Dom Ekwipunek Ruch żaglowca pod wiatr. Jak żaglówkom udaje się płynąć pod wiatr? Wiatr prawdziwy i proporczykowy w żeglarstwie

Ruch żaglowca pod wiatr. Jak żaglówkom udaje się płynąć pod wiatr? Wiatr prawdziwy i proporczykowy w żeglarstwie

Kontynuujemy cykl publikacji przygotowanych przez interaktywny blog popularnonaukowy „Wyjaśnię w dwie minuty”. Blog opowiada o prostych i skomplikowanych rzeczach, które otaczają nas na co dzień i nie rodzą żadnych pytań dokładnie tak długo, jak o nich nie myślimy. Na przykład, możesz tam dowiedzieć się, jak statki kosmiczne nie chybiają i nie zderzają się z ISS po zadokowaniu.

1. Pod żaglami nie można płynąć pod wiatr. Jeśli jednak wiatr wieje z przodu, ale lekko pod kątem, jacht może się poruszać. W takich przypadkach mówi się, że statek jest na ostrym kursie.

2. Napór żagla wynika z dwóch czynników. Po pierwsze, wiatr po prostu napiera na żagle. Po drugie, skośne żagle montowane na większości nowoczesnych jachtów, płynąc powietrzem, działają jak skrzydło samolotu i tworzą „windę”, tyle że jest skierowane nie do góry, ale do przodu. Ze względu na aerodynamikę powietrze po stronie wypukłej porusza się szybciej niż po stronie wklęsłej, a ciśnienie na zewnątrz żagla jest mniejsze niż wewnątrz.

3. Całkowita siła generowana przez żagiel jest prostopadła do żagla. Zgodnie z zasadą dodawania wektorów można w nim wyróżnić siłę dryfu (czerwona strzałka) i siłę ciągu (zielona strzałka).

4. Na ostrych kursach siła dryfu jest duża, ale przeciwdziała jej kształt kadłuba, stępki i steru: jacht nie może płynąć na boki ze względu na opór wody. Z drugiej strony łatwo ślizga się do przodu, nawet przy słabej przyczepności.

5. Aby płynąć stricte pod wiatr, jacht manewruje: skręca pod wiatr jedną lub drugą stroną, poruszając się segmentami do przodu - halsy. Jak długi powinien być hals i pod jakim kątem do wiatru płynąć, to ważne kwestie dotyczące taktyki kapitana.

6. Istnieje pięć głównych kursów statku względem wiatru. Dzięki Piotrowi I holenderska terminologia morska zakorzeniła się w Rosji.

7. Leventic- wiatr wieje bezpośrednio w dziób statku. Nie można płynąć takim kursem pod żaglami, ale skręt do wiatru służy do zatrzymania jachtu.

8. Zawietrzny- bardzo ostry kurs. Gdy płyniemy bokiem, wiatr wieje nam w twarz, więc wydaje się, że jacht rozwija bardzo dużą prędkość. W rzeczywistości to uczucie jest zwodnicze.

9. Zatokowy Wiatr- wiatr wieje prostopadle do kierunku jazdy.

10. Backstag- wiatr wieje z rufy iz boku. To najszybszy kurs. Szybkie łodzie wyścigowe z achtersztagiem są w stanie rozpędzić się do prędkości przekraczających prędkość wiatru dzięki sile nośnej żagla.

11. Fordewind- ten sam tylny wiatr wiejący od rufy. Wbrew oczekiwaniom nie najszybszy kurs: nie stosuje się tu podnoszenia żagla, a teoretyczne ograniczenie prędkości nie przekracza prędkości wiatru. Doświadczony szyper jest w stanie przewidzieć niewidzialne prądy powietrza w taki sam sposób, w jaki pilot samolotu może przewidzieć prądy wznoszące i zstępujące.

Możesz zobaczyć interaktywną wersję diagramu w blogu „Wyjaśnię za dwie minuty”.

