Cum să navighezi în sensul vântului pe un iaht cu vele? Fizica mișcării unui iaht cu vele Cum funcționează o pânză împotriva vântului.

— Vânt bun! - le doresc tuturor marinarilor, și este complet în zadar: când vântul bate din pupa, iahtul nu este capabil să dezvolte viteza maximă. Această schemă a fost ajutată de Vadim Zhdan, un skipper profesionist, concurent, organizator și gazdă de regate de yachting. Citiți sfaturile de pe diagramă pentru a vă da seama.

2. Împingerea velei se datorează a doi factori. În primul rând, vântul doar apasă pe pânze. În al doilea rând, pânzele oblice instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când curg cu aer, funcționează ca o aripă de avion și numai că este îndreptată nu în sus, ci înainte. Datorită aerodinamicii, aerul de pe partea convexă a velei se mișcă mai repede decât pe partea concavă, iar presiunea pe exteriorul velei este mai mică decât pe interior.

3. Forța totală generată de vela este perpendiculară pe vela. Conform regulii de adăugare a vectorului, este posibil să se distingă forța de deriva (săgeata roșie) și forța de împingere (săgeata verde).

5. Pentru a naviga strict împotriva vântului, iahtul manevrează: se întoarce în vânt cu una sau cealaltă parte, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungă ar trebui să fie virajul și în ce unghi față de vânt trebuie să se îndrepte sunt întrebări importante despre tactica căpitanului.

9. Gulfwind- vantul bate perpendicular pe directia de mers.

11. Fordewind- acelasi vant din spate sufla de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: ridicarea pânzei nu este folosită aici, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un skipper experimentat știe să prezică curenții de aer invizibili în același mod ca și

Circulaţie iaht cu vele Vântul în jos este de fapt determinat de simpla presiune a vântului asupra pânzei ei, împingând nava înainte. Cu toate acestea, studiile în tunelul de vânt au arătat că navigarea în sensul vântului expune vela la un set mai complex de forțe.

Când aerul de intrare curge în jurul suprafeței concave din spate a velei, viteza aerului scade, în timp ce atunci când curge în jurul suprafeței frontale convexe a velei, această viteză crește. Ca urmare, se formează o zonă de presiune crescută pe suprafața din spate a velei și o zonă de presiune scăzută pe suprafața frontală. Diferența de presiune pe cele două părți ale velei creează o forță de tragere (împingere) care mișcă iahtul înainte într-un unghi față de vânt.

Un iaht cu vele, situat aproximativ în unghi drept cu vântul (în terminologia nautică, un iaht virează), se deplasează rapid înainte. Vela este supusă forțelor de tragere și laterale. Dacă un iaht cu vele navighează într-un unghi ascuțit față de vânt, viteza sa va încetini din cauza scăderii forței de tragere și a creșterii forței laterale. Cu cât vela este întoarsă mai mult spre pupa, cu atât iahtul se deplasează mai lent înainte, în special datorită forței laterale mari.

Un iaht cu vele nu poate naviga direct în sensul vântului, dar se poate propulsa înainte printr-o serie de mișcări scurte în zig-zag la un unghi față de vânt, numite virate. Dacă vântul bate spre babord (1), se spune că iahtul navighează pe borda babord, dacă spre tribord (2), pe bordul tribord. Pentru a merge mai repede pe distanță, iahtmanul încearcă să mărească viteza iahtului până la limită ajustând poziția pânzei sale, așa cum se arată în figura de mai jos din stânga. Pentru a minimiza abaterea de la linia dreaptă, iahtul se mișcă, schimbând cursul de la tribord la babord și invers. Când iahtul își schimbă cursul, vela este aruncată pe cealaltă parte, iar când planul său coincide cu linia vântului, se repezi pentru ceva timp, adică. este inactiv (figura din mijloc sub text). Iahtul cade în așa-numita zonă moartă, pierzând viteza până când vântul umflă din nou vela din partea opusă.

4.4. Acțiunea vântului pe vela

O barcă aflată în pânză este influențată de două medii: fluxul de aer care acționează asupra pânzei și suprafeței ambarcațiunii și apa care acționează asupra părții subacvatice a bărcii.

