova il centro di ciascuna vela. Avendo così ottenuto nel disegno i centri O e O1 dei due triangoli che compongono la randa e la trinchetta, tracciare due linee parallele OA e O1B per questi centri e posarvi sopra in direzioni opposte in una scala qualsiasi ma uguale a tante linee lineari unità in metri quadrati nel triangolo; Dal centro della randa viene staccata l'area del fiocco e dal centro del fiocco l'area della randa. I punti finali A e B sono collegati dalla retta AB. Un'altra linea retta - O1O collega i centri dei triangoli. All'intersezione delle rette A B e O1O ci sarà un centro comune.

Riso. 98. Metodo grafico per trovare il centro della vela

Come abbiamo già detto, la forza di deriva (la considereremo applicata al centro della vela) è contrastata dalla forza di resistenza laterale dello scafo dello yacht. Si considera che la forza di resistenza laterale sia applicata al centro della resistenza laterale (CLR). Il centro di resistenza laterale è il centro di gravità della proiezione della parte subacquea dello yacht sul piano centrale.

Il centro di resistenza laterale può essere trovato ritagliando il contorno della parte subacquea dello yacht da carta spessa e posizionando questo modello su una lama di coltello. Quando il modello è bilanciato, premerlo leggermente, quindi ruotarlo di 90° e bilanciarlo nuovamente. L'intersezione di queste linee ci dà il centro di resistenza laterale.

Quando lo yacht naviga senza sbandare, il CP dovrebbe trovarsi sulla stessa linea retta verticale del CB (Fig. 99). Se il CP si trova di fronte alla stazione centrale (Fig. 99, b), la forza di deriva, spostata in avanti rispetto alla forza di resistenza laterale, gira la prua della nave nel vento: lo yacht cade. Se la CPU si trova dietro la stazione centrale, lo yacht girerà la prua al vento o verrà guidato (Fig. 99, c).

Riso. 99. Allineamento dello yacht

Sia un eccessivo adattamento al vento, sia soprattutto lo stallo (centraggio improprio) sono dannosi per la navigazione dello yacht, poiché costringono il timoniere a lavorare costantemente sul timone per mantenere la rettilineità, e questo aumenta la resistenza dello scafo e riduce la velocità della nave. Inoltre, un allineamento errato porta al deterioramento della controllabilità e, in alcuni casi, alla sua completa perdita.

Se centriamo lo yacht come mostrato in Fig. 99, e cioè la CPU e la stazione centrale saranno sulla stessa verticale, la nave verrà spinta molto forte e diventerà molto difficile controllarla. Qual è il problema? Ci sono due ragioni principali qui. Innanzitutto, la posizione reale della CPU e del sistema nervoso centrale non coincide con quella teorica (entrambi i centri sono spostati in avanti, ma non in egual misura).

In secondo luogo, e questa è la cosa principale, quando lo sbandamento, la forza di trazione delle vele e la forza di resistenza longitudinale dello scafo risultano trovarsi su diversi piani verticali (Fig. 100), risulta come una leva che forza lo yacht essere guidato. Maggiore è il rollio, più la nave è incline al beccheggio.

Per eliminare tale adduzione, il CP è posto davanti al sistema nervoso centrale. Il momento di trazione e resistenza longitudinale che si genera con il rollio, costringendo lo yacht a navigare, è compensato dal momento di intrappolamento delle forze di deriva e dalla resistenza laterale quando il CP è posizionato nella parte anteriore. Per un buon centraggio è necessario posizionare il CP davanti al CB ad una distanza pari al 10-18% della lunghezza dello yacht lungo la linea di galleggiamento. Meno stabile è lo yacht e più la CPU è sollevata rispetto alla stazione centrale, più è necessario spostarla a prua.

Affinché lo yacht abbia una buona manovrabilità, deve essere centrato, cioè mettere il CP e il CB in una posizione in cui la nave su una rotta di bolina con vento leggero fosse completamente bilanciata dalle vele, in altri In parole povere, era stabile sulla rotta con il timone lanciato o fisso nel DP (consentiva una leggera tendenza a galleggiare con venti molto leggeri), e con venti più forti aveva la tendenza a galleggiare. Ogni timoniere deve essere in grado di centrare correttamente lo yacht. Sulla maggior parte degli yacht, la tendenza al rollio aumenta se le vele posteriori vengono revisionate e le vele anteriori sono allentate. Se le vele anteriori vengono revisionate e quelle posteriori vengono danneggiate, la nave affonderà. Con l’aumento della “pancia” della randa, oltre che con le vele mal posizionate, lo yacht tende ad essere condotto maggiormente.

Riso. 100. L'influenza dello sbandamento nel portare lo yacht al vento