Trudno sobie wyobrazić, jak żaglowce mogą płynąć „pod wiatr” - lub, jak mówią żeglarze, płynąć „bocznym wiatrem”. Co prawda marynarz powie ci, że pod żaglami nie można płynąć pod wiatr, ale można poruszać się tylko pod ostrym kątem do kierunku wiatru. Ale ten kąt jest mały - około jednej czwartej kąta prostego - i wydaje się być może równie niezrozumiałe: czy płynąć bezpośrednio pod wiatr, czy pod kątem 22 ° do niego.

W rzeczywistości nie jest to jednak obojętne i teraz wyjaśnimy, w jaki sposób siła wiatru może skierować się w jego kierunku pod niewielkim kątem. Najpierw zastanów się, jak ogólnie działa wiatr na żagiel, tj. gdzie popycha żagiel, gdy na niego wieje. Pewnie myślisz, że wiatr zawsze pcha żagiel w kierunku, w którym wieje. Ale tak nie jest: gdziekolwiek wieje wiatr, popycha żagiel prostopadle do płaszczyzny żagla. Rzeczywiście: niech wiatr wieje w kierunku wskazanym przez strzałki na poniższym rysunku; linia AB oznacza żagiel.

Wiatr zawsze pcha żagiel pod kątem prostym do jego płaszczyzny.

Ponieważ wiatr napiera równomiernie na całej powierzchni żagla, zastępujemy napór wiatru siłą R przyłożoną do środka żagla. Rozkładamy tę siłę na dwie części: siłę Q prostopadle do żagla i skierowaną wzdłuż niego siłą P (patrz rysunek powyżej, po prawej). Ostatnia siła nigdzie nie popycha żagla, ponieważ tarcie wiatru o płótno jest znikome. Pozostaje silny Q który popycha żagiel pod kątem prostym do niego.

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem do wiatru. Niech linia Kontrola jakości przedstawia linię stępki statku.

Jak można płynąć pod wiatr.

Wiatr wieje pod ostrym kątem do tej linii w kierunku wskazanym przez rząd strzałek. Linia AB przedstawia żagiel; jest umieszczony tak, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Śledź rozkład sił na rysunku. Przedstawiamy siłę nacisku wiatru na żagiel Q o której wiemy, że musi być prostopadła do żagla. Rozłożymy tę siłę na dwie części: siłę r prostopadle do stępki, a siła S do przodu wzdłuż linii stępki statku. Ponieważ ruch statku w kierunku r spełnia dużą wodoodporność (kiel in pływające statki staje się bardzo głęboka), wtedy moc r prawie całkowicie zrównoważony przez wodoodporność. Pozostaje tylko siła S, który, jak widać, jest skierowany do przodu, a zatem porusza statkiem pod kątem, jakby pod wiatr. [Można udowodnić, że siła S jest największa, gdy płaszczyzna żagla zmniejsza o połowę kąt między kilem a kierunkiem wiatru.]. Zazwyczaj ten ruch jest wykonywany zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku żeglarzy ten ruch statku nazywa się „halsowaniem” w wąskim znaczeniu tego słowa.

SIŁA NAPĘDOWA WIATRU

Na stronie NASA opublikowano bardzo ciekawe materiały o różnych czynnikach wpływających na powstanie windy przez skrzydło samolotu. Istnieją również interaktywne modele graficzne, które pokazują, że siła nośna może być również generowana przez symetryczne skrzydło ze względu na ugięcie przepływu.

Żagiel, będąc pod kątem do przepływu powietrza, odchyla go (rys. 1d). Przechodząc przez „górną”, zawietrzną stronę żagla, strumień powietrza pokonuje dłuższą drogę i zgodnie z zasadą ciągłości przepływu porusza się szybciej niż od strony nawietrznej, „dolnej”. Rezultatem jest mniejszy nacisk po zawietrznej stronie żagla niż po stronie nawietrznej.