Datorită formei pânzei, chiar și în cele mai nefavorabile vânturi (în apropiere), barca se poate înainta. Vela seamănă cu o aripă, cea mai mare deviere a acesteia este de 1 / 3-1 / 4 din lățimea velei față de lipitoare și are o valoare de 8-10% din lățimea velei (Fig. 44).

Dacă vântul, având direcția B (Fig. 45, a), întâlnește o pânză pe drum, aceasta se îndoaie în jurul ei din ambele părți. Pe partea de vânt a velei, presiunea este mai mare (+) decât pe partea sub vânt (-). Rezultanta forțelor de presiune formează o forță P direcționată perpendicular pe planul pânzei sau al coardei care trece prin fluier și lipitoare și aplicată în centrul velei CP (Fig. 45, b).

Orez. 44. Profil vele:
B - lățimea pânzei de-a lungul coardei

Orez. 45. Forțele care acționează asupra pânzei și carenei bărcii:
a - efectul vântului asupra velei; b - efectul vântului asupra velei și al apei asupra carenei bărcii

Orez. 46. ​​​​Poziția corectă a velei în diferite direcții ale vântului: a - vânt dincolo; b - vânt din golf; c - vânt înainte

Forța P este descompusă în forța de împingere T, direcționată paralel cu planul central (DP) al bărcii, forțând barca să se deplaseze înainte, și forța de derivă D, direcționată perpendicular pe DP, determinând barca să se deplaseze și să se rostogolească. .

Forța P depinde de viteza și direcția vântului față de vela. Cu atât mai mult
Dacă
Efectul apei asupra unei bărci depinde în mare măsură de contururile părții sale subacvatice.

În ciuda faptului că, într-un vânt trasat lateral, forța de deriva D depășește forța de tracțiune T, barca are o cursă înainte. Aceasta este afectată de rezistența laterală R 1 a părții subacvatice a carenei, care este de multe ori mai mare decât rezistența frontală R.

Orez. 47. Vânt fanion:
B Și - vânt adevărat; В Ш - vânt din mișcarea bărcii; В В - vânt aparent

Forța D, în ciuda opoziției carenei, totuși aruncă barca de pe linia de curs. Compilat de DP și direcția de mișcare IP adevărată a bărcii
Astfel, cea mai mare tracțiune și cea mai mică deriva a bărcii pot fi obținute prin alegerea poziției celei mai favorabile a planului central al bărcii și a planului pânzei în raport cu vânt. Se stabilește că unghiul dintre DP-ul bărcii și planul pânzei să fie egal cu jumătate
Atunci când alege poziția pânzei în raport cu barcă și vânt, maistrul bărcii este ghidat nu de vântul adevărat, ci de vântul aparent (aparent), a cărui direcție este determinată de rezultanta vitezei bărcii și viteza adevărată a vântului (Fig. 47).

Satârul, situat în fața previziunii, acționează ca șipcă. Fluxul de aer dintre braț și țărm reduce presiunea pe partea sub țărm a țărmului și, prin urmare, crește puterea de tragere a acestuia. Acest lucru se întâmplă numai cu condiția ca unghiul dintre braț și DP-ul bărcii să fie puțin mai mare decât unghiul dintre proa și DP-ul bărcii (Fig. 48, a).

Înainte de a vă scufunda în performanța velei, există două puncte scurte, dar importante de luat în considerare:
1. Stabiliți ce vânt afectează pânzele.
2. Explicați terminologia nautică specifică asociată cursurilor vântului.

Vânt adevărat și fanion în yachting.

Vântul care acționează asupra unui vas în mișcare și tot ce se află pe acesta este diferit de cel care acționează asupra oricărui obiect staționar.
Vântul însuși ca fenomen atmosferic care sufla în raport cu pământul sau cu apa, numim vântul adevărat.
În yachting, vântul în raport cu iahtul în mișcare se numește vânt aparent și este suma vântului real și a fluxului de aer care se apropie cauzat de mișcarea navei.
Vântul fanionului suflă întotdeauna într-un unghi mai ascuțit față de barcă decât vântul adevărat.
Viteză vânt aparent poate fi mai mare (dacă vântul adevărat este frontal sau lateral) sau mai mic decât adevăratul (dacă este din direcția corectă).

Direcții în raport cu vântul.

