Come navigare di bolina su uno yacht a vela? Fisica del movimento di una barca a vela Come funziona una vela controvento.

"Buon vento!" - augurano a tutti i velisti, ed è completamente vano: quando il vento soffia da poppa, lo yacht non è in grado di sviluppare la massima velocità. Questo schema è stato aiutato da Vadim Zhdan, skipper professionista, corridore, organizzatore e ospite di regate di yacht. Leggi i suggerimenti sul diagramma per capirlo.

2. La spinta della vela è dovuta a 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 fluiscono con l'aria, funzionano come un'ala di aeroplano e, solo se sono dirette non 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 generata dalla vela è perpendicolare alla vela. Secondo la regola di addizione vettoriale, è possibile distinguere la forza di deriva (freccia rossa) e la forza di spinta (freccia verde) in essa.

5. Per navigare rigorosamente controvento, lo yacht manovra: vira al vento con l'uno o l'altro lato, avanzando in segmenti - virate. Quanto deve essere lunga la virata e con quale angolo di vento andare sono questioni importanti della tattica dello skipper.

9. Gulfwind- il vento soffia perpendicolarmente alla direzione di marcia.

11. Fordewind- lo stesso vento in poppa che soffia da poppa. Contrariamente alle aspettative, non la rotta più veloce: qui non viene utilizzata l'alzata della vela e il limite di velocità teorico non supera la velocità del vento. Uno skipper esperto sa prevedere le correnti d'aria invisibili allo stesso modo di

Movimento yacht a vela il sottovento è in realtà determinato dalla semplice pressione del vento sulla sua vela, che spinge la nave in avanti. Tuttavia, studi in galleria del vento hanno dimostrato che la navigazione di bolina espone la vela a un insieme di forze più complesso.

Quando l'aria entrante scorre intorno alla superficie concava posteriore della vela, la velocità dell'aria diminuisce, mentre quando scorre intorno alla superficie concava anteriore della vela, questa velocità aumenta. Di conseguenza, si forma un'area di maggiore pressione sulla superficie posteriore della vela e un'area di bassa pressione sulla superficie anteriore. La differenza di pressione sui due lati della vela crea una forza di trazione (spinta) che fa muovere lo yacht in avanti con un angolo rispetto al vento.

Uno yacht a vela, posizionato approssimativamente ad angolo retto rispetto al vento (nella terminologia nautica, uno yacht sta virando), avanza rapidamente. La vela è soggetta a trazione e forze laterali. Se una barca a vela sta navigando con un angolo acuto rispetto al vento, la sua velocità rallenterà a causa di una diminuzione della forza di trazione e di un aumento della forza laterale. Più la vela è girata verso poppa, più lentamente lo yacht si muove in avanti, in particolare a causa della grande forza laterale.

Uno yacht a vela non può navigare dritto di bolina, ma può spingersi in avanti in una serie di brevi movimenti a zigzag con un angolo rispetto al vento, chiamati virate. Se il vento soffia a babordo (1), si dice che lo yacht sta navigando con le mure a sinistra, se a dritta (2) - con le mure a dritta. Per andare più veloce la distanza, il velista cerca di aumentare la velocità dello yacht al limite regolando la posizione della sua vela, come mostrato nella figura in basso a sinistra. Per ridurre al minimo la deviazione dalla linea retta, lo yacht si sposta, cambiando rotta da dritta a sinistra e viceversa. Quando lo yacht cambia rotta, la vela viene lanciata dall'altra parte e quando il suo piano coincide con la linea del vento, si precipita per qualche tempo, ad es. non è attivo (figura centrale sotto il testo). Lo yacht cade nella cosiddetta zona morta, perdendo velocità fino a quando il vento non rigonfia la vela dal lato opposto.

4.4. Azione del vento sulla vela

Una barca a vela è influenzata da due mezzi: il flusso d'aria che agisce sulla vela e sulla superficie della barca, e l'acqua che agisce sulla parte sottomarina della barca.

Grazie alla forma della vela, anche con i venti più sfavorevoli (sidewind), la barca può avanzare. La vela assomiglia ad un'ala, la cui deflessione maggiore è 1 / 3-1 / 4 della larghezza della vela dalla balumina e ha un valore dell'8-10% della larghezza della vela (Fig. 44).

