Dom Okoń Jaki wiatr powoduje ruch żaglowca? Jak żeglować jachtem żaglowym pod wiatr? Przyjrzyjmy się teraz, jak działają żagle na jachcie

Jaki wiatr powoduje ruch żaglowca? Jak żeglować jachtem żaglowym pod wiatr? Przyjrzyjmy się teraz, jak działają żagle na jachcie

Kontynuujemy cykl publikacji przygotowany przez interaktywny blog popularnonaukowy „Wyjaśnię w dwie minuty”. Blog opowiada o rzeczach prostych i złożonych, które otaczają nas na co dzień i nie rodzą żadnych pytań, dopóki się nad nimi nie zastanowimy. Można tam na przykład dowiedzieć się, jak statki kosmiczne nie mijają i nie kolidują z ISS podczas dokowania.

1. Nie da się żeglować ściśle pod wiatr. Jeśli jednak wiatr wieje z przodu, ale lekko pod kątem, jacht może równie dobrze się poruszać. W takich przypadkach mówi się, że statek płynie ostrym kursem.

2. Napór żagla generowany jest przez dwa czynniki. Po pierwsze, wiatr po prostu naciska na żagle. Po drugie, skośne żagle instalowane na większości nowoczesnych jachtów, gdy opływa je powietrze, działają jak skrzydło samolotu i wytwarzają „siłę nośną”, tyle że jest ona skierowana nie do góry, ale do przodu. Ze względu na aerodynamikę powietrze po wypukłej stronie żagla porusza się szybciej niż po wklęsłej, a ciśnienie na zewnątrz żagla jest mniejsze niż po wewnętrznej stronie.

3. Całkowita siła wytworzona przez żagiel jest skierowana prostopadle do płótna. Zgodnie z zasadą dodawania wektorów można rozróżnić siłę unoszenia (czerwona strzałka) i siłę uciągu (zielona strzałka).

4. Na ostrych kursach siła znoszenia jest duża, jednak równoważy ją kształt kadłuba, stępki i steru: jacht nie może przechylać się na boki ze względu na opór wody. Ale chętnie ślizga się do przodu nawet przy niewielkiej sile uciągu.

5. Aby żeglować ściśle pod wiatr, jacht wykonuje zwrot na wiatr: skręca najpierw w jedną lub drugą stronę, poruszając się do przodu segmentami - halsami. Jak długi powinien być hals i pod jakim kątem do wiatru – ważne kwestie taktyki sternika.

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

7. Leventik– wiatr wieje bezpośrednio na dziób statku. Nie da się w ten sposób żeglować, ale zwrot pod wiatr służy do zatrzymania jachtu.

8. Zamknięty wiatr- ten sam ostry przebieg. Kiedy płyniemy na ostrym kursie, wiatr wieje w twarz, więc wydaje się, że jacht rozwija bardzo dużą prędkość. W rzeczywistości to uczucie jest zwodnicze.

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

10. Backstag- wiatr wieje z rufy i z boku. To najszybszy kurs. Szybkie łodzie regatowe pływające z baksztagiem mogą rozpędzić się do prędkości przekraczających prędkość wiatru na skutek siły unoszącej żagla.

11. Przedni wiatr- ten sam wiatr tylny wiejący od rufy. Wbrew oczekiwaniom nie jest to najszybszy kurs: nie wykorzystuje się tu siły nośnej żagla, a teoretyczna prędkość dozwolona nie przekracza prędkości wiatru. Doświadczony kapitan potrafi przewidzieć niewidzialne prądy powietrzne, tak jak pilot samolotu może przewidzieć prądy wznoszące i opadające.

Interaktywną wersję diagramu można zobaczyć na blogu „Wyjaśnię za dwie minuty”.

Wiatry, które są w południowej części Ocean Spokojny wieje w kierunku zachodnim. Dlatego tak zaprojektowaliśmy naszą trasę jacht żaglowy„Julia” przemieszczaj się ze wschodu na zachód, czyli z wiatrem wiejącym w plecy.

Jeśli jednak spojrzysz na naszą trasę, zauważysz, że często, np. przemieszczając się z południa na północ z Samoa do Tokelau, musieliśmy poruszać się prostopadle do wiatru. Czasem zupełnie zmieniał się kierunek wiatru i trzeba było jechać pod wiatr.

Trasa Julii

Co zrobić w tym przypadku?

Żaglowce od dawna potrafią pływać pod wiatr. Już dawno temu dobrze i prosto pisał o tym klasyk Jakow Perelman w swojej drugiej książce z serii „Fizyka rozrywkowa”. Prezentuję tutaj ten fragment dosłownie ze zdjęciami.