In vantînseamnă din partea din care bate vântul.
Sub vânt- pe partea unde bate vantul.
Acești termeni, precum și derivații din aceștia, cum ar fi „vint”, „sub vânt”, sunt folosiți pe scară largă și nu numai în yachting.
Atunci când acești termeni sunt aplicați unei nave, se obișnuiește, de asemenea, să se vorbească despre părțile sub vânt și sub vânt.
Dacă vântul suflă din partea tribord a iahtului, atunci această parte se numește în sus, partea stanga - sub vânt respectiv.
Vira babord și tribord sunt doi termeni direct legați de cei anteriori: dacă vântul bate spre tribord a navei, atunci ei spun că merge virament tribord, dacă în babord este lăsat.
În terminologia nautică engleză, ceea ce este asociat cu tribord și babord este diferit de dreapta și stânga obișnuite. Despre partea tribord și tot ceea ce are legătură cu ea, se spune Tribord, despre partea stângă - Babord.

Cursuri de vânt.

Îndreptarea peste vânt variază în funcție de unghiul dintre direcția vântului aparent și direcția bărcii. Ele pot fi clasificate ca picante sau plinute.

Beidewin este un curs ascuțit în raport cu vântul. când vântul bate la un unghi mai mic de 80 °. Poate fi vânt lateral abrupt (până la 50 °) și plin (de la 50 la 80 °).
Direcțiile complete în raport cu vântul sunt curse când vântul bate la un unghi de 90 ° sau mai mult față de direcția de deplasare a iahtului.
Aceste cursuri includ:
Gulfwind - vântul suflă la un unghi de 80 până la 100 °.
Backstay - vântul bate la un unghi de 100 până la 150 ° (backstay abrupt) și de la 150 la 170 ° (backstay complet).
Fordewind - vântul bate în pupa la un unghi de peste 170 °.
Leventic - vântul este strict frontal sau aproape de asta. Deoarece o navă cu pânze nu se poate mișca împotriva unui astfel de vânt, mai des este numită nu un curs, ci o poziție relativă la vânt.

Manevre legate de vânt.

Când un iaht sub vele își schimbă cursul astfel încât unghiul dintre vânt și direcția de deplasare scade, se spune că nava este dată... Cu alte cuvinte, aterizarea înseamnă a merge într-un unghi mai ascuțit față de vânt.
Dacă are loc procesul opus, adică iahtul își schimbă cursul spre o creștere a unghiului dintre el și vânt, nava se rostogolește .
Să lămurim că termenii ("plumb" și "rula departe" sunt folosiți atunci când barca își schimbă cursul în raport cu vântul în cadrul aceleiași viraje.
Dacă nava își schimbă vira, atunci (și numai atunci!) O astfel de manevră în yachting se numește viraj.
Există două moduri diferite de a schimba virajul și, prin urmare, două ture: overstagși forwind .
Un overstag este o întoarcere împotriva vântului. Barca este condusă, prova bărcii traversează linia vântului, la un moment dat barca trece prin poziția leventik, după care se așează pe o altă viraje.
Navigarea cu yachting la viraj înaintea vântului are loc în sens invers: nava se rostogolește, pupa traversează linia vântului, pânzele sunt transferate pe cealaltă parte, iahtul se află pe o altă viraje. Cel mai adesea este o trecere de la un curs complet la altul.

Munca velei atunci când navighează cu yachting.

Una dintre preocupările principale pentru marinar atunci când lucrează cu pânze este orientarea velei la unghiul optim în raport cu vântul pentru a propulsa cel mai bine înainte. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți cum interacționează vela cu vântul.
Munca velei este în multe privințe similară cu munca unei aripi de avion și are loc în conformitate cu legile aerodinamicii. Pentru iahtistii deosebit de curioși, puteți afla mai multe despre aerodinamica unei pânze ca aripă într-o serie de articole:. Dar este mai bine să faceți acest lucru după ce ați citit acest articol, trecând treptat de la un material ușor la un material mai complex. Deși, cui spun asta? Iahtistii adevarati nu se tem de dificultati. Și poți face totul exact invers.

