Mișcarea unei nave cu pânze împotriva vântului. Cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului? Vânturi adevărate și fanion în yachting

Continuăm seria publicațiilor pregătite de blogul interactiv de popularizare „Vă explic în două minute”. Blogul vorbește despre lucruri simple și complexe care ne înconjoară în fiecare zi și nu ridică nicio întrebare exact atâta timp cât nu ne gândim la ele. De exemplu, acolo puteți afla cum navele spațiale nu ratează și nu se ciocnesc cu ISS atunci când se andocă.

1. Navigarea strict împotriva vântului este imposibilă. Cu toate acestea, dacă vântul bate în față, dar ușor înclinat, iahtul se poate mișca. În astfel de cazuri, se spune că nava este pe un curs ascuțit.

2. Impingerea velei se formează din cauza a doi factori. În primul rând, vântul apasă pur și simplu pe pânze. În al doilea rând, pânzele înclinate instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când curg cu aer, funcționează ca o aripă de avion și creează „lift”, doar că nu este îndreptată în sus, ci înainte. Datorită aerodinamicii, aerul se mișcă mai repede pe partea convexă a velei decât pe partea concavă, iar presiunea pe exteriorul velei este mai mică decât pe partea interioară.

3. Forța totală generată de velă este direcționată perpendicular pe pânză. Conform regulii de adunare a vectorului, este posibil să se distingă forța de deriva (săgeata roșie) și forța de împingere (săgeata verde) în ea.

4. Pe curse ascuțite, forța de deriva este mare, dar i se opune forma carenei, a chilei și a cârmei: iahtul nu poate merge lateral din cauza rezistenței la apă. Dar înainte alunecă de bunăvoie chiar și cu o forță mică de tracțiune.

5. Pentru a merge strict împotriva vântului, iahtul virează: se întoarce în vânt cu una sau cealaltă parte, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungi ar trebui să fie virajele și în ce unghi față de vânt să se îndrepte - întrebări importante despre tactica căpitanului.

6. Există cinci cursuri principale ale navei în raport cu vânt. Datorită lui Petru I, terminologia maritimă olandeză a prins rădăcini în Rusia.

7. Leventik－ vântul suflă direct în prova navei. Nu puteți naviga pe un astfel de curs, dar o întoarcere către vânt este folosită pentru a opri iahtul.

8. Vantul din spate- același curs ascuțit. Când ești transportat aproape, îți bate vântul în față, așa că se pare că iahtul dezvoltă o viteză foarte mare. De fapt, acest sentiment este înșelător.

9. Gulfwind－ vântul bate perpendicular pe direcția de mers.

10. Spate－ vântul bate din pupa și din lateral. Acesta este cel mai rapid curs. Bărcile rapide de curse de spate sunt capabile să accelereze la viteze mai mari decât viteza vântului datorită ridicării pânzei.

11. Dăruirea－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește portanța pânzei, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un skipper experimentat poate prezice curenții de aer invizibili în același mod în care un pilot de avion poate prezice curenți ascendenți și descendenți.

Puteți vizualiza o versiune interactivă a diagramei pe blogul „Two Minutes Explained”.

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” – sau, în cuvintele marinarilor, pot merge „haulate”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct în vânt, dar vă puteți deplasa doar într-un unghi ascuțit față de direcția vântului. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi de 22 ° față de el.

De fapt, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. Să luăm în considerare mai întâi cum acționează vântul asupra pânzei în general, adică unde împinge pânza atunci când suflă pe ea. Probabil crezi că vântul împinge întotdeauna vela în direcția în care bate. Dar nu este așa: oriunde bate vântul, împinge vela perpendicular pe planul velei. Într-adevăr: lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din figura de mai jos; linia ABînseamnă naviga.

Deoarece vântul împinge uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim presiunea vântului cu forța R aplicată la mijlocul velei. Să descompunăm această forță în două: forța Q, perpendicular pe pânză și forța P îndreptată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, din dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este neglijabilă. Puterea rămâne Q, care împinge vela în unghi drept față de ea.

Știind acest lucru, putem înțelege cu ușurință cum o navă cu pânze poate merge într-un unghi ascuțit în vânt. Lasă linia QCînfățișează linia chilei navei.

