Jak płynąć pod wiatr na jachcie żaglowym? Fizyka ruchu jachtu żaglowego Jak działa żagiel pod wiatr.

„Dobry wiatr!” - Życzą wszystkim żeglarzom, a na próżno: gdy wiatr wieje od rufy, jacht nie jest w stanie rozwinąć maksymalnej prędkości. W tym programie pomógł Vadim Zhdan, zawodowy sternik, zawodnik, organizator i gospodarz regat żeglarskich. Przeczytaj podpowiedzi na diagramie, aby to rozgryźć.

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 z powietrzem, działają jak skrzydło samolotu i tylko skierowane są 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).

5. Aby płynąć stricte pod wiatr, jacht manewruje: skręca do wiatru 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.

9. Gulfwind- wiatr wieje prostopadle do kierunku jazdy.

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 wie, jak przewidzieć niewidzialne prądy powietrza w taki sam sposób, jak

Ruch jacht żaglowy wiatr z wiatrem jest w rzeczywistości determinowany przez proste ciśnienie wiatru na żaglu, popychające statek do przodu. Jednak badania w tunelu aerodynamicznym wykazały, że pływanie pod wiatr naraża żagiel na bardziej złożony zestaw sił.

Gdy napływające powietrze opływa wklęsłą tylną powierzchnię żagla, prędkość powietrza maleje, natomiast podczas opływania wypukłej przedniej powierzchni żagla prędkość ta wzrasta. W efekcie na tylnej powierzchni żagla powstaje obszar zwiększonego nacisku, a na powierzchni przedniej obszar niskiego ciśnienia. Różnica ciśnień po obu stronach żagla tworzy siłę ciągnącą (pchająca), która przesuwa jacht do przodu pod kątem do wiatru.

Jacht żaglowy, ustawiony mniej więcej pod kątem prostym do wiatru (w terminologii żeglarskiej jacht jest halsowany), porusza się szybko do przodu. Żagiel jest poddawany siłom ciągnącym i bocznym. Jeżeli jacht żaglowy płynie pod ostrym kątem do wiatru, jego prędkość zmniejszy się z powodu zmniejszenia siły uciągu i wzrostu siły bocznej. Im bardziej żagiel jest zwrócony w kierunku rufy, tym wolniej jacht porusza się do przodu, szczególnie ze względu na dużą siłę boczną.

Jacht żaglowy nie może płynąć prosto pod wiatr, ale może poruszać się do przodu serią krótkich ruchów zygzakowatych pod kątem do wiatru, zwanych halsami. Jeżeli wiatr wieje na lewą burtę (1), jacht płynie lewym halsem, jeżeli prawą burtą (2), prawym halsem. W celu szybszego pokonania dystansu żeglarz stara się maksymalnie zwiększyć prędkość jachtu, dostosowując położenie jego żagla, jak pokazano na rysunku poniżej po lewej stronie. Aby zminimalizować odchylenie od linii prostej jacht porusza się zmieniając kurs z prawej burty na lewą i odwrotnie. Gdy jacht zmienia kurs, żagiel jest przerzucany na drugą stronę, a gdy jego płaszczyzna zbiega się z linią wiatru, pędzi przez jakiś czas, tj. jest nieaktywna (środkowa ilustracja pod tekstem). Jacht wpada w tzw. martwą strefę, tracąc prędkość, aż wiatr ponownie nadmucha żagiel z przeciwnej strony.

4.4. Akcja wiatru na żaglu

Na łódź pod żaglami mają wpływ dwa czynniki: przepływ powietrza działający na żagiel i powierzchnię łodzi oraz woda działająca na podwodną część łodzi.

Dzięki kształtowi żagla, nawet przy najbardziej niesprzyjających wiatrach (ostro naciąg), łódka może płynąć do przodu. Żagiel przypomina skrzydło, którego największe ugięcie wynosi 1/3-1/4 szerokości żagla od liku tylnego i ma wartość 8-10% szerokości żagla (rys. 44).