„Żeglowanie pod wiatr

Trudno sobie wyobrazić, jak żaglowce mogą płynąć „pod wiatr” lub, jak mówią marynarze, płynąć „na krótkim dystansie”. To prawda, żeglarz powie Ci, że nie można płynąć bezpośrednio pod wiatr, ale można poruszać się tylko pod ostrym kątem do kierunku wiatru. Ale ten kąt jest niewielki – około jednej czwartej kąta prostego – i być może wydaje się równie niezrozumiały: czy płynąć bezpośrednio pod wiatr, czy pod kątem 22°.

W rzeczywistości nie jest to jednak obojętne i teraz wyjaśnimy, jak pod wpływem wiatru można poruszać się w jego stronę pod niewielkim kątem. Najpierw przyjrzyjmy się, jak wiatr ogólnie oddziałuje na żagiel, to znaczy, gdzie popycha żagiel, gdy na niego wieje. Pewnie myślisz, że wiatr zawsze popycha 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 strzałkami na poniższym rysunku; linia AB reprezentuje żagiel.

Wiatr zawsze pcha żagiel pod kątem prostym do płaszczyzny.

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

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem w stronę 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 serię strzałek. Linia AB przedstawia żagiel; jest umieszczony w taki sposób, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Postępuj zgodnie z rozkładem sił na rysunku. Napór wiatru na żagiel reprezentujemy siłą Q, która, jak wiemy, musi być prostopadła do żagla. Podzielmy 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 (wbicie stępki). żaglowce staje się bardzo głęboka), wówczas siła R jest prawie całkowicie równoważona przez opór wody. Pozostaje tylko jedna siła S, która, jak widać, jest skierowana do przodu i dlatego porusza statek pod kątem, jakby w stronę wiatru. [Można udowodnić, że siła S otrzymuje największą wartość wielka wartość kiedy płaszczyzna żagla przecina kąt między kierunkami stępki a kierunkiem wiatru.]. Zazwyczaj ruch ten wykonywany jest zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku marynarzy taki ruch statku nazywa się „halsem” w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Rozważmy teraz wszystkie możliwe kierunki wiatru w zależności od kursu łodzi.

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

Gdy wiatr wieje w twarz (leventik), żagle wiszą na boki i nie da się nimi poruszać. Oczywiście zawsze można opuścić żagle i włączyć silnik, jednak z żeglarstwem nie ma to już nic wspólnego.

Kiedy wiatr wieje bezpośrednio za tobą (zwrotek, wiatr tylny), cząsteczki przyspieszonego powietrza wywierają nacisk na żagiel z jednej strony i łódź płynie. W takim przypadku statek może poruszać się tylko wolniej niż prędkość wiatru. Działa tu analogia z jazdą na rowerze na wietrze – wiatr wieje w plecy i łatwiej jest kręcić pedałami.

Podczas ruchu pod wiatr (na wiatr) żagiel porusza się nie na skutek nacisku cząsteczek powietrza na żagiel od tyłu, jak w przypadku zwrotnicy, ale na skutek siły nośnej, która powstaje pod wpływem różnych prędkości powietrza po obu stronach wzdłuż żagla. Co więcej, ze względu na stępkę, łódź nie porusza się w kierunku prostopadłym do kursu łodzi, ale tylko do przodu. Oznacza to, że żagiel w tym przypadku nie jest parasolem, jak w przypadku żagla na wiatr, ale skrzydłem samolotu.

Podczas naszych przejść poruszaliśmy się głównie po basztach i wiatrach zatokowych średnia prędkość z prędkością 7-8 węzłów przy prędkości wiatru 15 węzłów. Czasem płynęliśmy pod wiatr, z półwiatrem i na ostro. A kiedy ucichł wiatr, włączyli silnik.

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

Najciekawsze jest to, że łodzie mogą pływać nie tylko pod wiatr, ale nawet szybciej od wiatru. Dzieje się tak, gdy łódź cofa się, tworząc własny wiatr.

Wiatr zawsze pcha żagiel pod kątem prostym do płaszczyzny.

Ponieważ wiatr napiera równomiernie na całą powierzchnię żagla, napór wiatru zastępujemy siłą R przyłożoną do środka żagla. Podzielmy tę siłę na dwie części: siłę Q, prostopadle do żagla i skierowaną wzdłuż niego siłę P (patrz rysunek powyżej, po prawej). Ostatnia siła popycha żagiel donikąd, ponieważ tarcie wiatru o płótno jest nieznaczne. Siła pozostaje Q, który popycha żagiel pod kątem prostym do niego.