Vântul bate într-un unghi ascuțit față de această linie în direcția indicată de rândul de săgeți. Linia ABînfățișează o velă; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmați diagrama pentru distribuția forțelor. Înfățișăm presiunea vântului asupra velei prin forță Q, despre care știm că trebuie să fie perpendicular pe vela. Să descompunăm această forță în două: forța R, perpendicular pe chila și forța S arătând înainte de-a lungul liniei chilei navei. Din moment ce mişcarea vasului în direcţie Rîntâlnește o rezistență puternică la apă (chila în interior bărci de navigat devine foarte adânc), apoi forța R aproape complet echilibrat de rezistența la apă. Doar puterea rămâne S, care, după cum puteți vedea, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Se poate dovedi că puterea S capătă cea mai mare valoare atunci când planul pânzei traversează unghiul dintre direcțiile chilei și ale vântului.]. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în figura de mai jos. În limbajul marinarilor, o astfel de mișcare a vasului se numește „viraj” în sensul restrâns al cuvântului.

FORTA MOTORIZATA VENTULUI

Pe site-ul NASA au fost publicate materiale foarte interesante despre diverși factori care influențează formarea portanței de către aripa unui avion. Există, de asemenea, modele grafice interactive care demonstrează că portanța poate fi generată și de o aripă simetrică din cauza deviației fluxului.

Vela, fiind în unghi față de fluxul de aer, o deviază (fig. 1d). Trecând prin partea „superioară”, sub vânt, fluxul de aer parcurge o cale mai lungă și, în conformitate cu principiul continuității fluxului, se mișcă mai repede decât din partea „inferioară”. Rezultatul este o presiune mai mică pe partea sub sub a pânzei decât pe partea înclinată spre vânt.

La deplasare, cu vela așezată perpendicular pe direcția vântului, creșterea presiunii pe partea înclinată este mai mare decât scăderea presiunii pe partea sub vânt, cu alte cuvinte, vântul împinge iahtul mai mult decât trage. Pe măsură ce barca se transformă mai ascuțită în vânt, acest raport se va schimba. Astfel, dacă vântul bate perpendicular pe cursul ambarcațiunii, o creștere a presiunii pânzei spre vânt are un efect mai mic asupra vitezei decât o scădere a presiunii către subvin. Cu alte cuvinte, vela trage iahtul mai mult decât împinge.

Mișcarea iahtului se produce datorită faptului că vântul interacționează cu vela. Analiza acestei interacțiuni duce la rezultate neașteptate, pentru mulți începători. Se dovedește că viteza maximă este atinsă, deloc atunci când vântul suflă exact în spate, dar dorința unui „vânt în coadă” poartă o semnificație complet neașteptată.

Atât vela, cât și chila, atunci când interacționează cu fluxul, respectiv, de aer sau de apă, creează o forță de ridicare, prin urmare, pentru a-și optimiza munca, se poate aplica teoria aripii.

FORTA MOTORIZATA VENTULUI

Fluxul de aer are energie cinetică și, interacționând cu pânzele, este capabil să miște iahtul. Lucrarea atât a velei, cât și a aripii unui avion este descrisă de legea lui Bernoulli, conform căreia o creștere a vitezei de curgere duce la o scădere a presiunii. Când se deplasează în aer, aripa separă fluxul. O parte din ea ocolește aripa de sus, o parte de jos. O aripă de avion este proiectată astfel încât fluxul de aer de deasupra aripii să se miște mai repede decât fluxul de aer de sub partea inferioară a aripii. Rezultatul este că presiunea deasupra aripii este mult mai mică decât dedesubt. Diferența de presiune este forța de ridicare a aripii (Fig. 1a). Datorită formei complexe, aripa este capabilă să genereze portanță chiar și atunci când trece prin fluxul, care se mișcă paralel cu planul aripii.

Vela poate mișca iahtul doar dacă acesta se află la un anumit unghi față de flux și îl deviază. Rămâne întrebarea care parte a forței de ridicare este asociată cu efectul Bernoulli și care este rezultatul devierii fluxului. Conform teoriei clasice a aripii, forța de ridicare apare numai ca urmare a diferenței de viteze de curgere deasupra și sub aripa asimetrică. În același timp, este bine cunoscut faptul că o aripă simetrică este, de asemenea, capabilă să creeze portanță dacă este instalată la un anumit unghi față de flux (Fig. 1b). În ambele cazuri, unghiul dintre linia care leagă punctele anterioare și posterioare ale aripii și direcția fluxului de aer se numește unghi de atac.