Principala diferență dintre o velă și o aripă de avion este că pentru apariția forței aerodinamice pe velă, este necesar un anumit unghi non-zero între aceasta și vânt, acest unghi se numește unghi de atac. Aripa aeronavei are un profil asimetric și poate funcționa normal la unghi zero de atac, vela nu.
În procesul vântului care curge în jurul pânzei, apare o forță aerodinamică, care în cele din urmă propulsează iahtul înainte.
Luați în considerare funcționarea velei în yachting la diferite cursuri în raport cu vânt. În primul rând, de dragul simplității, să ne imaginăm că un catarg cu o vela este săpat în pământ și putem direcționa vântul în unghiuri diferite față de vela.

Unghiul de atac este de 0 °. Vântul bate de-a lungul pânzei, vela clapă ca un steag. Nu există nicio forță aerodinamică pe velă, există doar forță de tracțiune.
Unghi de atac 7 °. Forța aerodinamică începe să apară. Este îndreptată perpendicular pe vela și este încă de dimensiuni mici.
Unghiul de atac este de aproximativ 20 °. Forța aerodinamică și-a atins valoarea maximă în mărime, îndreptată perpendicular pe vela.
Unghiul de atac este de 90 °. În raport cu cazul precedent, forța aerodinamică nu s-a schimbat semnificativ nici ca mărime, nici ca direcție.
Astfel, vedem că forța aerodinamică este întotdeauna direcționată perpendicular pe vela și amploarea ei practic nu se modifică în intervalul de unghiuri de la 20 la 90 °.
Unghiurile de atac mai mari de 90 ° nu au sens de luat în considerare, deoarece pânzele de pe un iaht nu sunt de obicei fixate la astfel de unghiuri în raport cu vântul.

Dependențele de mai sus ale forței aerodinamice de unghiul de atac sunt în mare măsură simplificate și mediate.
De fapt, aceste proprietăți variază semnificativ în funcție de forma pânzei. De exemplu, o vela mare lungă, îngustă și destul de plată a iahturilor de curse va avea o forță aerodinamică maximă la un unghi de atac de aproximativ 15 °, la unghiuri mai mari forța va fi puțin mai mică. Dacă vela este mai curbată și nu are o alungire foarte mare, atunci forța aerodinamică asupra acesteia poate fi maximă la un unghi de atac de aproximativ 25-30 °.

Acum să ne uităm la munca velei pe un iaht.

Pentru simplitate, să ne imaginăm că pe un iaht există o singură velă. Să fie o grotă.
În primul rând, merită să vă uitați la modul în care sistemul iaht + vele se comportă atunci când se deplasează pe cursurile cele mai ascuțite în raport cu vânt, deoarece acest lucru ridică de obicei cele mai multe întrebări.

Să presupunem că vântul acționează asupra unui iaht la un unghi de 30-35 ° față de carenă. Orientând vela pe un curs la un unghi de aproximativ 20° față de vânt, vom obține pe ea o forță aerodinamică suficientă A.
Deoarece această forță acționează în unghi drept față de vela, putem vedea că trage puternic iahtul în lateral. Extinderea forței A în două componente, puteți vedea că împingerea înainte T este de câteva ori mai mică decât forța care împinge barca în lateral (D, forța de deriva).
Cum, atunci, înaintează iahtul?
Faptul este că proiectarea părții subacvatice a carenei este astfel încât rezistența carenei la mișcare în lateral (așa-numita rezistență laterală) este, de asemenea, de câteva ori mai mare decât rezistența la mișcarea înainte. Acest lucru este facilitat de chila (sau bordul central), cârma și însăși forma carenei.
Cu toate acestea, rezistența laterală apare atunci când există ceva de rezistat, adică pentru ca acesta să înceapă să funcționeze, este necesară o anumită deplasare a corpului în lateral, așa-numita derivă a vântului.

Această deplasare se produce în mod natural sub acțiunea componentei laterale a forței aerodinamice și, ca răspuns, ia naștere imediat forța de rezistență laterală S, îndreptată în sens opus. De regulă, se echilibrează reciproc la un unghi de deriva de aproximativ 10-15 °.
Deci, este evident că componenta laterală a forței aerodinamice, care este cel mai pronunțată pe cursele ascuțite în raport cu vânt, provoacă două fenomene nedorite: deriva vântului și ruliu.

