Ce vânt provoacă mișcarea unei nave cu pânze. Cum să navighezi cu o barcă cu pânze împotriva vântului? Acum să ne uităm la cum funcționează o pânză pe un iaht.

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 de 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. Împingerea 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 interior.

3. Forța totală generată de vela 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, chilei și 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. Culise－ 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. Gibe－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește liftul 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”.

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 adesea, de exemplu, atunci 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, 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 acesta.

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 pânzei. 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 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. 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 întâlnește o rezistență puternică la apă (chila în interior bărci de navigat devine foarte adânc), atunci forța R este aproape complet echilibrată de rezistența apei. 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 velă din spate, ca în cazul unui jibe, ci din cauza portanței care se creează datorită vitezelor diferite ale aerului pe ambele părți. 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.

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 acesta.

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 pânzei. Într-adevăr: lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din figura de mai jos; linia ABînseamnă vela.

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 rezistență puternică la apă (chila navelor cu pânze devine foarte adâncă), apoi forța R aproape complet echilibrat de rezistența la apă. Rămâne doar puterea 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 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.

Nu mai puțin importantă decât rezistența carenei este forța de tracțiune dezvoltată de pânze. Pentru a ne imagina mai clar munca pânzelor, să ne familiarizăm cu conceptele de bază ale teoriei velei.

Am vorbit deja despre principalele forțe care acționează asupra pânzelor unui iaht care navighează cu vânt în spate (gybe) și cu vânt în fața (haul). S-a constatat că forța care acționează asupra pânzelor poate fi descompusă în forța care face ca iahtul să se rostogolească și să se deplaseze în sensul vântului, forța de deriva și forța de împingere (vezi Fig. 2 și 3).

Acum să vedem cum se determină forța totală a presiunii vântului asupra pânzelor și de ce depind forțele de tracțiune și deriva.

Pentru a imagina munca unei pânze pe cursuri ascuțite, este convenabil să luăm în considerare mai întâi o velă plată (Fig. 94), care experimentează presiunea vântului la un anumit unghi de atac. În acest caz, se formează vârtejuri în spatele pânzei, forțele de presiune apar pe partea de vânt a acesteia, iar forțele de rarefacție apar pe partea sub vânt. R rezultatul lor este îndreptat aproximativ perpendicular pe planul pânzei. Pentru o înțelegere corectă a funcționării pânzei, este convenabil să o reprezentați ca rezultanta a două componente ale forțelor: X-direcționat paralel cu fluxul de aer (vânt) și Y-perpendicular pe acesta.

Forța X, îndreptată paralel cu fluxul de aer, se numește forță de tracțiune; este creată, pe lângă vela, și de carena, tachelajul, spatele și echipajul iahtului.

Forța Y, direcționată perpendicular pe fluxul de aer, se numește portanță în aerodinamică. Ea este cea care, pe curse ascuțite, creează tracțiune în direcția de mișcare a iahtului.

Dacă, cu aceeași rezistență a pânzei X (Fig. 95), forța de ridicare crește, de exemplu, la valoarea Y1, atunci, așa cum se arată în figură, rezultanta portanței și rezistenței se va modifica cu R și, în consecință, forța de împingere T va crește la T1.

O astfel de construcție face ușor să se verifice că odată cu creșterea rezistenței X (pentru aceeași forță de ridicare), tracțiunea T scade.

Astfel, există două modalități de creștere a forței de tracțiune și, în consecință, a vitezei pe curse ascuțite: o creștere a forței de ridicare a velei și o scădere a forței de rezistență a velei și a iahtului.

În navigația modernă, forța de ridicare a pânzei este mărită, oferindu-i o formă concavă cu o oarecare „burtă de oală” (Fig. 96): dimensiunea de la catarg până la cea mai mare. loc adânc„burta” este de obicei de 0,3-0,4 din lățimea pânzei, iar adâncimea „burtei” este de aproximativ 6-10% din lățime. Forța de ridicare a unei astfel de pânze este cu 20-25% mai mare decât cea a unei pânze complet plat, cu aproape aceeași rezistență. Adevărat, un iaht cu pânze plate merge puțin mai abrupt spre vânt. Cu toate acestea, cu pânzele „cu burtă”, viteza de înaintare în vira este mai mare datorită împingerii mai mari.

