Aký vietor spôsobuje pohyb plachetnice. Ako sa plaviť na plachetnici proti vetru? Teraz sa pozrime, ako funguje plachta na jachte.

Pokračujeme v sérii publikácií, ktoré pripravuje interaktívny populárno-náučný blog „Vysvetlím za dve minúty“. Blog hovorí o jednoduchých a zložitých veciach, ktoré nás každý deň obklopujú a nevyvolávajú žiadne otázky, pokiaľ o nich nepremýšľame. Môžete tam napríklad zistiť, ako vesmírne lode neminú a nezrazia sa s ISS pri dokovaní.

1. Plávať striktne proti vetru je nemožné. Ak však vietor fúka spredu, ale mierne pod uhlom, jachta sa môže pohnúť. V takýchto prípadoch je vraj loď na ostrom kurze.

2. Ťah plachty vzniká v dôsledku dvoch faktorov. Po prvé, vietor jednoducho tlačí na plachty. Po druhé, šikmé plachty inštalované na väčšine moderných jácht, keď prúdia vzduchom, fungujú ako krídlo lietadla a vytvárajú „vztlak“, len nie sú nasmerované nahor, ale dopredu. Vďaka aerodynamike sa vzduch na konvexnej strane plachty pohybuje rýchlejšie ako na konkávnej strane a tlak na vonkajšej strane plachty je menší ako na vnútornej.

3. Celková sila generovaná plachtou smeruje kolmo na plátno. Podľa pravidla sčítania vektorov je možné v ňom rozlíšiť driftovú silu (červená šípka) a prítlačnú silu (zelená šípka).

4. Na ostrých kurzoch je sila driftu veľká, ale odporuje jej tvar trupu, kýlu a kormidla: jachta nemôže ísť bokom kvôli vodeodolnosti. Ale dopredu sa ochotne posúva aj pri malej ťažnej sile.

5. Ak chcete ísť striktne proti vetru, jachta sa pritáča: jednou alebo druhou stranou sa otočí smerom k vetru a pohybuje sa vpred po segmentoch - cvočky. Ako dlhé by mali byť cvočky a pod akým uhlom proti vetru ísť – dôležité otázky taktiky kapitánov.

6. Existuje päť hlavných chodov plavidla vzhľadom na vietor. Vďaka Petrovi I. sa v Rusku udomácnila holandská námorná terminológia.

7. Leventik- vietor fúka priamo do prednej časti lode. Na takomto kurze sa nemôžete plaviť, ale na zastavenie jachty sa používa otočenie proti vetru.

8. Zadný vietor– rovnako ostrý kurz. Keď ste blízko, vietor vám fúka do tváre, takže sa zdá, že jachta vyvíja veľmi vysokú rýchlosť. V skutočnosti je tento pocit klamlivý.

9. Gulfwind- vietor fúka kolmo na smer jazdy.

10. Backstay- vietor fúka zozadu a zboku. Toto je najrýchlejší kurz. Rýchle zadné pretekárske člny sú schopné zrýchliť na rýchlosti väčšie ako je rýchlosť vetra vďaka zdvihnutiu plachty.

11. Dávať– ten istý zadný vietor fúka od kormy. Na rozdiel od očakávaní nejde o najrýchlejší kurz: tu sa nepoužíva zdvih plachty a teoretický limit rýchlosti nepresahuje rýchlosť vetra. Skúsený kapitán dokáže predpovedať neviditeľné prúdy vzduchu rovnakým spôsobom ako pilot lietadla dokáže predpovedať stúpavé a klesajúce prúdy.

Interaktívnu verziu diagramu si môžete pozrieť na blogu „Two Minutes Explained“.

Vetry, ktoré sú v južnej časti Tichý oceán fúka západným smerom. Preto bol náš itinerár navrhnutý tak, aby plachetnica„Juliet“ sa presúvajú z východu na západ, teda tak, aby vietor fúkal do chrbta.

Keď sa však pozriete na našu trasu, všimnete si, že často, napríklad pri presune z juhu na sever zo Samoy do Tokelau, sme sa museli pohybovať kolmo na vietor. A niekedy sa smer vetra úplne zmenil a človek musel ísť proti vetru.