Se il vento, avendo la direzione B (Fig. 45, a), incontra una vela nel suo percorso, si piega intorno ad essa da entrambi i lati. Il lato sopravvento della vela è pressurizzato più in alto (+) rispetto al lato sottovento (-). La risultante delle forze di pressione forma una forza P diretta perpendicolarmente al piano della vela o alla corda passante per l'inferitura e la balumina e applicata al centro della vela del CP (Fig. 45, b).

Riso. 44. Profilo della vela:
B - larghezza della vela lungo la corda

Riso. 45. Forze che agiscono sulla vela e sullo scafo della barca:
a - l'effetto del vento sulla vela; b - l'effetto del vento sulla vela e dell'acqua sullo scafo della barca

Riso. 46. ​​​​Posizione della vela corretta in diverse direzioni del vento: a - al di là del vento; b - vento del golfo; c - fordewind

La forza P viene scomposta nella forza di spinta T, diretta parallelamente al piano centrale (DP) dell'imbarcazione, costringendo l'imbarcazione a spostarsi in avanti, e la forza di deriva D, diretta perpendicolare al DP, provocando la deriva e il rollio dell'imbarcazione .

La forza P dipende dalla velocità e dalla direzione del vento rispetto alla vela. Più
Se
L'effetto dell'acqua su una barca dipende in gran parte dai contorni della sua parte sottomarina.

Nonostante il fatto che in un vento di bolina laterale, la forza di deriva D superi la forza di spinta T, la barca ha una corsa in avanti. Questo è influenzato dalla resistenza laterale R 1 della parte subacquea dello scafo, che è molte volte maggiore della resistenza frontale R.

Riso. 47. Vento di gagliardetto:
В И - vero vento; В Ш - vento dal movimento della barca; В В - vento apparente

La forza D, nonostante l'opposizione dello scafo, spinge ancora la barca fuori dalla linea di rotta. Compilato da DP e direzione del movimento della barca IP reale
Così, la massima spinta e la minima deriva dell'imbarcazione possono essere ottenute scegliendo la posizione più favorevole del piano centrale dell'imbarcazione e del piano della vela rispetto al vento. È stabilito che l'angolo tra la DP dell'imbarcazione e il piano della vela deve essere pari alla metà
Quando si sceglie la posizione della vela rispetto alla barca e al vento, il caposquadra della barca è guidato non dal vero, ma dal vento apparente (apparente), la cui direzione è determinata dalla risultante della velocità della barca e la velocità del vento reale (Fig. 47).

La mannaia, posta di fronte al mirino, funge da stecca. Il flusso d'aria tra il fiocco e la battigia riduce la pressione sul lato sottovento della battigia e quindi ne aumenta la forza di trazione. Ciò avviene solo a condizione che l'angolo tra il fiocco e il gommone della barca sia leggermente maggiore dell'angolo tra la prua e il gommone (Fig. 48, a).

Prima di immergerci nelle prestazioni della vela, ci sono due brevi ma importanti punti da considerare:
1. Determina quale vento influenza le vele.
2. Spiegare la terminologia nautica specifica associata ai corsi del vento.

Vento vero e gagliardo nello yachting.

Il vento che agisce su una nave in movimento e su tutto ciò che è su di essa è diverso da quello che agisce su qualsiasi oggetto fermo.
Il vento stesso come fenomeno atmosferico che soffia rispetto alla terra o all'acqua, chiamiamo vento vero.
Nella nautica da diporto, il vento relativo allo yacht in movimento è chiamato vento apparente ed è la somma del vento reale e del flusso d'aria in arrivo causato dal movimento dell'imbarcazione.
Il vento di pennant soffia sempre con un angolo più acuto rispetto alla barca rispetto al vento vero.
Velocità vento apparente può essere maggiore (se il vento vero è frontale o laterale) o minore del vero (se proviene dalla stessa direzione).

Direzioni relative al vento.

