Burlaivio judėjimas prieš vėją. Kaip burlaiviams pavyksta plaukti prieš vėją? Tikras ir vimpeliškas vėjas jachtoje

Tęsiame interaktyvaus mokslo populiarinimo tinklaraščio „Paaiškinsiu per dvi minutes“ parengtą publikacijų ciklą. Tinklaraštyje kalbama apie paprastus ir sudėtingus dalykus, kurie mus supa kiekvieną dieną ir nekelia jokių klausimų tiksliai tol, kol apie juos negalvojame. Pavyzdžiui, ten galite sužinoti, kaip erdvėlaiviai nepraleidžia ir nesusiduria su TKS, kai jie yra prijungti prie doko.

1. Griežtai prieš vėją po burėmis plaukti neįmanoma. Tačiau jei vėjas pučia iš priekio, bet šiek tiek kampu, jachta gali judėti. Tokiais atvejais sakoma, kad laivas eina staigiu kursu.

2. Burės trauka priklauso nuo dviejų veiksnių. Pirma, vėjas tiesiog spaudžia bures. Antra, daugumoje šiuolaikinių jachtų įrengtos įstrižinės burės, tekančios oru, veikia kaip lėktuvo sparnas, sukuria „keltuvą“, tik nukreiptas ne aukštyn, o į priekį. Dėl aerodinamikos išgaubtoje burės pusėje oras juda greičiau nei įgaubtoje, o slėgis burės išorėje yra mažesnis nei viduje.

3. Bendra burės sukuriama jėga yra statmena burei. Pagal vektoriaus sudėjimo taisyklę jame galima atskirti dreifo jėgą (raudona rodyklė) ir traukos jėgą (žalia rodyklė).

4. Staigiuose kursuose dreifo jėga yra didelė, tačiau jai priešinasi korpuso, kilio ir vairo forma: jachta negali pasukti į šoną dėl vandens pasipriešinimo. Kita vertus, jis lengvai slysta į priekį net esant mažam sukibimui.

5. Eiti griežtai prieš vėją jachta manevruoja: sukasi į vėją viena ar kita puse, juda į priekį segmentais – taksuoja. Svarbūs kapitono taktikos klausimai – kokia turi būti tack ir kokiu kampu prieš vėją.

6. Vėjo atžvilgiu yra penki pagrindiniai laivo kursai. Petro I dėka Rusijoje įsigalėjo olandų jūrų terminologija.

7. Leventic- vėjas pučia tiesiai į laivo priekį. Po burėmis tokiu kursu plaukti negalima, tačiau jachtai sustabdyti naudojamas posūkis į vėją.

8. Beidewind- labai aštrus kursas. Plaukiant į šoną vėjas pučia į veidą, todėl atrodo, kad jachta išvysto labai didelį greitį. Tiesą sakant, šis jausmas apgauna.

9. Gulfwind- vėjas pučia statmenai važiavimo krypčiai.

10. Užkulisiai- vėjas pučia iš laivagalio ir iš šono. Tai greičiausias kursas. Greitieji lenktyniniai kateriai, važiuojantys atgal, dėl burės keliamosios jėgos gali įsibėgėti iki vėjo greitį viršijančio greičio.

11. Fordewind- tas pats užpakalinis vėjas pučia iš laivagalio. Priešingai nei tikėtasi, ne pats greičiausias kursas: burės keltuvas čia nenaudojamas, o teorinis greičio limitas neviršija vėjo greičio. Patyręs kapitonas gali numatyti nematomas oro sroves taip pat, kaip lėktuvo pilotas gali numatyti oro srautus aukštyn ir žemyn.

Interaktyvią diagramos versiją galite peržiūrėti tinklaraštyje „Paaiškinsiu po dviejų minučių“.

Sunku įsivaizduoti, kaip burlaiviai gali eiti „prieš vėją“ – arba, jūreivių žodžiais tariant, „į šoną“. Tiesa, buriuotojas pasakys, kad po burėmis negalima eiti tiesiai prieš vėją, o judėti galima tik ūmiu kampu vėjo kryptimi. Bet šis kampas mažas – maždaug ketvirtadalis stačiojo kampo – ir atrodo, ko gero, taip pat nesuprantama: ar plaukti tiesiai prieš vėją, ar 22° kampu į jį.