Júliina cesta

Čo robiť v tomto prípade?

Plachetnice sa už dlho vedia plaviť proti vetru. Dlho dobre a jednoducho o tom písal klasik Yakov Perelman vo svojej Druhej knihe zo série Zábavná fyzika. Tento kúsok tu citujem doslovne aj s obrázkami.

„Plavba proti vetru

Je ťažké si predstaviť, ako môžu plachetnice ísť „proti vetru“ – alebo, povedané slovami námorníkov, ísť „ťahané“. Je pravda, že námorník vám povie, že nemôžete plávať priamo do vetra, ale môžete sa pohybovať iba v ostrom uhle k smeru vetra. Ale tento uhol je malý - asi štvrtina pravého uhla - a zdá sa, že možno rovnako nepochopiteľné: či sa plaviť priamo proti vetru alebo pod uhlom 22 ° k nemu.

V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako je možné sa k nemu pod miernym uhlom pohnúť silou vetra. Uvažujme najskôr o tom, ako vietor vo všeobecnosti pôsobí na plachtu, teda kam plachtu tlačí, keď na ňu fúka. Pravdepodobne si myslíte, že vietor vždy tlačí plachtu smerom, ktorým fúka. Ale nie je to tak: kdekoľvek vietor fúka, tlačí plachtu kolmo na rovinu plachty. Skutočne: nechajte vietor fúkať v smere označenom šípkami na obrázku nižšie; čiara AB predstavuje plachtu.

Vietor tlačí plachtu vždy v pravom uhle k jej rovine.

Keďže vietor tlačí rovnomerne po celej ploche plachty, nahrádzame tlak vetra silou R pôsobiacou na stred plachty. Túto silu rozložíme na dve časti: sila Q kolmá na plachtu a sila P smerujúca pozdĺž nej (pozri obrázok vyššie vpravo). Posledná sila plachtu nikam netlačí, keďže trenie vetra o plátno je zanedbateľné. Zostáva sila Q, ktorá tlačí plachtu v pravom uhle k nej.

Keď to vieme, môžeme ľahko pochopiť, ako môže plachetnica ísť v ostrom uhle proti vetru. Nech čiara KK predstavuje kýlovú čiaru plavidla.

Ako sa dá plaviť proti vetru.

Vietor fúka v ostrom uhle k tejto čiare v smere označenom radom šípok. Čiara AB predstavuje plachtu; je umiestnená tak, že jej rovina rozpolí uhol medzi smerom kýlu a smerom vetra. Postupujte podľa schémy pre rozloženie síl. Tlak vetra na plachtu predstavujeme silou Q, ktorá, ako vieme, by mala byť kolmá na plachtu. Túto silu rozložíme na dve časti: sila R, kolmá na kýl, a sila S, smerujúca dopredu pozdĺž kýlovej línie plavidla. Keďže pohyb plavidla v smere R naráža na silný odpor vody (kýl dovnútra plachetnice sa stáva veľmi hlbokým), potom je sila R takmer úplne vyvážená odporom vody. Zostáva len sila S, ktorá, ako vidíte, smeruje dopredu, a preto pohybuje loďou pod uhlom, akoby proti vetru. [Je možné ukázať, že sila S je najväčšia, keď rovina plachty pretína uhol medzi smermi kýlu a vetra.]. Zvyčajne sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa takémuto pohybu plavidla hovorí v užšom zmysle slova „napichovanie“.

Zvážme teraz všetky možné smery vetra vzhľadom na kurz lode.

Diagram kurzov lode vo vzťahu k vetru, to znamená uhol medzi smerom vetra a vektorom od kormy po provu (kurz).

Keď vietor fúka do tváre (protivietor), plachty visia zo strany na stranu a s plachtou sa nedá pohnúť. Samozrejme, vždy môžete spustiť plachty a zapnúť motor, ale to už nie je pre plachtenie relevantné.

Keď vietor fúka presne zozadu (jibe, zadný vietor), rozptýlené molekuly vzduchu vyvíjajú tlak na plachtu z jednej strany a loď sa pohybuje. V tomto prípade sa loď môže pohybovať len pomalšie, ako je rýchlosť vetra. Funguje tu obdoba jazdy na bicykli vo vetre – vietor fúka do chrbta a ľahšie sa šliape do pedálov.