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem w stronę 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 serię strzałek. Linia AB przedstawia żagiel; jest umieszczony w taki sposób, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Postępuj zgodnie z rozkładem sił na rysunku. Reprezentujemy siłę wiatru na żaglu Q, który, jak wiemy, powinien być prostopadły do żagla. Podzielmy tę siłę na dwie części: siłę R, prostopadle do stępki i siłę S, skierowane do przodu, wzdłuż linii stępki statku. Ponieważ ruch statku odbywa się w kierunku R napotyka duży opór wody (stępka w żaglowcach jest wykonywana bardzo głęboko), niż siła R prawie całkowicie zrównoważony przez wodoodporność. Pozostaje tylko siła S, który jak widać jest skierowany do przodu i w związku z tym porusza się statkiem pod kątem, jakby pod wiatr. [Można udowodnić, że siła S otrzymuje największą wartość, gdy płaszczyzna żagla przecina kąt między stępką a kierunkami wiatru.]. Zwykle ten ruch jest wykonywany zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku marynarzy taki ruch statku nazywa się „halsem” w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Nie mniej ważna niż opór kadłuba jest siła uciągu wytwarzana przez żagle. Aby lepiej wyobrazić sobie pracę żagli, zapoznajmy się z podstawowymi pojęciami teorii żagli.

Mówiliśmy już o głównych siłach działających na żagle jachtu pływającego z wiatrem tylnym (kurs z fokiem) i wiatrem czołowym (kursem za wiatrem). Odkryliśmy, że siłę działającą na żagle można rozłożyć na siłę powodującą kołysanie się i dryfowanie jachtu z wiatrem, siłę znoszenia oraz siłę uciągu (patrz rys. 2 i 3).

Zobaczmy teraz, jak określa się całkowitą siłę naporu wiatru na żagle i od czego zależą siły ciągu i znoszenia.

Aby wyobrazić sobie działanie żagla na ostrych kursach, wygodnie jest najpierw rozważyć żagiel płaski (ryc. 94), który pod pewnym kątem natarcia podlega ciśnieniu wiatru. W tym przypadku za żaglem tworzą się wiry, po stronie nawietrznej powstają siły ciśnienia, a po zawietrznej siły rozrzedzenia. Ich wynikowy R jest skierowany w przybliżeniu prostopadle do płaszczyzny żagla. Aby właściwie zrozumieć działanie żagla, wygodnie jest wyobrazić sobie go jako wypadkową dwóch sił składowych: X skierowanej równolegle do przepływu powietrza (wiatru) i Y skierowanej prostopadle do niego.

Siła X skierowana równolegle do przepływu powietrza nazywana jest siłą oporu; Tworzą go, oprócz żagla, także kadłub, olinowanie, drzewce i załoga jachtu.

Siła Y skierowana prostopadle do przepływu powietrza nazywa się w aerodynamice siłą nośną. To właśnie tworzy ciąg w kierunku ruchu jachtu na ostrych kursach.

Jeżeli przy tym samym oporze żagla X (rys. 95) siła nośna wzrośnie np. do wartości Y1, to jak pokazano na rysunku wypadkowa siły nośnej i oporu zmieni się o R i odpowiednio siła ciągu T wzrośnie do T1.

Taka konstrukcja pozwala łatwo sprawdzić, że wraz ze wzrostem oporu X (przy tej samej sile nośnej) zmniejsza się ciąg T.

Istnieją więc dwa sposoby zwiększenia siły uciągu, a co za tym idzie prędkości na ostrych kursach: zwiększenie siły nośnej żagla i zmniejszenie oporu żagla i jachtu.

We współczesnym żeglarstwie siłę nośną żagla zwiększa się poprzez nadanie mu wklęsłego kształtu z pewnym „brzuszkiem” (ryc. 96): wielkość od masztu do głębokie miejsce„Brzuch” wynosi zwykle 0,3-0,4 szerokości żagla, a głębokość „brzucha” wynosi około 6-10% szerokości. Siła nośna takiego żagla jest o 20-25% większa niż całkowicie płaskiego żagla o prawie takim samym oporze. To prawda, że jacht z płaskimi żaglami płynie nieco bardziej stromo pod wiatr. Jednakże w przypadku żagli potwybrzuszanych prędkość osiągania halsu jest większa ze względu na większy ciąg.