Tačiau iš tikrųjų tai nėra abejinga, o dabar paaiškinsime, kaip vėjo jėga gali eiti link jo nedideliu kampu. Pirmiausia apsvarstykite, kaip vėjas apskritai veikia burę, t. y. kur jis stumia burę, kai pučia ant jos. Tikriausiai manote, kad vėjas visada stumia burę ta kryptimi, kuria ji pučia. Tačiau taip nėra: kur tik pučia vėjas, jis burę stumia statmenai burės plokštumai. Iš tiesų: tegul vėjas pučia ta kryptimi, kurią rodo toliau esančiame paveikslėlyje esančios rodyklės; linija ABžymi burę.

Kadangi vėjas tolygiai spaudžia visą burės paviršių, vėjo slėgį pakeičiame jėga R, taikoma burės viduriui. Šią jėgą išskaidome į dvi dalis: jėgą K statmena burei, o jėga P nukreipta išilgai (žr. paveikslėlį viršuje, dešinėje). Paskutinė jėga niekur nestumia burės, nes vėjo trintis į drobę yra nereikšminga. Išlieka stiprus K kad stumia burę stačiu kampu į ją.

Tai žinodami nesunkiai suprasime, kaip burlaivis gali plaukti smailiu kampu vėjo link. Tegul linija QC vaizduoja laivo kilio liniją.

Vėjas pučia smailiu kampu į šią liniją rodyklių eilės nurodyta kryptimi. Linija AB vaizduoja burę; jis dedamas taip, kad jo plokštuma perkirstų kampą tarp kilio krypties ir vėjo krypties. Sekite jėgų skilimą paveiksle. Vėjo spaudimą burei atstovaujame jėga K kuri, kaip žinome, turi būti statmena burei. Mes išskaidysime šią jėgą į dvi dalis: jėgą R statmenai kiliui, ir jėga S pirmyn išilgai laivo kilio linijos. Kadangi laivo judėjimas kryptimi R atitinka stiprų atsparumą vandeniui (įkibti buriniai laivai tampa labai gilus), tada galia R beveik visiškai subalansuotas atsparumu vandeniui. Lieka tik stiprybė S, kuris, kaip matote, yra nukreiptas į priekį ir todėl judina laivą kampu, tarsi į vėją. [Galima įrodyti, kad jėga S yra didžiausias, kai burės plokštuma perpus sumažina kampą tarp kilio ir vėjo krypčių.]. Paprastai šis judesys atliekamas zigzagais, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Jūreivių kalboje šis laivo judėjimas vadinamas „tacking“ siaurąja to žodžio prasme.

VĖJO VARAMOS JĖGA

NASA svetainėje buvo paskelbta labai įdomi medžiaga apie įvairius veiksnius, turinčius įtakos keltuvo formavimuisi prie lėktuvo sparno. Taip pat yra interaktyvių grafinių modelių, rodančių, kad dėl srauto nukreipimo pakėlimą taip pat gali sukelti simetriškas sparnas.

Burė, būdama kampu oro srautui, ją nukreipia (1d pav.). Atvykęs per „aukštyn“, pavėjuje esančią burės pusę, oro srautas eina ilgesniu keliu ir pagal srauto tęstinumo principą juda greičiau nei iš priešvėjinės, „žemyn“ pusės. Rezultatas yra mažesnis spaudimas pavėjinėje burės pusėje nei priešvėjinėje pusėje.

Plaukiant priekinio vėjo kryptimi, kai burė pastatyta statmenai vėjo krypčiai, priešvėjo slėgio padidėjimo greitis yra didesnis nei slėgio sumažėjimo pavėjuje, kitaip tariant, vėjas jachtą stumia labiau nei ji. traukia. Laivui smarkiau pasisukus į vėją, šis santykis pasikeis. Taigi, jei vėjas pučia statmenai jachtos kursui, slėgio padidėjimas burėje iš priešvėjinės pusės turi mažesnę įtaką greičiui nei slėgio sumažėjimas iš pavėjinės pusės. Kitaip tariant, burė jachtą traukia labiau nei stumia.