Pri pohybe proti vetru (ťahaný) sa plachta nepohybuje kvôli tlaku molekúl vzduchu na plachtu zozadu, ako v prípade jibe, ale kvôli vztlaku, ktorý vzniká v dôsledku rôznych rýchlostí vzduchu na oboch stranách. pozdĺž plachty. Loď sa zároveň kvôli kýlu nepohybuje v smere kolmom na kurz lode, ale iba dopredu. To znamená, že plachta v tomto prípade nie je dáždnik, ako v prípade badewindu, ale krídlo lietadla.

Počas našich plavieb sme sa väčšinou plavili s backstay a gulfwinds priemernou rýchlosťou 7-8 uzlov s rýchlosťou vetra 15 uzlov. Niekedy sme išli proti vetru, polovetru a ostro. A keď vietor utíchol, zapli motor.

Vo všeobecnosti loď s plachtou idúcou proti vetru nie je zázrak, ale realita.

Najzaujímavejšie je, že lode môžu ísť nielen proti vetru, ale dokonca rýchlejšie ako vietor. To sa stane, keď sa loď vzdiali a vytvorí svoj vlastný vietor.

Je ťažké si predstaviť, ako môžu plachetnice ísť „proti vetru“ – alebo, povedané slovami námorníkov, ísť „ťahané“. Je pravda, že námorník vám povie, že nemôžete plávať priamo do vetra, ale môžete sa pohybovať iba v ostrom uhle k smeru vetra. Ale tento uhol je malý - asi štvrtina pravého uhla - a zdá sa, že možno rovnako nepochopiteľné: či sa plaviť priamo proti vetru alebo pod uhlom 22 ° k nemu.

V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako je možné sa k nemu pod miernym uhlom pohnúť silou vetra. Uvažujme najskôr o tom, ako vietor vo všeobecnosti pôsobí na plachtu, teda kam plachtu tlačí, keď na ňu fúka. Pravdepodobne si myslíte, že vietor vždy tlačí plachtu smerom, ktorým fúka. Ale nie je to tak: kdekoľvek vietor fúka, tlačí plachtu kolmo na rovinu plachty. Skutočne: nechajte vietor fúkať v smere označenom šípkami na obrázku nižšie; riadok AB znamená plachta.

Keďže vietor tlačí rovnomerne po celej ploche plachty, nahrádzame tlak vetra silou R pôsobiacou na stred plachty. Rozložme túto silu na dve časti: silu Q, kolmo na plachtu a sila P smerujúca pozdĺž nej (pozri obrázok vyššie vpravo). Posledná sila plachtu nikam netlačí, keďže trenie vetra o plátno je zanedbateľné. Sila zostáva Q, ktorý k nej tlačí plachtu v pravom uhle.

Keď to vieme, môžeme ľahko pochopiť, ako môže plachetnica ísť v ostrom uhle proti vetru. Nechajte linku QC znázorňuje kýlovú líniu plavidla.

Vietor fúka v ostrom uhle k tejto čiare v smere označenom radom šípok. Linka AB zobrazuje plachtu; je umiestnená tak, že jej rovina rozpolí uhol medzi smerom kýlu a smerom vetra. Postupujte podľa schémy pre rozloženie síl. Znázorňujeme tlak vetra na plachtu silou Q, o ktorej vieme, že musí byť kolmá na plachtu. Rozložme túto silu na dve časti: silu R, kolmo na kýl, a sila S smerujúce dopredu pozdĺž línie kýlu lode. Od pohybu plavidla v smere R narazí na silný odpor vody (kýl na plachetniciach sa stáva veľmi hlbokým), potom sila R takmer úplne vyvážené vodeodolnosťou. Zostáva len sila S, ktorý, ako vidíte, smeruje dopredu a teda pohybuje loďou pod uhlom, akoby proti vetru. [Dá sa dokázať, že sila S dostane najväčšiu hodnotu, keď rovina plachty rozpolí uhol medzi smermi kýlu a vetra.]. Zvyčajne sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa takémuto pohybu plavidla hovorí v užšom zmysle slova „napichovanie“.