Ryż. 96. Profil żagla

Należy pamiętać, że w przypadku żagli potwybrzuszanych zwiększa się nie tylko ciąg, ale także siła znoszenia, co oznacza, że przechylenie i znoszenie jachtów z żaglami wzdętymi jest większe niż w przypadku jachtów stosunkowo płaskich. Dlatego „wybrzuszenie” żagla o więcej niż 6-7% przy silnym wietrze jest nieopłacalne, ponieważ wzrost przechyłu i znoszenia prowadzi do znacznego wzrostu oporu kadłuba i spadku wydajności żagli, które „pożerają” efekt zwiększonego ciągu. Przy słabych wiatrach żagle z „brzuchem” wynoszącym 9-10% ciągną lepiej, ponieważ ze względu na niskie całkowite ciśnienie wiatru na żagiel pięta jest niewielka.

Każdy żagiel ustawiony na kąt natarcia większy niż 15-20°, to znaczy, gdy jacht kieruje się pod kątem 40-50° do wiatru lub większym, może zmniejszyć siłę nośną i zwiększyć opór, ponieważ po zawietrznej tworzą się znaczne turbulencje. A ponieważ główna część siły nośnej tworzona jest przez płynny, wolny od turbulencji przepływ wokół zawietrznej strony żagla, zniszczenie tych wirów powinno dać wspaniały efekt.

Turbulencje powstające za grotem są niszczone poprzez ustawienie foka (ryc. 97). Strumień powietrza wpadający w szczelinę pomiędzy grotem a fokiem zwiększa jego prędkość (tzw. efekt dyszy), a przy prawidłowym ustawieniu foka „liże” wiry grota.

Ryż. 97. Praca z wysięgnikiem

Profil miękkiego żagla jest trudny do utrzymania na stałym poziomie przy różnych kątach natarcia. Wcześniej pontony miały listwy przelotowe przechodzące przez cały żagiel - były cieńsze w „brzuchu” i grubsze w kierunku liku przedniego, gdzie żagiel jest znacznie bardziej płaski. Obecnie listwy przelotowe montuje się głównie na łodziach bojerowych i katamaranach, gdzie szczególnie ważne jest zachowanie profilu i sztywności żagla przy małych kątach natarcia, gdy zwykły żagiel jest już mocowany na liku przednim.

Jeśli źródłem siły nośnej jest tylko żagiel, to opór wytwarzany jest przez wszystko, co trafia do strumienia powietrza opływającego jacht. Dlatego poprawę właściwości trakcyjnych żagla można osiągnąć także poprzez zmniejszenie oporu kadłuba, masztu, olinowania i załogi jachtu. W tym celu na drzewcu i olinowaniu stosuje się różnego rodzaju owiewki.

Wielkość oporu żagla zależy od jego kształtu. Zgodnie z prawami aerodynamiki opór skrzydła samolotu jest tym mniejszy, im jest on węższy i dłuższy na tej samej powierzchni. Dlatego starają się, aby żagiel (w zasadzie to samo skrzydło, ale umieszczone pionowo) był wysoki i wąski. Pozwala to również na wykorzystanie górnego wiatru.

Opór żagla w bardzo dużym stopniu zależy od stanu jego krawędzi natarcia. Liki czołowe wszystkich żagli powinny być szczelnie przykryte, aby zapobiec możliwości wystąpienia wibracji.

Należy wspomnieć o jeszcze jednej bardzo ważnej okoliczności - tzw. centrowaniu żagli.

Z mechaniki wiadomo, że o każdej sile decyduje jej wielkość, kierunek i punkt przyłożenia. Do tej pory mówiliśmy jedynie o wielkości i kierunku sił działających na żagiel. Jak zobaczymy później, znajomość punktów zastosowań ma ogromne znaczenie dla zrozumienia działania żagli.

Ciśnienie wiatru rozkłada się nierównomiernie na powierzchni żagla (większe ciśnienie odczuwa jego przednia część), jednak dla uproszczenia obliczeń porównawczych przyjmuje się, że rozkłada się ono równomiernie. Do obliczeń przybliżonych przyjmuje się, że wypadkowa siła parcia wiatru na żagle jest przyłożona do jednego punktu; przyjmuje się, że środek ciężkości powierzchni żagli znajduje się w płaszczyźnie środkowej jachtu. Ten punkt nazywany jest środkiem żagla (CS).

Skupmy się na najprostszej graficznej metodzie określania położenia procesora (ryc. 98). Narysuj powierzchnię żagli jachtu w wymaganej skali. Następnie na przecięciu środkowych - linii łączących wierzchołki trójkąta ze środkami przeciwległych boków - znajduje się środek każdego żagla. Otrzymawszy w ten sposób na rysunku środki O i O1 dwóch trójkątów tworzących grot i sztaksel, narysuj dwie równoległe linie OA i O1B przechodzące przez te środki i połóż na nich w przeciwnych kierunkach w dowolnej skali z wyjątkiem tej samej skali, co wiele liniowych jednostki jako metry kwadratowe w trójkącie; Od środka grota oddziela się obszar foka, a od środka foka obszar grota. Punkty końcowe A i B są połączone linią prostą AB. Kolejna linia prosta - O1O łączy środki trójkątów. Na przecięciu prostych A B i O1O będzie wspólny środek.