Podczas żeglugi na przodzie z żaglem ustawionym prostopadle do kierunku wiatru tempo wzrostu ciśnienia pod wiatr jest większe niż tempo spadku ciśnienia po stronie zawietrznej, czyli wiatr bardziej popycha jacht niż ciągnie. Gdy łódź skręca ostrzej w kierunku wiatru, stosunek ten będzie się zmieniał. Jeśli więc wiatr wieje prostopadle do kursu jachtu, wzrost ciśnienia na żaglu od strony nawietrznej ma mniejszy wpływ na prędkość niż spadek ciśnienia od strony zawietrznej. Innymi słowy, żagiel bardziej ciągnie jacht niż pcha.

Ruch jachtu wynika z interakcji wiatru z żaglem. Analiza tej interakcji prowadzi do nieoczekiwanych dla wielu przybyszów rezultatów. Okazuje się, że prędkość maksymalną osiąga się nie wtedy, gdy wiatr wieje dokładnie od tyłu, ale pragnienie „wiatru tylnego” ma zupełnie nieoczekiwane znaczenie.

Zarówno żagiel, jak i stępka, oddziałując odpowiednio z przepływem powietrza lub wody, wytwarzają siłę nośną, dlatego teoria skrzydeł może być zastosowana do optymalizacji ich działania.

SIŁA NAPĘDOWA WIATRU

Przepływ powietrza ma energię kinetyczną i wchodząc w interakcję z żaglami jest w stanie napędzać jacht. Działanie zarówno żagli, jak i skrzydła samolotu opisuje prawo Bernoulliego, zgodnie z którym wzrost prędkości przepływu prowadzi do spadku ciśnienia. Podczas poruszania się w powietrzu skrzydło rozdziela przepływ. Część okrąża skrzydło od góry, część od dołu. Skrzydło samolotu jest zaprojektowane tak, aby przepływ powietrza nad górną częścią skrzydła był szybszy niż przepływ pod dolną częścią skrzydła. Rezultatem jest znacznie mniejsze ciśnienie nad skrzydłem niż pod skrzydłem. Różnica ciśnień to uniesienie skrzydła (rys. 1a). Dzięki złożonemu kształtowi skrzydło jest w stanie generować siłę nośną, nawet gdy przecina strumień poruszający się równolegle do płaszczyzny skrzydła.

Żagiel może poruszyć jacht tylko wtedy, gdy jest ustawiony pod pewnym kątem do strumienia i odchyli go. Kwestią sporną pozostaje pytanie, jaka część podniesienia jest związana z efektem Bernoulliego, a ile jest wynikiem ugięcia przepływu. Zgodnie z klasyczną teorią skrzydeł siła nośna wynika wyłącznie z różnicy w natężeniu przepływu nad i pod asymetrycznym skrzydłem. Jednocześnie powszechnie wiadomo, że skrzydło symetryczne jest również zdolne do tworzenia windy, jeśli jest zainstalowane pod pewnym kątem do przepływu (rys. 1b). W obu przypadkach kąt pomiędzy linią łączącą przedni i tylny punkt skrzydła a kierunkiem przepływu nazywany jest kątem natarcia.

Siła nośna rośnie wraz ze wzrostem kąta natarcia, ale ta zależność działa tylko przy małych wartościach tego kąta. Gdy tylko kąt natarcia przekroczy pewien krytyczny poziom i przepływ się załamie, na górnej powierzchni skrzydła tworzą się liczne wiry, a siła nośna gwałtownie maleje (rys. 1c).

Żeglarze wiedzą, że przedni wiatr jest daleki od najszybszego kursu. Jeśli wiatr o tej samej sile wieje pod kątem 90 stopni do kursu, łódź popłynie znacznie szybciej. Na kursie przednim siła, z jaką wiatr napiera na żagiel, zależy od prędkości jachtu. Z maksymalną siłą wiatr napiera na żagiel stacjonarnego jachtu (rys. 2a). Wraz ze wzrostem prędkości nacisk na żagiel spada i staje się minimalny, gdy jacht osiąga prędkość maksymalną (rys. 2b). Maksymalna prędkość na kursie z przodu jest zawsze mniejsza niż prędkość wiatru. Powodów tego jest kilka: po pierwsze, tarcie, w każdym ruchu, część energii jest zużywana na pokonanie różnych sił, które utrudniają ruch. Ale najważniejsze jest to, że siła z jaką wiatr napiera na żagiel jest proporcjonalna do kwadratu prędkości wiatru pozornego, a prędkość wiatru pozornego na kursie wiatru dziobowego jest równa różnicy między prędkością wiatru rzeczywistego a prędkością jachtu .