Nemenej dôležitá ako odpor trupu je ťažná sila vyvinutá plachtami. Aby sme si prácu plachiet lepšie predstavili, zoznámime sa so základnými pojmami teórie plachiet.

Už sme hovorili o hlavných silách pôsobiacich na plachty jachty plaviacej sa so zadným vetrom (gybe) a s protivetrom (haul). Zistilo sa, že sila pôsobiaca na plachty sa dá rozložiť na silu, ktorá spôsobí, že sa jachta bude kotúľať a znášať po vetre, driftovú silu a ťahovú silu (pozri obr. 2 a 3).

Teraz sa pozrime, ako sa určuje celková sila tlaku vetra na plachty a od čoho závisia sily ťahu a driftu.

Aby sme si predstavili prácu plachty na ostrých kurzoch, je vhodné najprv uvažovať o plochej plachte (obr. 94), na ktorú pôsobí tlak vetra pod určitým uhlom nábehu. V tomto prípade sa za plachtou vytvárajú víry, na jej náveternej strane vznikajú tlakové sily a na záveternej strane sa objavujú sily riedenia. Ich výsledné R smeruje približne kolmo na rovinu plachty. Pre správne pochopenie fungovania plachty je vhodné znázorniť ju ako výslednicu dvoch zložiek síl: X-smerovaný rovnobežne s prúdením vzduchu (vietor) a Y-kolmo naň.

Sila X, smerujúca rovnobežne s prúdom vzduchu, sa nazýva odporová sila; tvorí ju okrem plachty aj trup, takeláž, rahná a posádka jachty.

Sila Y, smerujúca kolmo na prúdenie vzduchu, sa v aerodynamike nazýva vztlak. Je to ona, ktorá na ostrých kurzoch vytvára ťah v smere pohybu jachty.

Ak sa pri rovnakom odpore plachty X (obr. 95) zdvíhacia sila zvýši napríklad na hodnotu Y1, potom, ako je znázornené na obrázku, sa výslednica vztlaku a odporu zmení o R a, v súlade s tým sa prítlačná sila T zvýši na T1.

Takáto konštrukcia umožňuje ľahko overiť, že so zvýšením odporu X (pri rovnakej zdvíhacej sile) klesá ťah T.

Existujú teda dva spôsoby, ako zvýšiť ťažnú silu, a teda aj rýchlosť na ostrých kurzoch: zvýšenie zdvíhacej sily plachty a zníženie odporu plachty a jachty.

V modernej plavbe sa zdvíhacia sila plachty zväčšuje tým, že má konkávny tvar s určitým „bruchom“ (obr. 96): veľkosť od sťažňa po najväčšiu hlboké miesto"Brucho" je zvyčajne 0,3-0,4 šírky plachty a hĺbka "brucho" je asi 6-10% šírky. Zdvíhacia sila takejto plachty je o 20-25% väčšia ako sila úplne plochej plachty s takmer rovnakým odporom. Pravda, jachta s plochými plachtami ide trochu strmšie k vetru. Avšak pri „pot-bellied“ plachtách je rýchlosť postupu do protivetra väčšia vďaka väčšiemu ťahu.

Ryža. 96. Profil plachty

Všimnite si, že v prípade plachiet s hrncom sa zvyšuje nielen trakcia, ale aj sila driftu, čo znamená, že náklon a drift jácht s plachtami s bruchom je väčší ako u relatívne plochých. Plachta „pot-bellied“ o viac ako 6-7% pri silnom vetre je preto nerentabilná, pretože zvýšenie nakláňania a driftu vedie k výraznému zvýšeniu odporu trupu a zníženiu účinnosti plachiet, ktoré „žerú hore“ efekt zvýšeného ťahu. Pri slabom vetre sa plachty s „bruchom“ 9 – 10 % ťahajú lepšie, pretože v dôsledku nízkeho celkového tlaku vetra na plachtu je náklon malý.