Deriva vântului înseamnă că traiectoria iahtului nu coincide cu linia centrală (linea centrală, sau DP, este un termen inteligent pentru o linie prua-pupa). Există o schimbare constantă a iahtului în vânt, mișcarea pare să fie puțin laterală.
Se știe că atunci când navighează pe un curs de vânt lateral cu medie conditiile meteo deriva vântului ca unghiul dintre DP și traiectoria reală de mișcare este de aproximativ 10-15 °.

Progres împotriva vântului. Viraj.

Deoarece navigarea sub vele este imposibilă strict împotriva vântului, dar vă puteți deplasa doar într-un anumit unghi, ar fi bine să aveți o idee despre cât de ascuțit se poate mișca iahtul spre vânt în grade. Și ceea ce, în consecință, este acel sector nemișcat de cursuri în raport cu vânt, în care mișcarea împotriva vântului este imposibilă.
Experiența arată că un iaht de croazieră obișnuit (nu un iaht de curse) poate naviga efectiv 50-55 ° față de vântul adevărat.

Astfel, dacă scopul care trebuie atins este strict împotriva vântului, atunci deplasarea cu yachting la acesta se va desfășura nu în linie dreaptă, ci în zig-zag, cu o viradă, apoi alta. În acest caz, pe fiecare viraj, în mod natural, va trebui să încercați să mergeți cât mai brusc posibil spre vânt. Acest proces se numește lipire.

Unghiul dintre traiectoriile iahturilor pe două viraje adiacente la virare se numește viraj. Evident, cu o claritate a mișcării la vânt de 50-55 °, unghiul de virare va fi de 100-110 °.

Valoarea unghiului de aderență ne arată cât de eficient ne putem deplasa către țintă dacă aceasta este situată strict împotriva vântului. Pentru un unghi de 110 °, de exemplu, calea către țintă este mărită cu un factor de 1,75 în comparație cu deplasarea în linie dreaptă.

Operarea velelor pe diferite cursuri de vânt

Evident, deja pe cursul Gulfwind, forța T depășește semnificativ forța de deriva D, astfel încât deriva și ruliu vor fi mici.

Cu backstay, după cum putem vedea, în comparație cu cursul Gulfwind, nu s-au schimbat atât de multe. Pânza mare este plasată într-o poziție aproape perpendiculară pe DP, iar această poziție este cea mai bună pentru majoritatea iahturilor, fiind imposibil din punct de vedere tehnic să o desfășori și mai departe.

Poziția velei mari pe cursul vântului înainte nu este diferită de poziția pe cursul spatelui.
Aici, pentru simplitate, atunci când luăm în considerare fizica procesului în yachting, luăm în considerare doar o vela - vela mare. De obicei, iahtul are două pânze - vela mare și vela de sus (vela de cap). Așadar, pe direcția vântului din față, vela de trinș (dacă este situată pe aceeași parte cu vela mare) se află în umbra vântului de la vela mare și practic nu funcționează. Acesta este unul dintre motivele pentru care cursul fordewind nu este agreat de marinari.

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

În realitate, însă, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum forța vântului se poate îndrepta spre ea într-un unghi ușor. În primul rând, luați în considerare modul în care vântul acționează asupra vela în general, adică unde împinge vela 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 denotă o velă.

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

Deoarece vântul apasă uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim presiunea vântului cu forța R aplicată la mijlocul velei. Descompunem această forță în două: forța Q perpendicular pe pânză și forța P direcționată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului împotriva pânzei este neglijabilă. Rămâne puternic 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 față de vânt. Lasă linia QC ilustrează 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 ABînfățișează o velă; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmăriți descompunerea forțelor din figură. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forță Q despre care știm că trebuie să fie perpendicular pe vela. Vom descompune această forță în două: forța R perpendicular pe chilă și forța Sînainte de-a lungul liniei de chilă a navei. Din moment ce mişcarea vasului în direcţie Rîntâlnește o rezistență puternică la apă (chila în interior bărci de navigat devine foarte adânc), apoi puterea 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 este mai mare atunci când planul pânzei înjumătăţeşte unghiul dintre direcţiile chilei şi vântului.]. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în figura de mai jos. În limbajul marinarilor, această mișcare a navei se numește „virura” în sensul restrâns al cuvântului.