Gulfwind kierujący się (90º do wiatru) jachty żaglowe są w stanie poruszać się szybciej niż wiatr. W ramach tego artykułu nie będziemy omawiać cech wiatru pozornego, zauważamy jedynie, że na kursie wiatru zatokowego siła z jaką wiatr napiera na żagle jest mniej zależna od prędkości jachtu (rys. 2c).

Tarcie jest głównym czynnikiem, który zapobiega zwiększeniu prędkości. Dlatego żaglówki o niewielkich oporach ruchu są w stanie osiągać prędkości znacznie wyższe niż prędkość wiatru, ale nie na kursie zawietrznym. Np. rolka, dzięki temu, że rolki mają znikomy opór ślizgowy, jest w stanie rozpędzić się do prędkości 150 km/h przy prędkości wiatru 50 km/h lub nawet mniejszej.

Wyjaśnienie fizyki żeglarstwa: wprowadzenie

ISBN 1574091700, 9781574091700

Myślę, że wielu z nas zaryzykowałoby zanurzenie się w morskiej otchłani jakimś pojazdem podwodnym, ale większość wolałaby rejs na żaglówce. Kiedy nie było samolotów ani pociągów, były tylko żaglówki. Świat był bez nich, nie stał się taki.

Żaglówki z prostymi żaglami przywiozły Europejczyków do Ameryki. Ich stabilne pokłady i obszerne ładownie przyniosły ludzi i zapasy do budowy Nowego Świata. Ale nawet te starożytne statki miały swoje ograniczenia. Szli powoli i praktycznie w tym samym kierunku z wiatrem. Od tego czasu wiele się zmieniło. Dziś stosują zupełnie inne zasady zarządzania energią wiatru i fal. Więc jeśli chcesz jeździć na nowoczesnym, musisz nauczyć się trochę fizyki.

Współczesne żeglarstwo to nie tylko płynięcie z wiatrem, to coś, co wpływa na żagiel i sprawia, że leci jak skrzydło. I to niewidzialne „coś” nazywa się windą, którą naukowcy nazywają siłą boczną.

Uważny obserwator nie mógł nie zauważyć, że bez względu na to, gdzie wieje wiatr, jacht żaglowy zawsze płynie tam, gdzie kapitan tego potrzebuje - nawet gdy wiatr jest czołowy. W czym tkwi sekret tak niesamowitego połączenia uporu i posłuszeństwa.

Wielu nawet nie zdaje sobie sprawy, że żagiel to skrzydło, a zasada działania skrzydła i żagla jest taka sama. Opiera się na sile nośnej, tylko wtedy, gdy siła nośna skrzydła samolotu, wykorzystując wiatr czołowy, wypycha samolot do góry, wówczas pionowo umieszczony żagiel kieruje żaglówkę do przodu. Aby wyjaśnić to naukowo, trzeba wrócić do podstaw – jak działa żagiel.

Spójrz na symulowany proces, który pokazuje, jak powietrze działa na płaszczyznę żagla. Tutaj widać, że bardziej zakrzywione prądy powietrza pod modelem uginają się, aby ominąć model. W takim przypadku przepływ musi nieco przyspieszyć. W rezultacie pojawia się obszar niskiego ciśnienia, który generuje siłę nośną. Niski nacisk na spód ściąga żagiel w dół.

Innymi słowy, obszar wysokiego ciśnienia próbuje przesunąć się w kierunku obszaru niskiego ciśnienia, wywierając nacisk na żagiel. Powstaje różnica ciśnień, która generuje siłę podnoszenia. Ze względu na kształt żagla prędkość wiatru jest mniejsza po wewnętrznej stronie nawietrznej niż po zawietrznej. Na zewnątrz powstaje próżnia. Żagiel dosłownie zasysa powietrze, które popycha jacht żaglowy do przodu.