Akákoľvek plachta pri uhloch nábehu väčších ako 15 - 20 °, to znamená pri kurzoch jácht 40 - 50 ° voči vetru a viac, vám umožňuje znížiť vztlak a zvýšiť odpor, pretože na záveternej strane sa vytvárajú výrazné turbulencie. A keďže hlavnú časť zdvíhacej sily tvorí plynulý, bez turbulencií, obtekanie záveternej strany plachty, deštrukcia týchto turbulencií by mala mať veľký efekt.

Zničia turbulencie, ktoré vznikajú za hlavnou plachtou nastavením vzpernej plachty (obr. 97). Prúd vzduchu vstupujúci do medzery medzi hlavnou a lodnou plachtou zvyšuje svoju rýchlosť (tzv. tryskový efekt) a pri správnom nastavení lodnej plachty „olizuje“ víry z hlavnej plachty.

Ryža. 97. Staysail práca

Profil mäkkej plachty je ťažké udržať rovnaký pri rôznych uhloch nábehu. Predtým sa na člny dávali priechodné laty, ktoré prechádzali cez celú plachtu – robili sa tenšie v „bruchu“ a hrubšie smerom k pijavici, kde je plachta oveľa plochejšia. Teraz je cez pancier inštalovaný hlavne na ľadových člnoch a katamaránoch, kde je obzvlášť dôležité zachovať profil a tuhosť plachty pri nízkych uhloch nábehu, keď už bežná plachta máva pozdĺž lemu.

Ak je zdrojom vztlaku iba plachta, potom odpor vytvára všetko, čo je v prúdení vzduchu okolo jachty. Zlepšenie trakčných vlastností plachty je preto možné dosiahnuť aj znížením odporu trupu jachty, nosníkov, takeláže a posádky. Na tento účel sa na rahnách a takeláži používajú rôzne druhy aerodynamických krytov.

Veľkosť odporu na plachte závisí od jej tvaru. Podľa zákonov aerodynamiky je odpor krídla lietadla tým menší, čím je užší a dlhší pri rovnakej ploche. Preto sa plachta (v podstate to isté krídlo, ale vertikálne nastavená) snaží byť vysoká a úzka. To tiež umožňuje využiť jazdecký vietor.

Odpor plachty do značnej miery závisí od stavu jej nábežnej hrany. Predné strany všetkých plachiet musia byť pevne zabalené, aby sa predišlo možnosti vibrácií.

Je potrebné spomenúť ešte jednu veľmi dôležitú okolnosť - takzvané centrovanie plachiet.

Z mechaniky je známe, že každá sila je určená jej veľkosťou, smerom a miestom pôsobenia. Doteraz sme hovorili len o veľkosti a smere síl pôsobiacich na plachtu. Ako uvidíme neskôr, poznať body aplikácie je nevyhnutné na pochopenie toho, ako plachty fungujú.

Tlak vetra je po povrchu plachty rozložený nerovnomerne (na jeho prednú časť pôsobí väčší tlak), avšak pre zjednodušenie porovnávacích výpočtov sa uvažuje, že je rozložený rovnomerne. Pre približné výpočty sa predpokladá, že výsledná sila tlaku vetra na plachty sa aplikuje na jeden bod; berie sa ako ťažisko povrchu plachiet, keď sú umiestnené v diametrálnej rovine jachty. Tento bod sa nazýva stred vetra (CP).

Zastavme sa pri najjednoduchšej grafickej metóde určenia polohy CPU (obr. 98). Nakreslite plachtu jachty v správnej mierke. Potom na priesečníku prostredníc - čiar spájajúcich vrcholy trojuholníka so stredmi protiľahlých strán - nájdite stred každej plachty. Po získaní stredov O a O1 na výkrese dvoch trojuholníkov, ktoré tvoria hlavnú plachtu a pevnú plachtu, sú cez tieto stredy nakreslené dve rovnobežné čiary OA a O1B a položené v opačných smeroch v ľubovoľnej, ale rovnakej mierke ako mnoho lineárnych jednotiek. ako štvorcové metre v trojuholníku; od stredu jaskyne položte oblasť kotvovej plachty a od stredu kotvovej plachty - oblasť jaskyne. Koncové body A a B sú spojené priamkou AB. Ďalšia priamka - O1O spája stredy trojuholníkov. Na križovatke liniek A B a O1O bude spoločné centrum.