Jachtos judėjimas yra dėl to, kad vėjas sąveikauja su bure. Šios sąveikos analizė daugeliui naujokų duoda netikėtų rezultatų. Pasirodo, maksimalus greitis pasiekiamas ne tada, kai vėjas pučia tiksliai iš užpakalio, o „užpakalinio vėjo“ noras turi visiškai netikėtą prasmę.

Tiek burė, tiek kilis, sąveikaudami su atitinkamai oro ar vandens srove, sukuria keltuvą, todėl jų veikimui optimizuoti galima pritaikyti sparnų teoriją.

VĖJO VARAMOS JĖGA

Oro srautas turi kinetinę energiją ir, sąveikaudamas su burėmis, gali varyti jachtą. Tiek lėktuvo burių, tiek sparno veikimas apibūdinamas Bernulio dėsniu, pagal kurį padidėjus srauto greičiui mažėja slėgis. Judant ore sparnas padalija srautą. Dalis jo apeina sparną iš viršaus, dalis iš apačios. Lėktuvo sparnas suprojektuotas taip, kad oro srautas virš sparno viršaus būtų greitesnis nei srautas po sparno apačia. Rezultatas yra žymiai mažesnis slėgis virš sparno nei apačioje. Slėgio skirtumas yra sparno pakilimas (1a pav.). Dėl savo sudėtingos formos sparnas gali generuoti keliamąją jėgą net tada, kai nukerta srovę, kuri juda lygiagrečiai sparno plokštumai.

Burė gali pajudinti jachtą tik tada, kai ji yra tam tikru kampu upelio atžvilgiu ir ją nukreipia. Klausimas, kiek kėlimo yra susijęs su Bernulio efektu ir kiek srauto nukreipimo rezultatas, išlieka prieštaringas. Remiantis klasikine sparno teorija, pakėlimas kyla tik dėl srauto greičio skirtumo virš ir žemiau asimetrinio sparno. Kartu gerai žinoma, kad simetriškas sparnas taip pat gali sukurti keltuvą, jei jis sumontuotas tam tikru kampu srauto atžvilgiu (1b pav.). Abiem atvejais kampas tarp linijos, jungiančios sparno priekinį ir užpakalinį tašką, ir srauto krypties vadinamas atakos kampu.

Kėlimo jėga didėja didėjant atakos kampui, tačiau šis ryšys veikia tik esant mažoms šio kampo reikšmėms. Kai tik atakos kampas viršija tam tikrą kritinį lygį ir srautas nutrūksta, viršutiniame sparno paviršiuje susidaro daugybė sūkurių, o keliamoji jėga smarkiai sumažėja (1c pav.).

Jachtininkai žino, kad priekinis vėjas toli gražu nėra greičiausias kursas. Jei tokio pat stiprumo vėjas pučia 90 laipsnių kampu į kursą, valtis judės daug greičiau. Priekyje vėjo jėga, kuria vėjas stumia burę, priklauso nuo jachtos greičio. Didžiausia jėga vėjas spaudžia stovinčios jachtos burę (2a pav.). Didėjant greičiui, slėgis burėje krenta ir tampa minimalus, kai jachta pasiekia maksimalų greitį (2b pav.). Maksimalus greitis važiuojant priekiniu vėju visada yra mažesnis už vėjo greitį. Tam yra keletas priežasčių: pirma, trintis, bet kokiame judesyje tam tikra energijos dalis išleidžiama įveikiant įvairias judėjimą trukdančias jėgas. Tačiau svarbiausia yra tai, kad jėga, kuria vėjas spaudžia burę, yra proporcinga tariamo vėjo greičio kvadratui, o matomas vėjo greitis priešpriešiniame kurso yra lygus skirtumui tarp tikrojo vėjo greičio ir jachtos greičio. .

Gulfwind kryptis (90º į vėją) burinės jachtos gali judėti greičiau nei vėjas. Šiame straipsnyje nekalbėsime apie tariamo vėjo ypatybes, tik pažymime, kad vėjo kurso metu jėga, kuria vėjas spaudžia bures, mažiau priklauso nuo jachtos greičio (2c pav.).

Trintis yra pagrindinis veiksnys, neleidžiantis padidinti greitį. Todėl mažai atsparios judėjimui burlaiviai gali pasiekti daug didesnį nei vėjo greitį, bet ne priešpriešinio kurso metu. Pavyzdžiui, pačiūžos dėl to, kad pačiūžos turi nedidelį pasipriešinimą slydimui, gali įsibėgėti iki 150 km / h greičio, kai vėjo greitis yra 50 km / h ar net mažesnis.