Forța de ridicare crește odată cu unghiul de atac, totuși, această dependență funcționează numai pentru valori mici ale acestui unghi. De îndată ce unghiul de atac depășește un anumit nivel critic și are loc blocarea fluxului, pe suprafața superioară a aripii se formează numeroase vârtejuri, iar forța de susținere scade brusc (Fig. 1c).

Navigatorii știu că jibe nu este cel mai rapid curs. Dacă vântul de aceeași putere bate la un unghi de 90 de grade față de curs, barca se mișcă mult mai repede. Pe o șobă, forța cu care vântul împinge vela depinde de viteza iahtului. Cu forță maximă, vântul apasă pe vela unui iaht care stă nemișcat (Fig. 2a). Pe măsură ce viteza crește, presiunea asupra pânzei scade și devine minimă atunci când iahtul atinge viteza maximă (Fig. 2b). Viteza maximă pe o șuviță este întotdeauna mai mică decât viteza vântului. Există mai multe motive pentru aceasta: în primul rând, frecarea, în orice mișcare, o parte din energie este cheltuită pentru a depăși diferitele forțe care împiedică mișcarea. Dar principalul lucru este că forța cu care vântul apasă pe pânză este proporțională cu pătratul vitezei aparente a vântului, iar viteza aparentă a vântului pe șoba este egală cu diferența dintre viteza vântului adevărat și viteza. a iahtului.

Pe un curs de vânt din golf (la 90º față de vânt), iahturile cu vele se pot mișca mai repede decât vântul. În cadrul acestui articol, nu vom discuta caracteristicile vântului fanion, vom observa doar că pe cursul Gulfwind, forța cu care vântul apasă pe pânze depinde într-o măsură mai mică de viteza iahtului ( Fig. 2c).

Principalul factor care previne creșterea vitezei este frecarea. Prin urmare, bărcile cu pânze cu rezistență redusă pot atinge viteze mult mai rapide decât vântul, dar nu și pe un șurub. De exemplu, un buer, datorită faptului că patinele au o rezistență neglijabilă la alunecare, poate accelera până la o viteză de 150 km/h cu o viteză a vântului de 50 km/h sau chiar mai puțin.

Fizica navigației explicată: o introducere

ISBN 1574091700, 9781574091700

Cred că mulți dintre noi ar profita de șansa de a se scufunda în abisul mării cu un fel de vehicul subacvatic, dar totuși, cei mai mulți ar prefera croazieră pe o barca cu pânze. Când nu erau avioane sau trenuri, erau doar bărci cu pânze. Fără ei, lumea nu era la fel.

Bărcile cu pânze drepte au adus europeni în America. Punțile lor stabile și calele încăpătoare au adus oameni și provizii pentru construcția Lumii Noi. Dar aceste corăbii antice aveau și ele limitările lor. Se mișcau încet și aproape în aceeași direcție în direcția vântului. S-au schimbat multe de atunci. Astăzi, sunt folosite principii complet diferite de control al forței vântului și a valurilor. Deci, dacă vrei să călărești unul modern, va trebui să înveți fizica.

Navigarea modernă nu se mișcă doar odată cu vântul, este ceva care afectează vela și o face să zboare ca o aripă. Și acest „ceva” invizibil se numește forță de ridicare, pe care oamenii de știință o numesc forță laterală.

Un observator atent nu putea să nu observe că, indiferent în ce direcție bate vântul, un iaht cu vele se mișcă întotdeauna acolo unde are nevoie căpitanul - chiar și atunci când vântul bate în față. Care este secretul unei combinații atât de uimitoare de încăpățânare și supunere.

Mulți nici măcar nu realizează că o pânză este o aripă, iar principiul de funcționare al unei aripi și al unei pânze este același. Se bazează pe forța de ridicare, numai dacă forța de ridicare a aripii aeronavei, folosind un vânt în fața, împinge aeronava în sus, atunci o vela situată vertical direcționează barca cu pânze înainte. Pentru a explica acest lucru din punct de vedere științific, este necesar să ne întoarcem la elementele de bază - cum funcționează o velă.