Ryža. 98. Grafický spôsob nájdenia stredu vetra

Ako sme už povedali, driftová sila (budeme ju považovať za aplikovanú v strede vetra) pôsobí proti sile bočného odporu trupu jachty. Sila bočného odporu sa považuje za pôsobiacu v strede bočného odporu (CLC). Stredom bočného odporu je ťažisko priemetu podvodnej časti jachty na diametrálnu rovinu.

Stred bočného odporu nájdete vystrihnutím obrysu podvodnej časti jachty z hrubého papiera a umiestnením tohto modelu na čepeľ noža. Keď je model vyvážený, zľahka ho zatlačte, potom otočte o 90° a znova vyvážte. Priesečník týchto čiar nám dáva stred bočného odporu.

Keď jachta ide bez rolovania, CPU by malo ležať na rovnakej zvislej čiare s CBS (obr. 99). Ak CPU leží pred CBS (obr. 99, b), potom driftová sila, posunutá dopredu vzhľadom na bočnú odporovú silu, otočí provu plavidla do vetra - jachta odpláva. Ak je CPU za CBS, jachta sa otočí predklonom proti vetru alebo bude poháňaná (obr. 99, c).

Ryža. 99. Zarovnanie jachty

Prílišné nakláňanie sa proti vetru a najmä odklon (nesprávne centrovanie) škodia chodu jachty, pretože nútia kormidelníka neustále otáčať volantom, aby sa udržal priamočiary pohyb, a to zvyšuje odpor trupu a znižuje rýchlosť plavidla. Nesprávne centrovanie navyše vedie k zhoršeniu ovládateľnosti, v niektorých prípadoch až k jej úplnej strate.

Ak jachtu vycentrujeme, ako je znázornené na obr. 99, a, to znamená, že CPU a CBS budú v rovnakej vertikále, potom bude loď poháňaná veľmi silno a bude veľmi ťažké ju ovládať. Čo sa deje? Sú tu dva hlavné dôvody. Po prvé, skutočné umiestnenie CPU a CLS sa nezhoduje s teoretickým (oba stredy sú posunuté dopredu, ale nie rovnako).

Po druhé, a čo je najdôležitejšie, pri náklone sa ukáže, že ťažná sila plachiet a sila pozdĺžneho odporu trupu ležia v rôznych vertikálnych rovinách (obr. 100), ukazuje sa, ako keby páka, ktorá núti jachtu riadiť. Čím väčší je zoznam, tým väčšia je tendencia plavidla riadiť.

Aby sa eliminoval takýto odliatok, CPU je umiestnený pred CBS. Moment ťažnej sily a pozdĺžneho odporu vznikajúce pri nakláňaní, ktoré núti jachtu poháňať, je kompenzovaný záchytným momentom driftových síl a bočným odporom s umiestnením CPU vpred. Pre dobré centrovanie musí byť CPU umiestnený pred CLS vo vzdialenosti rovnajúcej sa 10-18% dĺžky jachty pozdĺž vodorysky. Čím je jachta menej stabilná a čím je CPU vyššie nad CBS, tým viac ju treba posunúť dopredu.

Aby mala jachta dobrý ťah, musí byť vycentrovaná, to znamená dať CPU a CLS do takej polohy, v ktorej loď na ťahanom kurze v miernom vetre bola úplne vyvážená plachtami, inými slovami , bola stabilná na kurze s nahodeným alebo zafixovaným kormidlom v RP (pri veľmi slabom vetre je povolená mierna tendencia odchádzať) a pri silnejšom vetre mala tendenciu rolovať. Každý kormidelník musí vedieť správne vycentrovať jachtu. Na väčšine jácht sa sklon k vyostrovaniu zvyšuje, ak sú zadné plachty pretiahnuté a predné plachty spustené. Ak sú predné plachty pretiahnuté a zadné plachty pretiahnuté, loď odpláva. S nárastom „pot-bellied“ hlavnej plachty, ako aj zle stojacich plachiet, býva jachta vo väčšej miere poháňaná.

Ryža. 100. Vplyv náklonu na naklonenie jachty proti vetru