Paaiškinta buriavimo fizika: įvadas

ISBN 1574091700, 9781574091700

Manau, kad daugelis iš mūsų pasinaudotų proga pasinerti į jūros bedugnę kokia nors povandenine transporto priemone, bet vis tiek dauguma norėtų kruizas burlaivyje. Kai nebuvo lėktuvų ir traukinių, buvo tik burlaiviai. Pasaulis buvo be jų, tokiu netapo.

Burlaiviai tiesiomis burėmis atplukdė europiečius į Ameriką. Jų stabilūs deniai ir erdvūs triumai atnešė žmonių ir reikmenų Naujajam pasauliui kurti. Tačiau net ir šie senoviniai laivai turėjo savo apribojimų. Jie ėjo lėtai ir praktiškai ta pačia kryptimi pavėjui. Nuo to laiko daug kas pasikeitė. Šiandien jie naudoja visiškai skirtingus vėjo ir bangų energijos valdymo principus. Taigi, jei norite važiuoti šiuolaikišku, turite išmokti šiek tiek fizikos.

Šiuolaikinis buriavimas nėra tik plaukimas pavėjui, tai kažkas, kas veikia burę ir priverčia ją skristi kaip sparnas. Ir šis nematomas „kažkas“ vadinamas pakėlimu, kurį mokslininkai vadina šonine jėga.

Dėmesingas stebėtojas negalėjo nepastebėti, kad kad ir kur pūstų vėjas, burinė jachta visada juda ten, kur reikia kapitonui – net ir pučiant kaktomušai. Kokia yra tokio nuostabaus užsispyrimo ir paklusnumo derinio paslaptis.

Daugelis net nesusimąsto, kad burė yra sparnas, o sparno ir burės veikimo principas yra tas pats. Jis pagrįstas keliamąją jėgą, tik jei orlaivio sparno keliamoji jėga, naudojant priešinį vėją, stumia orlaivį aukštyn, tada vertikaliai išsidėsčiusi burė nukreipia burlaivį į priekį. Norint tai paaiškinti moksliškai, reikia grįžti prie pagrindų – kaip veikia burė.

Pažiūrėkite į imituojamą procesą, kuris parodo, kaip oras veikia burės plokštumą. Čia matosi, kad labiau išlenktos oro srovės po modeliu pasilenkia aplenkdamos modelį. Tokiu atveju srautas turi šiek tiek paspartėti. Dėl to atsiranda žemo slėgio sritis - tai sukuria pakėlimą. Žemas slėgis apatinėje pusėje traukia burę žemyn.

Kitaip tariant, aukšto slėgio sritis bando judėti link žemo slėgio zonos, darydama spaudimą burei. Atsiranda slėgio skirtumas, kuris sukuria kėlimo jėgą. Dėl burės formos vėjo greitis yra mažesnis vidinėje priešvėjinėje pusėje nei pavėjuje. Išorėje susidaro vakuumas. Burė tiesiogine prasme siurbia orą, kuris stumia burinę jachtą į priekį.

Tiesą sakant, šį principą suprasti gana paprasta, tereikia atidžiau pažvelgti į bet kurį burlaivį. Čia gudrybė ta, kad burė, kad ir kaip ji būtų, vėjo energiją perduoda laivui ir net jei vizualiai atrodo, kad burė turėtų sulėtinti jachtą, jėgų taikymo centras yra arčiau burlaivio laivapriekio. , o vėjo jėga užtikrina transliacinį judėjimą.

Bet tai yra teorija, bet praktiškai viskas yra šiek tiek kitaip. Tiesą sakant, burinė jachta negali eiti prieš vėją – ji juda tam tikru kampu į ją, vadinamaisiais taksais.

Burlaivis juda dėl jėgų pusiausvyros. Burės veikia kaip sparnai. Didžioji dalis jų sukuriamo keltuvo yra nukreipta į šoną ir tik nedidelė dalis į priekį. Tačiau paslaptis slypi šiame nuostabiame reiškinyje vadinamojoje „nematomoje“ burėje, kuri yra po jachtos dugnu. Tai yra kilis arba jūrine kalba – centrinė lenta. Centrinės plokštės pakėlimas taip pat sukuria pakėlimą, kuris taip pat pirmiausia nukreipiamas į šoną. Kilis prieštarauja kulnui ir priešingai burės jėgai.

