Ako sa plaviť proti vetru na plachetnici? Fyzika pohybu plachetnice Ako plachta funguje proti vetru.

„Pekný vietor!“ - prajú všetkým námorníkom a je to úplne márne: keď vietor fúka z kormy, jachta nie je schopná vyvinúť maximálnu rýchlosť. Tejto schéme pomohol Vadim Zhdan, profesionálny kapitán, pretekár, organizátor a hostiteľ jachtárskych regát. Prečítajte si tipy na diagrame, aby ste na to prišli.

2. Ťah plachty je spôsobený dvoma faktormi. Po prvé, vietor len tlačí na plachty. Za druhé, šikmé plachty nainštalované na väčšine moderných jácht, keď prúdia so vzduchom, fungujú ako krídlo lietadla a smerujú nielen hore, 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 vo vnútri.

3. Celková sila generovaná plachtou je kolmá na plachtu. Podľa pravidla pridávania vektorov je možné v ňom rozlíšiť driftovú silu (červená šípka) a ťahovú silu (zelená šípka).

5. Aby sa jachta plavila striktne proti vetru, manévruje: otáča sa na vietor jednou alebo druhou stranou a pohybuje sa dopredu v segmentoch - cvoky. To, ako dlho by malo smerovanie smerovať a v akom uhle k vetru ísť, sú dôležité otázky taktiky kapitána.

9. Gulfwind- vietor fúka kolmo na smer jazdy.

11. Fordewind- rovnaký zadný vietor fúka z kormy. Na rozdiel od očakávaní nie je to najrýchlejší kurz: zdvíhanie plachty sa tu nepoužíva a teoretický rýchlostný limit neprekračuje rýchlosť vetra. Skúsený kapitán vie, ako predpovedať neviditeľné vzdušné prúdy rovnako ako

Pohyb plachetnica vietor je v skutočnosti určený jednoduchým tlakom vetra na jej plachtu, ktorý tlačí loď dopredu. Štúdie veterných tunelov však ukázali, že plavba proti vetru vystavuje plachtu komplexnejšiemu súboru síl.

Keď prúdiaci vzduch prúdi okolo konkávneho zadného povrchu plachty, rýchlosť vzduchu klesá, zatiaľ čo pri prúdení okolo konvexného predného povrchu plachty sa táto rýchlosť zvyšuje. V dôsledku toho sa na zadnom povrchu plachty vytvorí oblasť zvýšeného tlaku a na prednom povrchu oblasť nízkeho tlaku. Tlakový rozdiel na dvoch stranách plachty vytvára ťažnú (tlačnú) silu, ktorá posúva jachtu dopredu v uhle k vetru.

Plachetnica, ktorá sa nachádza približne v pravom uhle k vetru (v námornej terminológii ide o jachtu), sa pohybuje rýchlo dopredu. Plachta je vystavená ťažným a priečnym silám. Ak sa plachetnica plaví v ostrom uhle k vetru, jej rýchlosť sa spomalí v dôsledku zníženia ťažnej sily a zvýšenia bočnej sily. Čím viac je plachta otočená k zádi, tým pomalšie sa jachta pohybuje dopredu, najmä kvôli veľkej bočnej sile.

Plachetnica nemôže plávať priamo proti vetru, ale dokáže sa pohnúť dopredu v sérii krátkych kľukatých pohybov pod uhlom voči vetru, ktoré sa nazývajú cviky. Ak vietor fúka na ľavú stranu (1), jachta sa hovorí, že sa plaví na ľavom ľavom boku, ak na pravom boku (2), na pravom ľavom boku. Aby sa jachtár dostal na kratšiu vzdialenosť, pokúša sa zvýšiť rýchlosť lode na doraz úpravou polohy svojej plachty, ako je to znázornené na obrázku nižšie vľavo. Aby sa minimalizovala odchýlka od priamky, jachta sa pohybuje, pričom mení kurz z pravoboku na prístav a naopak. Keď jachta zmení kurz, plachtu odhodí na druhú stranu a keď sa jej lietadlo zhoduje s čiarou vetra, nejaký čas sa rúti, t.j. je neaktívny (stredný obrázok pod textom). Jachta spadá do takzvanej mŕtvej zóny, pričom stráca rýchlosť, kým vietor opäť nenafúkne plachtu z opačnej strany.