Orez. 96. Profil sail

Rețineți că pentru velele cu burtă, nu numai tracțiunea crește, ci și forța de deriva, ceea ce înseamnă că ruliu și derive a iahturilor cu vele cu burtă este mai mare decât la cele relativ plate. Prin urmare, vela „cu burtă” de mai mult de 6-7% în vânturi puternice este neprofitabilă, deoarece o creștere a ruliului și a deplasării duce la o creștere semnificativă a rezistenței carenei și la o scădere a eficienței pânzelor, care „mănâncă”. sus” efectul împingerii crescute. În vânturi slabe, pânzele cu o „burtă” de 9-10% sunt trase mai bine, deoarece din cauza presiunii totale scăzute a vântului asupra velei, ruliu este mic.

Orice velă la unghiuri de atac mai mari de 15-20 °, adică la cursuri de iaht de 40-50 ° față de vânt și mai mult, vă permite să reduceți portanța și să creșteți rezistența, deoarece se formează turbulențe semnificative pe partea sub vânt. Și, deoarece partea principală a forței de ridicare este creată de un flux neted, fără turbulențe, în jurul părții sub sub a pânzei, distrugerea acestor turbulențe ar trebui să aibă un efect mare.

Ele distrug turbulențele care se formează în spatele pânzei mari prin așezarea velei (Fig. 97). Fluxul de aer care intră în decalajul dintre vela mare și velă își mărește viteza (așa-numitul efect de duză) și, odată cu reglarea corectă a velului, „linge” vârtejele din vela mare.

Orez. 97. Lucrări cu veluri

Profilul unei pânze moale este dificil de păstrat același la diferite unghiuri de atac. Anterior, prin sipci erau așezate pe șale, trecând prin toată vela - se făceau mai subțiri în „burtă” și mai groase spre lipitoare, unde vela este mult mai plată. Acum armura prin intermediul este instalată în principal pe bărci de gheață și catamarane, unde este deosebit de important să se mențină profilul și rigiditatea pânzei la unghiuri mici de atac, atunci când o vela convențională se clătește deja de-a lungul luffului.

Dacă doar vela este sursa de susținere, atunci forța este creată de tot ceea ce se află în fluxul de aer din jurul iahtului. Prin urmare, îmbunătățirea proprietăților de tracțiune ale pânzei poate fi realizată și prin reducerea rezistenței la rezistență a carenei, barelor, tachelajului și echipajului iahtului. În acest scop, se folosesc diferite tipuri de carene pe lățișoare și tachelaj.

Cantitatea de rezistență a unei pânze depinde de forma acesteia. Conform legilor aerodinamicii, rezistența unei aripi de avion este cu atât mai mică, cu atât este mai îngustă și mai lungă cu aceeași zonă. De aceea vela (în esență aceeași aripă, dar așezată vertical) se încearcă să fie făcută înaltă și îngustă. Acest lucru vă permite, de asemenea, să utilizați vântul de călărie.

Dragul unei pânze depinde în mare măsură de starea muchiei sale de atac. Pânzele tuturor pânzelor trebuie să fie bine înfășurate pentru a preveni posibilitatea vibrațiilor.

Este necesar să menționăm încă o circumstanță foarte importantă - așa-numita centrare a pânzelor.

Din mecanică se știe că orice forță este determinată de mărimea, direcția și punctul ei de aplicare. Până acum, am vorbit doar despre mărimea și direcția forțelor aplicate pânzei. După cum vom vedea mai târziu, cunoașterea punctelor de aplicare este esențială pentru a înțelege cum funcționează pânzele.

Presiunea vântului este distribuită neuniform pe suprafața velei (partea sa din față suferă mai multă presiune), totuși, pentru a simplifica calculele comparative, se consideră că este distribuită uniform. Pentru calcule aproximative, se presupune că forța rezultantă a presiunii vântului asupra pânzelor este aplicată într-un punct; se ia drept centru de greutate al suprafeţei pânzelor când acestea sunt aşezate în planul diametral al iahtului. Acest punct se numește centrul de vânt (CP).

Să ne oprim pe cea mai simplă metodă grafică pentru determinarea poziției CPU (Fig. 98). Desenați vela iahtului la scara corectă. Apoi, la intersecția medianelor - linii care leagă vârfurile triunghiului cu punctele medii ale laturilor opuse - găsiți centrul fiecărei pânze. După ce s-au obținut astfel în desen centrele O și O1 ale celor două triunghiuri care alcătuiesc vela mare și triunghiul, prin aceste centre se trasează două linii paralele OA și O1B și se așează în direcții opuse la orice, dar la aceeași scară ca multe unități liniare. ca metri pătrați în triunghi; din centrul grotei se așează zona velei, iar din centrul velei - zona grotei. Punctele de capăt A și B sunt legate printr-o dreaptă AB. O altă linie dreaptă - O1O conectează centrele triunghiurilor. La intersecția liniilor A B și O1O va exista un centru comun.