Nel vento significa dal lato da cui soffia il vento.
Sotto il vento- dalla parte dove soffia il vento.
Questi termini, così come i loro derivati, come "sopravento", "sottovento", sono usati molto ampiamente, e non solo nella nautica da diporto.
Quando questi termini vengono applicati a una nave, è anche consuetudine parlare dei lati sopravvento e sottovento.
Se il vento soffia dal lato di dritta dello yacht, allora questo lato si chiama sopravento, lato sinistro - sottovento rispettivamente.
Mure a sinistra e mure a dritta sono due termini che sono direttamente collegati ai precedenti: se il vento soffia a dritta della nave, allora si dice che va mure a dritta, se a sinistra è a sinistra.
Nella terminologia nautica inglese, ciò che è associato a tribordo e babordo è diverso dai soliti Right e Left. A proposito del lato di dritta e di tutto ciò che è correlato ad esso, dicono a dritta, a proposito del lato sinistro - Babordo.

Corsi di vento.

La rotta sopra il vento varia a seconda dell'angolo tra la direzione del vento apparente e la direzione dell'imbarcazione. Possono essere divisi in taglienti e pieni.

Beidewind - Una rotta brusca rispetto al vento. quando il vento soffia con un angolo inferiore a 80°. Può essere ripida (fino a 50°) e piena (da 50° a 80°).
Le prue complete rispetto al vento sono rotte quando il vento soffia con un angolo di 90° o più rispetto alla direzione di marcia dello yacht.
Questi corsi includono:
Gulfwind: il vento soffia con un angolo compreso tra 80 e 100 °.
Paterazzo - il vento soffia con un angolo da 100 a 150 ° (paterazzo ripido) e da 150 a 170 ° (paterazzo completo).
Fordewind - il vento soffia a poppa con un angolo di oltre 170 °.
Leventic - il vento è strettamente frontale o vicino a quello. Poiché una nave a vela non può muoversi contro un tale vento, è più spesso chiamata non una rotta, ma una posizione relativa al vento.

Manovre legate al vento.

Quando uno yacht a vela cambia rotta in modo che l'angolo tra il vento e la direzione di marcia diminuisca, si dice che la nave viene data... In altre parole, atterrare significa andare con un angolo più acuto rispetto al vento.
Se si verifica il processo opposto, cioè lo yacht cambia rotta verso un aumento dell'angolo tra esso e il vento, la nave rotola via .
Precisiamo che i termini ("anticipo" e "rotazione" vengono utilizzati quando la barca cambia rotta rispetto al vento all'interno delle stesse mure.
Se la nave cambia virata, allora (e solo allora!) Tale manovra nello yachting è chiamata virata.
Ci sono due modi diversi per cambiare virata e quindi due virate: sopravvalutazione e fordewind .
Un overstag è una svolta controvento. La barca è condotta, la prua della barca attraversa la linea del vento, ad un certo punto la barca passa attraverso la posizione leventica, dopo di che si adagia su un'altra mure.
La navigazione da diporto in virata di bolina avviene al contrario: l'imbarcazione rolla, la poppa attraversa la linea del vento, le vele vengono trasferite dall'altra parte, l'imbarcazione giace su un'altra mure. Molto spesso è un passaggio da un corso completo all'altro.

Il lavoro della vela durante la navigazione da diporto.

Uno dei compiti principali del velista quando si lavora con le vele è orientare la vela all'angolo ottimale rispetto al vento per potersi spingere al meglio in avanti. Per fare questo, devi capire come la vela interagisce con il vento.
Il lavoro della vela è per molti versi simile al lavoro di un'ala di aeroplano e avviene secondo le leggi dell'aerodinamica. Per i velisti particolarmente curiosi, è possibile approfondire l'aerodinamica di una vela come ala in una serie di articoli:. Ma è meglio farlo dopo aver letto questo articolo, passando gradualmente da materiale facile a materiale più complesso. Anche se, a chi lo sto dicendo? I veri velisti non temono le difficoltà. E puoi fare tutto esattamente il contrario.

La differenza principale tra una vela e un'ala di aeroplano è che affinché la forza aerodinamica appaia sulla vela, è necessario un certo angolo diverso da zero tra essa e il vento, questo angolo è chiamato angolo di attacco. L'ala dell'aereo ha un profilo asimmetrico e può funzionare normalmente ad angolo di attacco zero, la vela no.
Nel processo del vento che scorre intorno alla vela, sorge una forza aerodinamica, che alla fine spinge lo yacht in avanti.
Si consideri il funzionamento della vela nella nautica da diporto a diverse rotte rispetto al vento. Innanzitutto, per semplicità, immaginiamo che l'albero con una vela sia scavato nel terreno e possiamo dirigere il vento con diverse angolazioni rispetto alla vela.