4.4. Pôsobenie vetra na plachtu

Loď pod plachtou je ovplyvnená dvoma médiami: prúdenie vzduchu pôsobiaceho na plachtu a povrch lode a voda pôsobiaca na podvodnú časť lode.

Vďaka tvaru plachty sa loď môže aj v najnepriaznivejších vetroch (bočný vietor) pohnúť dopredu. Plachta pripomína krídlo, ktorého najväčší odklon je 1 / 3-1 / 4 šírky plachty od pijavice a má hodnotu 8-10% šírky plachty (obr. 44).

Ak sa vietor so smerom B (obr. 45, a) na svojej ceste stretne s plachtou, ohne sa to z oboch strán. Zadná strana plachty je natlakovaná vyššie (+) ako po vetre (-). Výslednica tlakových síl vytvára silu P smerujúcu kolmo na rovinu plachty alebo tetivu prechádzajúcu cez predok a pijavicu a pôsobiacu na stred plachty CP (obr. 45, b).

Ryža. 44. Profil plachty:
B - šírka plachty pozdĺž akordu

Ryža. 45. Sily pôsobiace na plachtu a trup lode:
a - vplyv vetra na plachtu; b - vplyv vetra na plachtu a vody na trup lode

Ryža. 46. ​​Správna poloha plachty v rôznych smeroch vetra: a - vietor za vetrom; b - gulfwind; c - vietor

Sila P sa rozloží na prítlačnú silu T smerujúcu rovnobežne so stredovou rovinou (DP) lode, ktorá núti čln pohybovať sa dopredu, a driftovaciu silu D smerujúcu kolmo na DP, čo spôsobuje unášanie a kotúľanie lode .

Sila P závisí od rýchlosti a smeru vetra vzhľadom na plachtu. Viac
Ak
Účinok vody na čln do značnej miery závisí od obrysov jeho podvodnej časti.

Napriek tomu, že pri bočnom vetre driftová sila D prevyšuje ťahovú silu T, má čln zdvih dopredu. Ovplyvňuje to bočný odpor R 1 podvodnej časti trupu, ktorý je mnohonásobne vyšší ako čelný odpor R.

Ryža. 47. Vlajka vetra:
B A - pravý vietor; В Ш - vietor z pohybu lode; B - zdanlivý vietor

Sila D, napriek odporu trupu, stále odpaľuje čln mimo čiaru kurzu. Zostavené podľa DP a smeru skutočného pohybu lode IP
Najväčší ťah a najmenší drift lode teda možno dosiahnuť výberom najpriaznivejšej polohy stredovej roviny člna a roviny plachty vzhľadom na vietor. Je stanovené, že uhol medzi DP člna a rovinou plachty by mal byť rovný polovici
Pri výbere polohy plachty vzhľadom na čln a vietor sa predák člna neriadi skutočným, ale zdanlivým (zdanlivým) vetrom, ktorého smer je určený ako dôsledok rýchlosti lode a skutočnú rýchlosť vetra (obr. 47).

Sekáč, umiestnený pred predvídavosťou, funguje ako lamela. Prúd vzduchu medzi výložníkom a pobrežím znižuje tlak na záveternú stranu pobrežia a tým zvyšuje jeho ťažnú silu. Stáva sa to iba za predpokladu, že uhol medzi výložníkom a člnom člna je o niečo väčší ako uhol medzi prednou časťou a potápaním (obr. 48, a).

Pred ponorením sa do výkonu plachty je potrebné zvážiť dva krátke, ale dôležité body:
1. Zistite, ktorý vietor ovplyvňuje plachty.
2. Vysvetlite konkrétnu námornú terminológiu spojenú s kurzami vetra.

Skutočný a vlajkový vietor v jachtingu.