W rzeczywistości ta zasada jest dość prosta do zrozumienia, wystarczy przyjrzeć się bliżej dowolnemu żaglowcowi. Sztuczka polega na tym, że żagiel bez względu na położenie przenosi energię wiatru na statek i nawet jeśli wizualnie wydaje się, że żagiel powinien spowalniać jacht, środek przyłożenia sił znajduje się bliżej dziobu żaglowca , a siła wiatru zapewnia ruch translacyjny.

Ale to jest teoria, ale w praktyce wszystko jest trochę inne. W rzeczywistości jacht żaglowy nie może płynąć pod wiatr – porusza się do niego pod pewnym kątem, tzw. halsem.

Żaglówka porusza się dzięki równowadze sił. Żagle działają jak skrzydła. Większość generowanego przez nie podnośnika jest skierowana na bok, a tylko niewielka część do przodu. Jednak sekret tkwi w tym cudownym zjawisku w tak zwanym „niewidzialnym” żaglu, który znajduje się pod dnem jachtu. To jest kil lub w języku żeglarskim - miecz. Podnoszenie miecza również wytwarza siłę nośną, która również jest skierowana przede wszystkim na bok. Kil jest przeciwny do przechyłu i przeciwnej siły na żaglu.

Oprócz siły nośnej występuje również przechylenie – zjawisko szkodliwe dla ruchu do przodu i groźne dla załogi statku. Ale właśnie dlatego na jachcie jest zespół, który służy jako żywa przeciwwaga dla nieubłaganych praw fizyki.

We współczesnej żaglówce zarówno kil, jak i żagiel współpracują ze sobą, aby sterować żaglówką do przodu. Ale jak w praktyce potwierdzi każdy początkujący żeglarz, wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane niż w teorii. Wytrawny żeglarz wie, że nawet najmniejsza zmiana ugięcia żagla pozwala uzyskać większą siłę nośną i kontrolować jego kierunek. Zmieniając krzywiznę żagla, wykwalifikowany żeglarz kontroluje rozmiar i położenie obszaru wytwarzającego siłę nośną. Głębokie wygięcie do przodu może wytworzyć dużą strefę nacisku, ale jeśli wygięcie jest zbyt duże lub krawędź natarcia jest zbyt stroma, cząsteczki powietrza opływające go nie będą już podążać za wygięciem. Innymi słowy, jeśli obiekt ma ostre rogi, cząstki przepływu nie mogą wykonać skrętu - impuls ruchu jest zbyt silny, zjawisko to nazywamy „przepływem odseparowanym”. Skutkiem tego efektu jest to, że żagiel „odpada”, tracąc wiatr.

A oto jeszcze kilka praktyczne porady wykorzystanie energii wiatru. Optymalny kurs z wiatrem czołowym (wyścigowy wiatr boczny). Żeglarze nazywają to „żeglowaniem pod wiatr”. Wiatr proporczykowy, który ma prędkość 17 węzłów, jest zauważalnie szybszy od wiatru prawdziwego, który tworzy system fal. Różnica w ich kierunkach wynosi 12°. Kierunek na wiatr pozorny - 33°, na wiatr rzeczywisty - 45°.

Wiatry, które są w południowej części Pacyfik wieje na zachód. Dlatego nasza trasa została zaprojektowana tak, aby jacht żaglowy„Juliet” poruszają się ze wschodu na zachód, czyli tak, aby wiatr wiał w plecy.

Jeśli jednak spojrzysz na naszą trasę, zauważysz, że często np. jadąc z południa na północ z Samoa do Tokelau, musieliśmy poruszać się prostopadle do wiatru. A czasami kierunek wiatru zupełnie się zmieniał i musiał iść pod wiatr.

Trasa Julii

Co zrobić w takim przypadku?

Żaglowce od dawna potrafią pływać pod wiatr. Klasyk Jakow Perelman pisał o tym przez długi czas dobrze i prosto w swojej Drugiej książce z cyklu Fizyka rozrywkowa. Cytuję tutaj ten kawałek dosłownie ze zdjęciami.