L'angolo di attacco è 0°. Il vento soffia lungo la vela, la vela sventola come una bandiera. Non c'è forza aerodinamica sulla vela, c'è solo forza di resistenza.
Angolo di attacco 7°. La forza aerodinamica comincia ad apparire. È diretto perpendicolare alla vela ed è ancora di piccole dimensioni.
L'angolo di attacco è di circa 20°. La forza aerodinamica ha raggiunto il suo valore massimo in grandezza, diretta perpendicolarmente alla vela.
L'angolo di attacco è di 90°. Rispetto al caso precedente, la forza aerodinamica non è cambiata significativamente né in grandezza né in direzione.
Quindi, vediamo che la forza aerodinamica è sempre diretta perpendicolarmente alla vela e la sua grandezza praticamente non cambia nell'intervallo di angoli da 20 a 90 °.
Angoli di attacco maggiori di 90° non hanno senso da considerare, poiché le vele su uno yacht solitamente non sono impostate a tali angoli rispetto al vento.

Le suddette dipendenze della forza aerodinamica dall'angolo di attacco sono in larga misura semplificate e mediate.
Queste proprietà, infatti, variano notevolmente a seconda della forma della vela. Ad esempio, una randa lunga, stretta e piuttosto piatta degli yacht da regata avrà una forza aerodinamica massima con un angolo di attacco di circa 15°, ad angoli più alti la forza sarà leggermente inferiore. Se la vela è più panciuta e non ha un allungamento molto grande, allora la forza aerodinamica su di essa può essere massima con un angolo di attacco di circa 25-30 °.

Ora diamo un'occhiata al lavoro della vela su uno yacht.

Per semplicità immaginiamo che su uno yacht ci sia una sola vela. Lascia che sia una grotta.
Innanzitutto, vale la pena guardare come si comporta il sistema yacht + vela quando si muove nelle rotte più strette rispetto al vento, poiché questo di solito solleva il maggior numero di domande.

Diciamo che il vento agisce su uno yacht con un angolo di 30-35° rispetto allo scafo. Orientando la vela su una rotta con un angolo di circa 20° rispetto al vento, otterremo su di essa una forza aerodinamica A sufficiente.
Poiché questa forza agisce perpendicolarmente alla vela, possiamo vedere che tira fortemente lo yacht di lato. Espandendo la forza A in due componenti, possiamo vedere che la spinta in avanti T è parecchie volte inferiore alla forza che spinge la barca lateralmente (D, la forza di deriva).
Come va, allora, lo yacht?
Il fatto è che il design della parte subacquea dello scafo è tale che la resistenza dello scafo al movimento laterale (la cosiddetta resistenza laterale) è anche parecchie volte maggiore della resistenza al movimento in avanti. Ciò è facilitato dalla chiglia (o deriva), dal timone e dalla forma stessa dello scafo.
Tuttavia, la resistenza laterale sorge quando c'è qualcosa a cui resistere, cioè perché inizi a funzionare è necessario un certo spostamento laterale del corpo, la cosiddetta deriva del vento.

Questo spostamento avviene naturalmente sotto l'azione della componente laterale della forza aerodinamica, e come risposta, sorge immediatamente la forza di resistenza laterale S, diretta nella direzione opposta. Di norma, si bilanciano a vicenda con un angolo di deriva di circa 10-15 °.
È quindi ovvio che la componente laterale della forza aerodinamica, che è più pronunciata su rotte brusche rispetto al vento, provoca due fenomeni indesiderabili: deriva del vento e rollio.

La deriva del vento significa che la traiettoria dello yacht non coincide con la sua linea centrale (linea centrale, o DP, è un termine intelligente per una linea di prua-poppa). C'è un continuo spostamento dello yacht controvento, il movimento sembra essere un po' di traverso.
È noto che quando si naviga su un percorso con vento laterale con media condizioni meteo la deriva del vento in quanto l'angolo tra la DP e la reale traiettoria di moto è di circa 10-15°.

Progresso contro vento. Virata.