Vietor, ktorý pôsobí na pohybujúce sa plavidlo a všetko na ňom, sa líši od toho, ktorý pôsobí na akýkoľvek nehybný predmet.
Samotný vietor, ako atmosférický jav fúkajúci vzhľadom na pevninu alebo vodu, nazývame pravým vetrom.
Pri jachtingu sa vietor vzhľadom na jachtu v pohybe nazýva zdanlivý vietor a je súčtom skutočného vetra a prichádzajúceho prúdu vzduchu spôsobeného pohybom plavidla.
Vlajkový vietor vždy fúka v ostrejšom uhle k lodi ako skutočný vietor.
Rýchlosť zdanlivý vietor môže byť viac (ak je pravý vietor čelný alebo bočný) alebo menší ako skutočný (ak je z rovnakého smeru).

Smery vzhľadom na vietor.

Vo vetre znamená zo strany, z ktorej fúka vietor.
Pod vetrom- na strane, kde fúka vietor.
Tieto výrazy, ako aj z nich odvodené deriváty, ako napríklad „náveterný“, „záveterný“, sa používajú veľmi široko, a to nielen v jachtingu.
Keď sa tieto pojmy uplatňujú na loď, je tiež zvykom hovoriť o náveterných a záveterných stranách.
Ak vietor fúka z pravoboku jachty, nazýva sa táto strana proti vetru, ľavá strana - závetrie resp.
Prístav a pravobok sú dva pojmy, ktoré priamo súvisia s predchádzajúcimi: ak vietor fúka na pravý bok plavidla, potom hovorí, že ide o pravý bok, ak do prístavu zostane.
V anglickej námornej terminológii sa to, čo je spojené s pravým a ľavým portom, líši od obvyklého pravého a ľavého. O pravoboku a všetkom, čo s ním súvisí, hovoria Starboard, o ľavej strane - Port.

Kurzy vetra.

Smer proti vetru sa líši v závislosti od uhla medzi smerom zdanlivého vetra a smerom lode. Môžu byť rozdelené na ostré a plné.

Beidewind je ostrý kurz vzhľadom na vietor. keď vietor fúka pod uhlom menším ako 80 °. Môže byť strmý (až do 50 °) a plný (od 50 do 80 °).
Úplné nadpisy vzhľadom na vietor sú kurzy, keď vietor fúka v uhle 90 ° alebo viac voči smeru jazdy jachty.
Tieto kurzy zahŕňajú:
Gulfwind - vietor fúka pod uhlom 80 až 100 °.
Backstay - vietor fúka pod uhlom 100 až 150 ° (strmý backstay) a od 150 do 170 ° (plný backstay).
Fordewind - vietor fúka dozadu pod uhlom viac ako 170 °.
Leventic - vietor je striktne čelný alebo blízko. Keďže plachetnica sa nemôže proti takémuto vetru pohybovať, častejšie sa mu nehovorí ako o kurze, ale o polohe voči vetru.

Manévre súvisiace s vetrom.

Keď jachta pod plachtou zmení kurz tak, aby sa zmenšil uhol medzi vetrom a smerom jazdy, hovorí sa, že loď je dané... Inými slovami, pristátie znamená ísť v ostrejšom uhle k vetru.
Ak dôjde k opačnému procesu, tj. Jachta zmení kurz smerom k zväčšeniu uhla medzi ním a vetrom, loďou kotúľa sa .
Objasnime, že výrazy („viesť“ a „odviezť sa“ sa používajú, keď loď zmení smer vzhľadom na vietor v rámci rovnakého smeru.
Ak loď zmení smer, potom (a až potom!) Takýto manéver pri jachtingu sa nazýva obrat.
Existujú dva rôzne spôsoby, ako zmeniť smer, a teda dve zmeny: prešľap a vietor .
Prekročenie je obrátenie proti vetru. Čln je poháňaný, jeho čelo prekračuje čiaru vetra, v určitom okamihu loď prechádza leventickou polohou, po ktorej sa položí na ďalšiu vetvu.
Jachting pri otáčaní sa proti vetru prebieha opačným spôsobom: plavidlo sa odvalí, zadná časť pretína čiaru vetra, plachty sa prenesú na druhú stranu, jachta leží na inom vetre. Najčastejšie ide o prechod z jedného úplného kurzu na druhý.