Jeżeli wiatr o kierunku B (rys. 45, a) napotyka na swojej drodze żagiel, wygina się wokół niego z obu stron. Po nawietrznej stronie żagla ciśnienie jest wyższe (+) niż po zawietrznej (-). Wypadkowa sił nacisku tworzy siłę P skierowaną prostopadle do płaszczyzny żagla lub cięciwy przechodzącej przez liku przedniego i liku tylnego i przyłożoną do środka żagla CP (rys. 45, b).

Ryż. 44. Profil żagla:
B - szerokość żagla wzdłuż cięciwy

Ryż. 45. Siły działające na żagiel i kadłub łodzi:
a - wpływ wiatru na żagiel; b - wpływ wiatru na żagiel i wody na kadłub łodzi

Ryż. 46. ​​​​Właściwa pozycja żagla w różnych kierunkach wiatru: a - za wiatrem; b - wiatr zatokowy; c - fordewind

Siła P rozkłada się na siłę ciągu T, skierowaną równolegle do płaszczyzny środkowej (DP) łodzi, zmuszając ją do ruchu do przodu, oraz siłę dryfu D, skierowaną prostopadle do DP, powodując dryfowanie i kołysanie łodzi .

Siła P zależy od prędkości i kierunku wiatru względem żagla. Więcej
Jeśli
Wpływ wody na łódź w dużej mierze zależy od ukształtowania jej podwodnej części.

Pomimo faktu, że przy wietrze ciągniętym na boki siła dryfu D przekracza siłę ciągu T, łódź ma suw do przodu. Wpływa na to opór boczny R1 podwodnej części kadłuba, który jest wielokrotnie większy niż opór czołowy R.

Ryż. 47. Wiatr proporczykowy:
B A - prawdziwy wiatr; В Ш - wiatr od ruchu łodzi; В В - wiatr pozorny

Siła D, pomimo oporu kadłuba, mimo wszystko wyrzuca łódź z linii kursu. Opracowane przez DP i kierunek prawdziwego ruchu łodzi IP
Zatem największy ciąg i najmniejszy dryf łodzi można uzyskać wybierając najkorzystniejsze położenie płaszczyzny środkowej łodzi i płaszczyzny żagla względem wiatru. Ustalono, że kąt między DP łodzi a płaszczyzną żagla powinien być równy połowie
Wybierając położenie żagla względem łodzi i wiatru, brygadzista łodzi kieruje się nie prawdziwym, ale pozornym (pozornym) wiatrem, którego kierunek wyznacza wypadkowa prędkości łodzi i rzeczywista prędkość wiatru (rys. 47).

Tasak, znajdujący się przed wzniosem, działa jak listwa. Przepływ powietrza pomiędzy wysięgnikiem a przedbrzeżem zmniejsza ciśnienie po zawietrznej stronie przedbrzeża, a tym samym zwiększa jego siłę uciągu. Dzieje się tak tylko pod warunkiem, że kąt między wysięgnikiem a DP łodzi jest nieco większy niż kąt między dziobem a DP łodzi (rys. 48, a).

Zanim zagłębimy się w osiągi żagla, należy wziąć pod uwagę dwie krótkie, ale ważne kwestie:
1. Określ, jaki wiatr działa na żagle.
2. Wyjaśnij konkretną terminologię morską związaną z kursami wiatru.

Wiatr prawdziwy i proporczyny w żeglarstwie.

Wiatr, który działa na poruszający się statek i wszystko, co się na nim znajduje, różni się od tego, który działa na dowolny nieruchomy obiekt.
Sam wiatr jako zjawisko atmosferyczne wiejące w stosunku do lądu lub wody, nazywamy wiatrem prawdziwym.
W żeglarstwie wiatr zależny od jachtu w ruchu nazywany jest wiatrem pozornym i jest sumą wiatru rzeczywistego i nadchodzącego strumienia powietrza spowodowanego ruchem statku.
Wiatr proporczykowy zawsze wieje pod większym kątem do łodzi niż prawdziwy wiatr.
Prędkość wiatr pozorny może być więcej (jeśli prawdziwy wiatr jest czołowy lub boczny) lub mniej niż prawdziwy (jeśli wieje z właściwego kierunku).