Ryż. 98. Graficzna metoda wyznaczania środka żagla

Jak już powiedzieliśmy, sile znoszenia (rozważymy ją przyłożoną w środku żagla) przeciwdziała siła oporu bocznego kadłuba jachtu. Przyjmuje się, że siła oporu bocznego jest przyłożona w środku oporu bocznego (CLR). Środek oporu bocznego jest środkiem ciężkości rzutu części podwodnej jachtu na płaszczyznę symetrii.

Środek oporu bocznego można znaleźć wycinając z grubego papieru zarys podwodnej części jachtu i umieszczając ten model na ostrzu noża. Gdy model jest już wyważony, lekko go dociśnij, następnie obróć o 90° i ponownie zbalansuj. Przecięcie tych linii daje nam środek oporu bocznego.

Gdy jacht płynie bez przechyłu, CP powinien leżeć na tej samej pionowej linii prostej z CB (ryc. 99). Jeżeli CP leży przed stacją centralną (ryc. 99, b), wówczas siła dryfu, przesunięta do przodu w stosunku do siły oporu bocznego, obraca dziób statku pod wiatr - jacht spada. Jeśli CPU znajduje się za stacją centralną, jacht zwróci dziób pod wiatr lub będzie płynął (ryc. 99, c).

Ryż. 99. Osiowanie jachtu

Zarówno nadmierne dostosowanie do wiatru, jak i zwłaszcza przeciągnięcie (niewłaściwe wycentrowanie) są szkodliwe dla żeglowania jachtu, gdyż zmuszają sternika do ciągłej pracy sterem w celu utrzymania prostoliniowości, a to zwiększa opory kadłuba i zmniejsza prędkość statku. Ponadto nieprawidłowe ustawienie prowadzi do pogorszenia sterowalności, a w niektórych przypadkach do jej całkowitej utraty.

Jeśli wycentrujemy jacht jak pokazano na rys. 99, to znaczy procesor i centralny system sterowania będą ustawione w tej samej pionie, wtedy statek będzie napędzany bardzo mocno i bardzo trudno będzie go kontrolować. O co chodzi? Są tu dwa główne powody. Po pierwsze, rzeczywiste położenie procesora i ośrodkowego układu nerwowego nie pokrywa się z teoretycznym (oba ośrodki są przesunięte do przodu, ale nie jednakowo).

Po drugie, i to jest najważniejsze, podczas przechyłu siła uciągu żagli i siła oporu wzdłużnego kadłuba okazują się leżeć w różnych płaszczyznach pionowych (ryc. 100), okazuje się, że jest to dźwignia, która zmusza jacht być prowadzonym. Im większy przechył, tym bardziej podatny jest statek na przechylenie.

Aby wyeliminować takie przywodzenie, PK umieszcza się przed centralnym układem nerwowym. Moment trakcji i oporu wzdłużnego powstający przy przechyleniu, wymuszający jazdę jachtu, jest kompensowany przez moment wychwytujący siły znoszenia i opory boczne, gdy CP znajduje się z przodu. Dla dobrego wycentrowania konieczne jest umieszczenie CP przed CB w odległości równej 10-18% długości jachtu wzdłuż linii wodnej. Im mniej stabilny jest jacht i im wyżej procesor jest podniesiony ponad środek, tym bardziej trzeba go przesunąć na dziób.

Aby jacht miał dobry ruch, musi być wycentrowany, czyli ustawić CP i CB w takiej pozycji, w której statek na kursie ostro na wiatr przy słabym wietrze był całkowicie zrównoważony przez żagle, w przeciwnym razie Słowem, był stabilny na kursie ze sterem wyrzuconym lub unieruchomionym w DP (pozwalał na lekką tendencję do pływania przy bardzo słabym wietrze), a przy silniejszych wiatrach miał tendencję do pływania. Każdy sternik musi umieć prawidłowo wycentrować jacht. Na większości jachtów tendencja do kołysania wzrasta, jeśli tylne żagle są wymieniane, a przednie są luźne. Jeśli przednie żagle zostaną poddane przeglądowi, a tylne ulegną uszkodzeniu, statek zatonie. Wraz ze wzrostem „brzucha” grota, a także źle ustawionymi żaglami, jacht ma tendencję do większego prowadzenia.

Ryż. 100. Wpływ przechyłu na ustawienie jachtu pod wiatr