Be kėlimo jėgos, yra ir riedėjimas – reiškinys, žalingas judėjimui į priekį ir pavojingas laivo įgulai. Tačiau būtent todėl jachtoje yra komanda, kuri yra gyva atsvara nenumaldomiems fiziniams dėsniams.

Šiuolaikiniame burlaivyje ir kilis, ir burė kartu nukreipia burlaivį į priekį. Bet kaip bet kuris pradedantysis buriuotojas patvirtins praktiškai, viskas yra daug sudėtingiau nei teoriškai. Patyręs buriuotojas žino, kad net menkiausias burės posūkio pokytis leidžia įgyti daugiau pakilimo ir valdyti jos kryptį. Keisdamas burės kreivumą, įgudęs buriuotojas kontroliuoja keltuvų gamybos zonos dydį ir padėtį. Gilus posūkis į priekį gali sukurti didelę slėgio zoną, tačiau jei posūkis yra per didelis arba priekinis kraštas yra per status, aplink jį tekančios oro molekulės nebeseks posūkio. Kitaip tariant, jei objektas turi aštrius kampus, srauto dalelės negali apsisukti – judėjimo impulsas per stiprus, šis reiškinys vadinamas „atskirtu srautu“. Šio efekto rezultatas – burė „dribsteli“, praranda vėją.

Ir čia yra dar keletas praktinių patarimų vėjo energijos panaudojimas. Optimalus priešpriešinio vėjo kursas (lenktyninis šoninis vėjas). Buriuotojai tai vadina „plaukimu prieš vėją“. Vėjas, kurio greitis siekia 17 mazgų, yra pastebimai greitesnis už tikrąjį vėją, kuris sukuria bangų sistemą. Jų krypčių skirtumas yra 12 °. Juda į matomą vėją - 33 °, į tikrąjį vėją - 45 °.

Pūs pietinėje dalyje esantys vėjai Ramusis vandenynas pučia į vakarus. Štai kodėl mūsų maršrutas buvo sukurtas taip, kad toliau burinė jachta„Džuljeta“ juda iš rytų į vakarus, tai yra, kad vėjas pūstų į nugarą.

Tačiau pažvelgę ​​į mūsų maršrutą pastebėsite, kad dažnai, pavyzdžiui, judant iš pietų į šiaurę nuo Samoa iki Tokelau, tekdavome judėti statmenai vėjui. O kartais vėjo kryptis visai pasikeisdavo ir tekdavo eiti prieš vėją.

Džuljetos maršrutas

Ką tokiu atveju daryti?

Burlaiviai jau seniai galėjo plaukti prieš vėją. Klasikas Jakovas Perelmanas apie tai ilgai gerai ir paprastai rašė savo antrojoje knygoje iš ciklo pramoginės fizikos. Cituoju šį kūrinį čia pažodžiui su nuotraukomis.

„Plaukimas prieš vėją

Sunku įsivaizduoti, kaip burlaiviai gali eiti „prieš vėją“ – arba, jūreivių žodžiais tariant, „į šoną“. Tiesa, buriuotojas pasakys, kad po burėmis negalima eiti tiesiai prieš vėją, o judėti galima tik ūmiu kampu vėjo kryptimi. Bet šis kampas mažas – maždaug ketvirtadalis stačiojo kampo – ir atrodo, ko gero, taip pat nesuprantama: ar plaukti tiesiai prieš vėją, ar 22° kampu į jį.

Tačiau iš tikrųjų tai nėra abejinga, o dabar paaiškinsime, kaip vėjo jėga gali eiti link jo nedideliu kampu. Pirmiausia apsvarstykite, kaip vėjas apskritai veikia burę, t. y. kur jis stumia burę, kai pučia ant jos. Tikriausiai manote, kad vėjas visada stumia burę ta kryptimi, kuria ji pučia. Tačiau taip nėra: kur tik pučia vėjas, jis burę stumia statmenai burės plokštumai. Iš tiesų: tegul vėjas pučia ta kryptimi, kurią rodo toliau esančiame paveikslėlyje esančios rodyklės; linija AB žymi burę.