Kierunki względem wiatru.

W wietrze oznacza od strony, z której wieje wiatr.
Pod wiatrem- po stronie, po której wieje wiatr.
Terminy te, jak również pochodne od nich, takie jak „nawietrzny”, „zawietrzny”, są używane bardzo szeroko i to nie tylko w żeglarstwie.
Kiedy te terminy są stosowane do statku, zwyczajowo mówi się również o stronie nawietrznej i zawietrznej.
Jeżeli wiatr wieje z prawej burty jachtu, to ta strona nazywa się pod wiatr, lewa strona - zawietrzny odpowiednio.
Lewy i prawy hals to dwa pojęcia bezpośrednio związane z poprzednimi: jeśli wiatr wieje na prawą burtę statku, to mówi się, że leci na prawy hals, jeśli jest zostawiony w lewo.
W angielskiej terminologii morskiej to, co kojarzy się z prawą i lewą burtą, różni się od zwykłego prawego i lewego. O prawej burcie i wszystkim co się z nią wiąże, mówi się o prawej burcie, o lewej burcie - lewa burta.

Kursy wiatru.

Kurs z wiatrem zmienia się w zależności od kąta między kierunkiem wiatru pozornego a kierunkiem łodzi. Można je sklasyfikować jako ostre lub pulchne.

Beidewind to ostry kurs w stosunku do wiatru. gdy wiatr wieje pod kątem mniejszym niż 80 °. Może być stromy boczny wiatr (do 50 °) i pełny (od 50 do 80 °).
Kursy pełne względem wiatru to kursy, gdy wiatr wieje pod kątem 90° lub większym do kierunku jazdy jachtu.
Kursy te obejmują:
Gulfwind - wiatr wieje pod kątem od 80 do 100°.
achtersztag - wiatr wieje pod kątem od 100 do 150° (stromy achtersztag) oraz od 150 do 170° (pełny achtersztag).
Fordewind - wiatr wieje na rufie pod kątem ponad 170°.
Leventic - wiatr wieje wprost lub bliski. Ponieważ żaglowiec nie może poruszać się pod taki wiatr, częściej nazywa się to nie kursem, ale pozycją względem wiatru.

Manewry związane z wiatrem.

Gdy jacht pod żaglami zmienia kurs tak, że kąt między wiatrem a kierunkiem żeglugi maleje, mówi się, że statek jest podawany... Innymi słowy, lądowanie oznacza pójście pod ostrzejszym kątem do wiatru.
Jeżeli zachodzi proces odwrotny, tj. jacht zmienia kurs w kierunku zwiększenia kąta między nim a wiatrem, statek odjeżdża .
Wyjaśnijmy, że terminy ("lead" i "roll out" - są używane, gdy łódź zmienia swój kurs względem wiatru w ramach tego samego halsu.
Jeżeli statek zmienia hals, to (i tylko wtedy!) taki manewr w żeglarstwie nazywamy zwrotem.
Istnieją dwa różne sposoby na zmianę halsu, a zatem dwie tury: przesadzać! oraz fordewind .
Overstag to zwrot pod wiatr. Łódź jest napędzana, dziób łodzi przecina linię wiatru, w pewnym momencie łódź przechodzi przez pozycję leventik, po czym kładzie się na innym halsie.
Jachtowanie podczas skręcania na przedni wiatr odbywa się w odwrotny sposób: statek toczy się, rufa przekracza linię wiatru, żagle są przerzucane na drugą stronę, jacht leży na innym halsie. Najczęściej jest to zmiana z jednego pełnego kursu na drugi.

Praca żagla na jachcie.