Práca plachty pri jachtingu.

Jednou z hlavných úloh námorníka pri práci s plachtami je orientovať plachtu v optimálnom uhle vzhľadom na vietor, aby sa čo najlepšie hnal dopredu. Aby ste to urobili, musíte pochopiť, ako plachta interaguje s vetrom.
Prevádzka plachty je v mnohých ohľadoch podobná prevádzke krídla lietadla a prebieha podľa zákonov aerodynamiky. Pre obzvlášť zvedavých jachtárov sa môžete dozvedieť viac o aerodynamike plachty ako krídla v sérii článkov :. Je však lepšie to urobiť po prečítaní tohto článku a postupne sa presúvať z ľahkého na zložitejší materiál. Aj keď, komu to hovorím? Skutoční jachtári sa neboja ťažkostí. A všetko môžete robiť presne naopak.

Hlavný rozdiel medzi plachtou a krídlom lietadla spočíva v tom, že na to, aby sa na plachtu prejavila aerodynamická sila, je potrebný určitý nenulový uhol medzi ňou a vetrom, tento uhol sa nazýva uhol nárazu. Krídlo lietadla má asymetrický profil a môže normálne fungovať pri nulovom uhle nábehu, plachta nie.
V procese vetra obtekajúceho plachtu vzniká aerodynamická sila, ktorá v konečnom dôsledku poháňa jachtu dopredu.
Zvážte fungovanie plachty pri jachtingu v rôznych kurzoch vzhľadom na vietor. Najprv si pre jednoduchosť predstavme, že stožiar s jednou plachtou je zarytý do zeme a my môžeme na plachtu nasmerovať vietor v rôznych uhloch.

Uhol nábehu je 0 °. Vietor fúka pozdĺž plachty, plachta klope ako vlajka. Na plachtu nepôsobí žiadna aerodynamická sila, existuje iba sila odporu.
Úhel nábehu 7 °. Začína sa objavovať aerodynamická sila. Je nasmerovaná kolmo na plachtu a je stále malých rozmerov.
Uhol nábehu je asi 20 °. Aerodynamická sila dosiahla svoju maximálnu hodnotu v smere kolmom na plachtu.
Uhol nábehu je 90 °. Vo vzťahu k predchádzajúcemu prípadu sa aerodynamická sila výrazne nezmenila ani vo veľkosti, ani v smere.
Vidíme teda, že aerodynamická sila je vždy smerovaná kolmo na plachtu a jej veľkosť sa prakticky nemení v rozsahu uhlov od 20 do 90 °.
Úhly útoku väčšie ako 90 ° nedávajú zmysel brať do úvahy, pretože plachty na jachte nie sú obvykle voči vetru nastavené v takých uhloch.

Vyššie uvedené závislosti aerodynamickej sily na uhle nábehu sú do značnej miery zjednodušené a spriemerované.
V skutočnosti sa tieto vlastnosti výrazne líšia v závislosti od tvaru plachty. Napríklad dlhá, úzka a poriadne plochá hlavná plachta závodných jácht bude mať maximálnu aerodynamickú silu v uhle nábehu asi 15 °, vo vyšších uhloch bude sila o niečo menšia. Ak je plachta viac brušná a nemá príliš veľké predĺženie, potom môže byť aerodynamická sila na nej maximálna v uhle nábehu asi 25-30 °.

Teraz sa pozrime na prácu plachty na jachte.

Pre jednoduchosť si predstavme, že na jachte je len jedna plachta. Nech je to jaskyňa.
Po prvé, stojí za to sa pozrieť na to, ako sa systém jachta + plachta správa pri plavbe v najostrejších kurzoch vzhľadom na vietor, pretože zvyčajne to vyvoláva najviac otázok.