Poiché navigare sotto le vele è impossibile rigorosamente controvento, ma puoi muoverti solo di una certa angolazione, sarebbe bene avere un'idea di quanto bruscamente lo yacht possa muoversi verso il vento in gradi. E che cos'è, di conseguenza, quel settore di rotta fermo rispetto al vento, in cui il movimento controvento è impossibile.
L'esperienza mostra che uno yacht da crociera convenzionale (non uno yacht da regata) può effettivamente navigare 50-55° al vento reale.

Quindi, se l'obiettivo che deve essere raggiunto è rigorosamente controvento, la navigazione verso di esso avverrà non in linea retta, ma a zigzag con una virata, poi un'altra. In questo caso, su ogni virata, naturalmente, dovrai cercare di andare il più bruscamente possibile al vento. Questo processo è chiamato virata.

L'angolo tra le traiettorie degli yacht su due virate adiacenti durante la virata è chiamato virata. Ovviamente, con una nitidezza di movimento al vento di 50-55°, l'angolo di virata sarà di 100-110°.

Il valore dell'angolo di virata ci mostra quanto efficacemente possiamo muoverci verso il bersaglio se è posizionato rigorosamente controvento. Per un angolo di 110°, ad esempio, il percorso verso il bersaglio è aumentato di 1,75 volte rispetto al movimento in linea retta.

Operazioni di vela su diverse rotte del vento

Ovviamente, già sulla rotta Gulfwind, la spinta T supera notevolmente la forza di deriva D, per cui la deriva e il rollio saranno piccoli.

Con il paterazzo, come si vede, non è cambiato molto rispetto al corso di Gulfwind. La randa è posta in una posizione quasi perpendicolare al DP, e questa posizione per la maggior parte degli yacht è il massimo, è tecnicamente impossibile dispiegarla ulteriormente.

La posizione della randa sul percorso di prua non è diversa dalla posizione sul percorso di paterazzo.
Qui, per semplicità, quando consideriamo la fisica del processo nello yachting, prendiamo in considerazione solo una vela: la randa. Di solito lo yacht ha due vele: la randa e la trinchetta (vela di testa). Quindi, in prua di prua, la trinchetta (se si trova dalla stessa parte della randa) è all'ombra del vento della randa e praticamente non funziona. Questo è uno dei tanti motivi per cui il percorso di fordewind non piace ai marinai.

È difficile immaginare come le navi a vela possano andare "contro vento" - o, nelle parole dei marinai, andare "controvento". È vero, il marinaio ti dirà che non puoi andare direttamente controvento sotto le vele, ma puoi solo muoverti ad angolo acuto rispetto alla direzione del vento. Ma questo angolo è piccolo - circa un quarto dell'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 la forza del vento possa spingersi verso di esso con una leggera angolazione. Innanzitutto, considera come generalmente agisce il vento sulla vela, 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 il vento soffi, spinge la vela perpendicolare al piano della vela. Infatti: lasciate che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sottostante; linea AB denota una vela.

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

Poiché il vento preme 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 contro la tela è trascurabile. Rimane forte Q che spinge la vela ad angolo retto rispetto ad essa.

Sapendo questo, possiamo facilmente capire come una nave a vela possa andare ad angolo acuto verso il vento. Lascia che la linea QC raffigura la linea di chiglia della nave.

Come puoi navigare contro vento.

Il vento soffia con un 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 biseca l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Segui la scomposizione delle forze in figura. Rappresentiamo con la forza la pressione del vento sulla vela Q che sappiamo deve essere perpendicolare alla vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza R perpendicolare alla chiglia, e la forza S avanti lungo la linea di chiglia della nave. Poiché il movimento della nave nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (chiglia in velieri diventa molto profondo), allora il potere R quasi completamente bilanciato dalla resistenza all'acqua. Rimane solo la forza S, che, come puoi vedere, è diretto in avanti e, quindi, muove la nave ad angolo, come se fosse verso il vento. [Si può dimostrare che la forza Sè maggiore quando il piano della vela dimezza l'angolo tra la chiglia e la direzione del vento.]. In genere, questo movimento viene eseguito a zigzag, come mostrato nella figura sottostante. Nel linguaggio dei marinai, questo movimento della nave è chiamato "virare" nel senso stretto della parola.