Jednym z głównych problemów żeglarza podczas pracy z żaglami jest ustawienie żagla pod optymalnym kątem w stosunku do wiatru, aby jak najlepiej napędzać do przodu. Aby to zrobić, musisz zrozumieć, jak żagiel oddziałuje z wiatrem.
Praca żagla jest pod wieloma względami podobna do pracy skrzydła samolotu i odbywa się zgodnie z prawami aerodynamiki. Szczególnie ciekawskim żeglarzom można dowiedzieć się więcej o aerodynamice żagla jako skrzydła w serii artykułów:. Ale lepiej to zrobić po przeczytaniu tego artykułu, stopniowo przechodząc od łatwego do bardziej złożonego materiału. Chociaż, do kogo to mówię? Prawdziwi żeglarze nie boją się trudności. I możesz zrobić wszystko dokładnie odwrotnie.

Główna różnica między żaglem a skrzydłem samolotu polega na tym, że do pojawienia się siły aerodynamicznej na żaglu potrzebny jest pewien niezerowy kąt między nim a wiatrem, kąt ten nazywa się kątem natarcia. Skrzydło samolotu ma asymetryczny profil i może pracować normalnie przy zerowym kącie natarcia, żagiel nie.
W procesie wiatru opływającego żagiel powstaje siła aerodynamiczna, która ostatecznie popycha jacht do przodu.
Rozważ działanie żagla w żeglarstwie na różnych kursach w stosunku do wiatru. Najpierw dla uproszczenia wyobraźmy sobie, że maszt z jednym żaglem jest wbijany w ziemię i możemy kierować wiatr pod różnymi kątami do żagla.

Kąt natarcia wynosi 0 °. Wiatr wieje wzdłuż żagla, żagiel trzepocze jak flaga. Na żaglu nie ma siły aerodynamicznej, jest tylko siła oporu.
Kąt natarcia 7°. Zaczyna się pojawiać siła aerodynamiczna. Jest skierowany prostopadle do żagla i nadal ma niewielkie rozmiary.
Kąt natarcia wynosi około 20°. Siła aerodynamiczna osiągnęła swoją maksymalną wartość, skierowaną prostopadle do żagla.
Kąt natarcia wynosi 90 °. W stosunku do poprzedniego przypadku siła aerodynamiczna nie zmieniła się znacząco ani pod względem wielkości, ani kierunku.
Widzimy więc, że siła aerodynamiczna jest zawsze skierowana prostopadle do żagla, a jej wielkość praktycznie nie zmienia się w zakresie kątów od 20 do 90 °.
Kąty natarcia większe niż 90 ° nie mają sensu, ponieważ żagle na jachcie zwykle nie są ustawione pod takimi kątami w stosunku do wiatru.

Powyższe zależności siły aerodynamicznej od kąta natarcia są w dużym stopniu uproszczone i uśrednione.
W rzeczywistości właściwości te różnią się znacznie w zależności od kształtu żagla. Np. długi, wąski i raczej płaski grot jachtów regatowych będzie miał maksymalną siłę aerodynamiczną przy kącie natarcia około 15°, przy wyższych kątach siła będzie nieco mniejsza. Jeśli żagiel jest bardziej wybrzuszony i nie ma bardzo dużego wydłużenia, to siła aerodynamiczna na nim może być maksymalna przy kącie natarcia około 25-30 °.

Przyjrzyjmy się teraz pracy żagla na jachcie.

Dla uproszczenia wyobraźmy sobie, że na jachcie jest tylko jeden żagiel. Niech to będzie grota.
W pierwszej kolejności warto przyjrzeć się jak zachowuje się układ jacht + żagiel podczas poruszania się po najostrzejszych kursach względem wiatru, gdyż to zwykle rodzi najwięcej pytań.

Załóżmy, że wiatr działa na jacht pod kątem 30-35 ° do kadłuba. Ustawiając żagiel na kursie pod kątem około 20° do wiatru, uzyskamy na nim wystarczającą siłę aerodynamiczną A.
Ponieważ siła ta działa pod kątem prostym do żagla, widzimy, że mocno ciągnie jacht na bok. Rozszerzając siłę A na dwie składowe, można zauważyć, że ciąg do przodu T jest kilkakrotnie mniejszy niż siła pchająca łódź na boki (D, siła dryfu).
Jak więc jacht porusza się do przodu?
Faktem jest, że konstrukcja podwodnej części kadłuba jest taka, że ​​opór kadłuba na ruch na bok (tzw. opór boczny) jest również kilkakrotnie większy niż opór na ruch do przodu. Ułatwia to stępka (lub miecz), ster i sam kształt kadłuba.
Jednak opór boczny powstaje, gdy jest coś, czemu można się oprzeć, to znaczy, aby zaczął działać, konieczne jest pewne przemieszczenie ciała na bok, tak zwany dryf wiatru.