Uitați-vă la procesul simulat, care arată cum acționează aerul în planul velei. Aici puteți vedea că curenții de aer de sub model, care au o curbură mai mare, se îndoaie pentru a o ocoli. În acest caz, fluxul trebuie să accelereze puțin. Ca rezultat, apare o zonă de presiune scăzută - aceasta generează o ridicare. Presiunea scăzută pe partea inferioară trage vela în jos.

Cu alte cuvinte, zona de înaltă presiune încearcă să se deplaseze spre zona de joasă presiune punând presiune pe vela. Există o diferență de presiune, care generează portanță. Datorită formei pânzei, pe partea interioară a vântului, viteza vântului este mai mică decât pe partea sub vânt. La exterior se formează un vid. Aerul este literalmente aspirat în pânză, ceea ce împinge iahtul cu vele înainte.

De fapt, acest principiu este destul de simplu de înțeles, doar uită-te la orice navă cu pânze. Trucul aici este că vela, indiferent de cum se află, transmite energie eoliană navei și, chiar dacă vizual pare că vela ar trebui să încetinească iahtul, centrul de aplicare a forțelor este mai aproape de prova barca cu pânze, iar forța vântului asigură mișcarea de translație.

Dar aceasta este teorie, dar în practică totul este puțin diferit. De fapt, un iaht cu vele nu poate merge împotriva vântului - se mișcă într-un anumit unghi față de el, așa-numitele viraje.

Barca cu pânze se mișcă datorită echilibrului de forțe. Pânzele acționează ca niște aripi. Cea mai mare parte a ridicării pe care o produc este direcționată în lateral și doar o cantitate mică este îndreptată înainte. Cu toate acestea, secretul constă în acest fenomen minunat în așa-numita vela „invizibilă”, care se află sub fundul iahtului. Aceasta este o chilă sau în limbajul mării - un centru de bord. Ridicarea plăcii centrale produce, de asemenea, lifting, care este, de asemenea, direcționat în principal în lateral. Chila rezistă la rulare și forța opusă care acționează asupra pânzei.

Pe lângă forța de ridicare, există și o rulare - un fenomen care este dăunător pentru deplasarea înainte și periculos pentru echipajul navei. Dar pentru asta, pe iaht există o echipă care să servească drept o contrabalansare vie a legilor fizice inexorabile.

Într-o barcă cu pânze modernă, atât chila, cât și vela lucrează împreună pentru a ghida barca cu pânze înainte. Dar, după cum va confirma orice marinar novice, în practică totul este mult mai complicat decât în ​​teorie. Un marinar cu experiență știe că cea mai mică modificare a camber-ului velei face posibilă obținerea mai multă portanță și controlul direcției acesteia. Variind prova velei, un marinar priceput controlează dimensiunea și locația zonei care produce portanță. O îndoire adâncă înainte poate crea o zonă mare de presiune, dar dacă îndoirea este prea mare sau marginea anterioară este prea abruptă, moleculele de aer nu vor mai urma îndoirea. Cu alte cuvinte, dacă obiectul are colțuri ascuțite, particulele fluxului nu pot face o întoarcere - impulsul de mișcare este prea puternic, acest fenomen se numește „curgere separată”. Rezultatul acestui efect este că vela se va „spăla”, pierzând vântul.

Și iată încă câteva sfaturi practice utilizarea energiei eoliene. Îndreptare optimă în vânt (curse de aproape). Marinarii o numesc „merg împotriva vântului”. Vântul aparent, care are o viteză de 17 noduri, este vizibil mai rapid decât vântul adevărat, care creează un sistem de valuri. Diferența de direcție este de 12°. Cursul spre vântul aparent este de 33°, spre vântul adevărat - 45°.

Vânturile care sunt în partea de sud Oceanul Pacific suflând în direcția vest. De aceea itinerariul nostru a fost conceput în așa fel încât iaht cu vele„Juliet” se deplasează de la est la vest, adică, astfel încât vântul să bată în spate.

Cu toate acestea, dacă vă uitați la traseul nostru, veți observa că de multe ori, de exemplu, când ne deplasăm de la sud la nord de la Samoa la Tokelau, a trebuit să ne deplasăm perpendicular pe vânt. Și uneori direcția vântului se schimba complet și trebuia să mergi împotriva vântului.

traseul Julietei

Ce să faci în acest caz?