Vėjas visada stumia burę stačiu kampu į jos plokštumą.

Kadangi vėjas tolygiai spaudžia visą burės paviršių, vėjo slėgį pakeičiame jėga R, taikoma burės viduriui. Šią jėgą išskaidome į dvi dalis: jėgą Q, statmeną burei, ir jėgą P, nukreiptą išilgai jos (žr. paveikslėlį viršuje, dešinėje). Paskutinė jėga niekur nestumia burės, nes vėjo trintis į drobę yra nereikšminga. Išlieka jėga Q, kuri stumia burę stačiu kampu į ją.

Tai žinodami nesunkiai suprasime, kaip burlaivis gali plaukti smailiu kampu vėjo link. Tegul KK linija reiškia laivo kilio liniją.

Kaip tu gali plaukti prieš vėją.

Vėjas pučia smailiu kampu į šią liniją rodyklių eilės nurodyta kryptimi. AB linija žymi burę; jis dedamas taip, kad jo plokštuma perkirstų kampą tarp kilio krypties ir vėjo krypties. Sekite jėgų skilimą paveiksle. Vėjo slėgį burėje reprezentuojame jėga Q, kuri, kaip žinome, turi būti statmena burei. Šią jėgą išskaidome į dvi dalis: jėgą R, statmeną kiliui, ir jėgą S, nukreiptą į priekį, išilgai laivo kilio linijos. Kadangi laivui judant R kryptimi susiduriama su dideliu vandens pasipriešinimu (burlaiviuose kilis tampa labai gilus), R jėgą beveik visiškai subalansuoja vandens pasipriešinimas. Yra tik viena jėga S, kuri, kaip matote, yra nukreipta į priekį ir todėl judina laivą kampu, tarsi į vėją. [Galima parodyti, kad jėga S yra didžiausia, kai burės plokštuma perpus sumažina kampą tarp kilio ir vėjo krypčių.]. Paprastai šis judesys atliekamas zigzagais, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Jūreivių kalboje šis laivo judėjimas vadinamas „takiavimu“ siaurąja to žodžio prasme.

Dabar apsvarstykime visas galimas vėjo kryptis, susijusias su valties kursu.

Laivo kurso vėjo atžvilgiu diagrama, tai yra kampas tarp vėjo krypties ir vektoriaus nuo laivagalio iki laivapriekio (kurso).

Kai vėjas pučia į veidą (leventik), burės kabo iš vienos pusės į kitą ir su bure pajudėti neįmanoma. Žinoma, visada galima nuleisti bures ir įjungti variklį, bet tai neturi nieko bendra su buriavimu.

Kai vėjas pučia tiksliai į nugarą (priekinis, užpakalinis vėjas), išsklaidytos oro molekulės daro spaudimą burei iš vienos pusės ir valtis pajuda. Tokiu atveju laivas gali judėti tik lėčiau nei vėjo greitis. Čia veikia važiavimo dviračiu vėjyje analogija – vėjas pučia į nugarą ir lengviau minėti pedalus.

Judant prieš vėją (beydewind), burė juda ne dėl oro molekulių slėgio ant burės iš galo, kaip priekinio vėjo atveju, o dėl keltuvo, kuris susidaro dėl skirtingų oro greičių iš abiejų pusių. šonus palei burę. Tuo pačiu metu dėl kilio valtis juda ne statmena valties kursui, o tik į priekį. Tai yra, burė šiuo atveju yra ne skėtis, kaip šoninio traukimo atveju, o lėktuvo sparnas.

Per savo kirtimus daugiausia vaikščiojome užpakaliniais stulpais ir įlankos vėjais, kurių vidutinis greitis 7–8 mazgai, o vėjo greitis – 15 mazgų. Kartais eidavome prieš vėją, Gulfwind ir Beydewind. O kai vėjas nurimo, jie įjungė variklį.

Apskritai kateris su bure plaukia prieš vėją – ne stebuklas, o realybė.

Įdomiausia, kad valtys gali vaikščioti ne tik prieš vėją, bet net greičiau už vėją. Tai atsitinka, kai valtis atsilieka, sukurdama „savo vėją“.