Przemieszczenie to naturalnie zachodzi pod działaniem bocznej składowej siły aerodynamicznej iw odpowiedzi natychmiast powstaje boczna siła oporu S skierowana w przeciwnym kierunku. Z reguły równoważą się pod kątem około 10-15 °.
Jest więc oczywiste, że boczna składowa siły aerodynamicznej, która jest najbardziej widoczna na ostrych kursach względem wiatru, powoduje dwa niepożądane zjawiska: dryf wiatru i kołysanie.

Dryf wiatru oznacza, że ​​trajektoria jachtu nie pokrywa się z jego osią (centrum lub DP to mądre określenie na dziobowo-rufową linię). Jacht jest ciągle przesuwany pod wiatr, ruch wydaje się być trochę na boki.
Wiadomo, że pływając na kursie bocznym ze średnią warunki pogodowe dryf wiatru, ponieważ kąt między DP a rzeczywistą trajektorią ruchu wynosi około 10-15 °.

Postęp pod wiatr. Halsowanie.

Ponieważ żeglowanie pod żaglami jest niemożliwe stricte pod wiatr, ale można poruszać się tylko pod pewnym kątem, dobrze byłoby mieć wyobrażenie o tym, jak ostro jacht może poruszać się pod wiatr w stopniach. A co to za ten nieruchomy sektor kursów względem wiatru, w którym ruch pod wiatr jest niemożliwy.
Doświadczenie pokazuje, że zwykły jacht wycieczkowy (nie wyścigowy) może skutecznie płynąć 50-55 ° do prawdziwego wiatru.

Tak więc, jeśli cel, który ma zostać osiągnięty, jest ściśle pod wiatr, to żeglowanie do niego będzie odbywać się nie w linii prostej, ale w zygzaku z jednym halsem, potem drugim. W takim przypadku na każdym halsie oczywiście będziesz musiał starać się jechać jak najostrzej w kierunku wiatru. Ten proces nazywa się sczepianiem.

Kąt pomiędzy trajektoriami jachtów na dwóch sąsiednich halsach podczas zwrotu na wiatr nazywa się zwrotem na wiatr. Oczywiście przy ostrości ruchu na wiatr 50-55 ° kąt halsowania wyniesie 100-110 °.

Wartość kąta halsu pokazuje nam, jak skutecznie możemy poruszać się w kierunku celu, jeśli znajduje się on stricte pod wiatr. Na przykład dla kąta 110 ° droga do celu jest zwiększona o współczynnik 1,75 w porównaniu do poruszania się po linii prostej.

Eksploatacja żagli na różnych kursach wiatru

Oczywiście już na kursie Gulfwind ciąg T znacznie przekracza siłę dryfu D, przez co dryf i kołysanie będą niewielkie.

Z achtersztagiem, jak widać, w porównaniu z kursem Gulfwind niewiele się zmieniło. Grot jest umieszczony w pozycji prawie prostopadłej do DP, a ta pozycja jest idealna dla większości jachtów, technicznie niemożliwe jest rozwinięcie go dalej.

Pozycja grota na kursie fordewind nie różni się od pozycji na kursie achtersztagu.
Tutaj dla uproszczenia, rozważając fizykę procesu w żeglarstwie, bierzemy pod uwagę tylko jeden żagiel - grot. Zazwyczaj jacht posiada dwa żagle – grot i sztaksla (żagiel dziobowy). Tak więc na kursie przedni żagiel sztaksl (jeśli znajduje się po tej samej stronie co grot) jest w cieniu wiatru od grota i praktycznie nie działa. To jeden z kilku powodów, dla których kurs fordewind nie jest lubiany przez żeglarzy.

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.