Navele cu pânze au putut de mult să navigheze împotriva vântului. Clasicul Yakov Perelman a scris despre asta multă vreme bine și simplu în a doua sa carte din seria Entertaining Physics. Această piesă o citez aici textual cu poze.

„Navigare împotriva vântului

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” – sau, după spusele marinarilor, merg „haulate”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct în vânt, dar vă puteți deplasa doar într-un unghi ascuțit față de direcția vântului. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi de 22 ° față de el.

De fapt, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. Să luăm în considerare mai întâi cum acționează vântul asupra pânzei în general, adică unde împinge pânza atunci când suflă pe ea. Probabil crezi că vântul împinge întotdeauna vela în direcția în care bate. Dar nu este așa: oriunde bate vântul, împinge vela perpendicular pe planul velei. Într-adevăr: lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din figura de mai jos; linia AB reprezintă vela.

Vântul împinge vela întotdeauna în unghi drept față de planul său.

Deoarece vântul împinge uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim presiunea vântului cu forța R aplicată la mijlocul velei. Descompunem această forță în două: forța Q, perpendiculară pe vela și forța P, îndreptată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, din dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este neglijabilă. Rămâne o forță Q care împinge vela în unghi drept față de ea.

Știind acest lucru, putem înțelege cu ușurință cum o navă cu pânze poate merge într-un unghi ascuțit în vânt. Fie ca linia KK să reprezinte linia chilei navei.

Cum poți naviga împotriva vântului.

Vântul bate într-un unghi ascuțit față de această linie în direcția indicată de rândul de săgeți. Linia AB reprezintă vela; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmați diagrama pentru distribuția forțelor. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forța Q, care, știm, ar trebui să fie perpendiculară pe vela. Descompunem această forță în două: forța R, perpendiculară pe chilă și forța S, îndreptată înainte de-a lungul liniei chilei a navei. Deoarece mișcarea navei în direcția R întâmpină o rezistență puternică la apă (chila navelor cu vele este foarte adâncă), forța R este aproape complet echilibrată de rezistența la apă. Rămâne doar forța S, care, după cum vezi, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Se poate demonstra că forța S este cea mai mare atunci când planul pânzei traversează unghiul dintre direcțiile chilei și vântului.]. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în figura de mai jos. În limbajul marinarilor, o astfel de mișcare a vasului se numește „viraj” în sensul restrâns al cuvântului.

Să luăm acum în considerare toate direcțiile posibile ale vântului în raport cu cursul bărcii.

O diagramă a cursurilor navei în raport cu vânt, adică unghiul dintre direcția vântului și vectorul de la pupa la prova (curs).

Când vântul bate în față (vânt din cap), pânzele atârnă dintr-o parte în alta și este imposibil să te miști cu vela. Desigur, puteți oricând să coborâți pânzele și să porniți motorul, dar acest lucru nu mai este relevant pentru navigație.

Când vântul bate exact în spate (jibe, vânt în coadă), moleculele de aer dispersate pun presiune pe vela dintr-o parte și barca se mișcă. În acest caz, nava se poate mișca doar mai lent decât viteza vântului. Aici funcționează analogia mersului cu bicicleta în vânt - vântul bate în spate și este mai ușor să pedalezi.

Când se deplasează împotriva vântului (tras), vela se mișcă nu din cauza presiunii moleculelor de aer pe vela din spate, ca în cazul unei șuvițe, ci datorită forței de ridicare care se creează datorită vitezei diferite a aerului pe ambele. laturi de-a lungul pânzei. În același timp, din cauza chilei, barca nu se deplasează într-o direcție perpendiculară pe cursul ambarcațiunii, ci doar înainte. Adică, vela în acest caz nu este o umbrelă, ca în cazul unui vânt rău, ci o aripă de avion.

În timpul trecerilor noastre, am navigat în mare parte cu spate și vânturi din golf la o viteză medie de 7-8 noduri, cu o viteză a vântului de 15 noduri. Uneori mergeam împotriva vântului, pe jumătate de vânt și de aproape. Și când vântul s-a stins, au pornit motorul.

În general, o barcă cu vela care merge împotriva vântului nu este un miracol, ci o realitate.

Cel mai interesant lucru este că bărcile pot merge nu numai împotriva vântului, ci chiar mai repede decât vântul. Acest lucru se întâmplă atunci când barca pleacă în spate, creându-și propriul vânt.