„Żeglowanie pod wiatr

Wiatr zawsze pcha żagiel pod kątem prostym do jego płaszczyzny.

Ponieważ wiatr napiera równomiernie na całej powierzchni żagla, zastępujemy napór wiatru siłą R przyłożoną do środka żagla. Rozkładamy tę siłę na dwie: siłę Q prostopadłą do żagla i siłę P skierowaną wzdłuż żagla (patrz rysunek powyżej, po prawej). Ostatnia siła nigdzie nie popycha żagla, ponieważ tarcie wiatru o płótno jest znikome. Pozostaje siła Q, która popycha żagiel do niego pod kątem prostym.

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem do wiatru. Niech linia KK reprezentuje linię stępki statku.

Jak można płynąć pod wiatr.

Wiatr wieje pod ostrym kątem do tej linii w kierunku wskazanym przez rząd strzałek. Linia AB reprezentuje żagiel; jest umieszczony tak, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Śledź rozkład sił na rysunku. Nacisk wiatru na żagiel przedstawiamy jako siłę Q, która, jak wiemy, musi być prostopadła do żagla. Rozkładamy tę siłę na dwie: siłę R prostopadłą do stępki i siłę S skierowaną do przodu wzdłuż linii stępki statku. Ponieważ ruch statku w kierunku R napotyka na duży opór wody (kil w żaglowcach staje się bardzo głęboki), siła R jest prawie całkowicie równoważona przez opór wody. Jest tylko jedna siła S, która, jak widać, jest skierowana do przodu, a zatem porusza statek pod kątem, jakby pod wiatr. [Można wykazać, że siła S jest największa, gdy płaszczyzna żagla zmniejsza o połowę kąt między kilem a kierunkiem wiatru]. Zazwyczaj ten ruch jest wykonywany zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku żeglarzy ten ruch statku nazywa się „halsowaniem” w wąskim znaczeniu tego słowa”.

Rozważmy teraz wszystkie możliwe kierunki wiatru w stosunku do kursu łodzi.

Wykres kursu statku względem wiatru, czyli kąt między kierunkiem wiatru a wektorem od rufy do dziobu (kierunek).

Kiedy wiatr wieje w twarz (leventik), żagle zwisają na boki i nie można się ruszyć z żaglem. Oczywiście zawsze można opuścić żagle i włączyć silnik, ale nie ma to nic wspólnego z żeglarstwem.

Kiedy wiatr wieje z tyłu (przód, tył), rozproszone cząsteczki powietrza wywierają nacisk na żagiel z jednej strony i łódź się porusza. W takim przypadku statek może poruszać się tylko wolniej niż prędkość wiatru. Działa tu analogia do jazdy na rowerze na wietrze – wiatr wieje w plecy i łatwiej jest pedałować.

Poruszając się pod wiatr (beydewind), żagiel nie porusza się pod wpływem naporu cząsteczek powietrza na żagiel od tyłu, jak w przypadku fordewind, ale z powodu siły nośnej, która powstaje w wyniku różnych prędkości powietrza z obu stron. boki wzdłuż żagla. Jednocześnie, dzięki stępce, łódka porusza się nie w kierunku prostopadłym do kursu łódki, a jedynie do przodu. Oznacza to, że żagiel w tym przypadku nie jest parasolem, jak w przypadku zaciągu bocznego, ale skrzydłem samolotu.

Podczas naszych przepraw chodziliśmy głównie z achtersztagami i wiatrami zatokowymi ze średnią prędkością 7-8 węzłów z prędkością wiatru 15 węzłów. Czasami szliśmy pod wiatr, Gulfwind i Beydewind. A kiedy wiatr ucichł, włączyli silnik.

Ogólnie rzecz biorąc, łódź z żaglem jadącym pod wiatr to nie cud, ale rzeczywistość.

Najciekawsze jest to, że łodzie mogą płynąć nie tylko pod wiatr, ale nawet szybciej niż wiatr. Dzieje się tak, gdy łódź cofa się, tworząc „swój własny wiatr”.