Orez. 98. Mod grafic de a găsi centrul de viraj

După cum am spus deja, forța de deriva (o vom considera aplicată în centrul vântului) este contracarată de forța rezistenței laterale a carenei iahtului. Forța de rezistență laterală este considerată a fi aplicată la centrul rezistenței laterale (CLC). Centrul de rezistență laterală este centrul de greutate al proiecției părții subacvatice a iahtului pe plan diametral.

Centrul de rezistență laterală poate fi găsit decupând conturul părții subacvatice a iahtului din hârtie groasă și plasând acest model pe o lamă de cuțit. Când modelul este echilibrat, apăsați ușor, apoi rotiți-l la 90 ° și echilibrați-l din nou. Intersecția acestor linii ne oferă centrul rezistenței laterale.

Când iahtul merge fără rostogolire, CPU ar trebui să se afle pe aceeași linie verticală cu CBS (Fig. 99). Dacă CPU se află în fața CBS (Fig. 99, b), atunci forța de deriva, deplasată înainte față de forța de rezistență laterală, transformă prova navei în vânt - iahtul se îndepărtează. Dacă CPU este în spatele CBS, iahtul se va întoarce cu prova în fața vântului sau va fi condus (Fig. 99, c).

Orez. 99. Alinierea iahtului

Atât aducerea excesivă la vânt, cât și în special deplasarea (centrarea necorespunzătoare) sunt dăunătoare cursului iahtului, deoarece îl obligă pe cârmaci să lucreze tot timpul volanul pentru a menține dreptatea mișcării, iar acest lucru crește rezistența carenei și reduce viteza navei. În plus, centrarea incorectă duce la o deteriorare a controlabilității și, în unele cazuri, la pierderea completă a acesteia.

Dacă centrem iahtul așa cum se arată în fig. 99, a, adică CPU-ul și CBS-ul vor fi pe aceeași verticală, apoi nava va fi condusă foarte puternic și va deveni foarte greu de controlat. Ce s-a întâmplat? Există două motive principale aici. În primul rând, adevărata locație a CPU și CLS nu coincide cu cea teoretică (ambele centre sunt deplasate înainte, dar nu în mod egal).

În al doilea rând, și cel mai important, la înclinare, forța de tracțiune a pânzelor și forța rezistenței longitudinale a carenei se află în diferite planuri verticale (Fig. 100), se dovedește, parcă, o pârghie care obligă iahtul să fie condus. Cu cât lista este mai mare, cu atât este mai mare tendința navei de a fi condusă.

Pentru a elimina o astfel de distribuție, procesorul este plasat în fața CBS. Momentul forței de tracțiune și rezistența longitudinală care apar cu o rulare, forțând iahtul să fie condus, este compensat de momentul de captare a forțelor de deriva și rezistența laterală cu locația înainte a CPU. Pentru o centrare bună, CPU trebuie să fie plasat înaintea CLS la o distanță egală cu 10-18% din lungimea iahtului de-a lungul liniei de plutire. Cu cât iahtul este mai puțin stabil și cu cât CPU este ridicat deasupra CBS, cu atât mai mult trebuie să fie mutat înainte.

Pentru ca iahtul să aibă o mișcare bună, acesta trebuie să fie centrat, adică să pună CPU și CLS într-o astfel de poziție în care nava pe cursul remorcat într-un vânt ușor să fie complet echilibrată de pânze, cu alte cuvinte , a fost stabil pe parcurs cu cârma aruncată sau fixată în DP (se admite o ușoară tendință de suportare cu un vânt foarte slab), iar cu un vânt mai puternic avea tendința de rulare. Fiecare timonier trebuie să fie capabil să centreze corect iahtul. Pe majoritatea iahturilor, tendința de a umbla crește dacă velele din spate sunt trase și velele din față sunt coborâte. Dacă pânzele din față sunt depășite și cele din spate sunt depășite, nava va suporta. Odată cu o creștere a pânzei mari „cu burtă”, precum și a velelor prost în picioare, iahtul tinde să fie condus într-o măsură mai mare.

Orez. 100. Influența ruliului asupra aducerii iahtului în vânt