Povedzme, že vietor pôsobí na jachtu v uhle 30-35 ° k trupu. Orientáciou plachty na kurz v uhle približne 20 ° k vetru získame na nej dostatočnú aerodynamickú silu A.
Pretože táto sila pôsobí v pravom uhle na plachtu, vidíme, že jachtu silno ťahá do strany. Keď silu A roztiahneme na dve zložky, môžeme vidieť, že predný ťah T je niekoľkokrát menší ako sila tlačiaca čln nabok (D, sila driftu).
Ako sa teda jachta pohne dopredu?
Faktom je, že konštrukcia podvodnej časti trupu je taká, že odpor trupu voči pohybu do strany (takzvaný bočný odpor) je tiež niekoľkonásobne väčší ako odpor voči pohybu vpred. Uľahčuje to kýl (alebo stredová doska), kormidlo a samotný tvar trupu.
Bočný odpor však vzniká vtedy, keď je čo odolávať, to znamená, že na to, aby začalo fungovať, je potrebné určité posunutie tela do strany, takzvaný drift vetra.

Tento posun prirodzene vzniká pôsobením bočnej zložky aerodynamickej sily a v reakcii na to okamžite vzniká sila bočného odporu S, smerovaná v opačnom smere. Spravidla sa navzájom vyvažujú v uhle driftu asi 10-15 °.
Je teda zrejmé, že bočná zložka aerodynamickej sily, ktorá je najvýraznejšia na ostrých kurzoch voči vetru, spôsobuje dva nežiaduce javy: drift vetra a roll.

Drift vetra znamená, že trajektória jachty sa nezhoduje s jej stredovou čiarou (stredová čiara alebo DP je „múdry“ termín pre čiaru kormová záď). Je tu neustály posun jachty do vetra, pohyb sa zdá byť trochu bokom.
Je známe, že pri jachtingu na bočnom vetre s priemerom poveternostné podmienky drift vetra ako uhol medzi DP a skutočnou trajektóriou pohybu je približne 10-15 °.

Pokrok proti vetru. Tacking.

Pretože jachting pod plachtami nie je možné striktne proti vetru, ale môžete sa pohybovať iba pod určitým uhlom, bolo by dobré mať predstavu o tom, ako prudko sa jachta môže pohybovať voči vetru v stupňoch. A čo je teda ten nepohyblivý sektor kurzov vzhľadom na vietor, v ktorých je pohyb proti vetru nemožný.
Prax ukazuje, že konvenčná cestovná jachta (nie závodná jachta) môže efektívne plávať 50-55 ° do skutočného vetra.

Ak je teda cieľ, ktorý musí byť dosiahnutý, striktne proti vetru, potom sa jachting k nemu uskutoční nie v priamke, ale v cikcaku s jednou vetvou, potom s inou. V tomto prípade sa budete musieť, prirodzene, pri každom prilepení pokúsiť ísť čo najostrejšie do vetra. Tento proces sa nazýva lepenie.

Uhol medzi trajektóriami jácht na dvoch susedných vetrách pri zdvíhaní sa nazýva prirážanie. Je zrejmé, že pri ostrosti pohybu proti vetru 50-55 ° bude uhol prichytenia 100-110 °.

Hodnota uhla prichytenia nám ukazuje, ako efektívne sa môžeme pohybovať smerom k cieľu, ak je umiestnený striktne proti vetru. Napríklad pri uhle 110 ° sa dráha k cieľu zvýši 1,75 -krát v porovnaní s pohybom v priamke.

Prevádzka plachiet na iných vetrových kurzoch

Je zrejmé, že už v smere Gulfwindu ťah T výrazne presahuje driftovú silu D, takže drift a roll budú malé.

Vzhľadom na backstay, ako vidíme, sa toho v porovnaní s kurzom Gulfwind veľa nezmenilo. Hlavná plachta je umiestnená v polohe takmer kolmej na DP a táto poloha je pre väčšinu jácht ultimátna, je technicky nemožné ju nasadiť ešte ďalej.

Poloha hlavnej plachty na trati proti vetru sa nijako nelíši od polohy na kurze vzadu.
Tu kvôli jednoduchosti pri zvažovaní fyziky postupu pri jachtingu berieme do úvahy iba jednu plachtu - hlavnú plachtu. Jachta má spravidla dve plachty - hlavnú a pevnú plachtu (hlavná plachta). Na smeru predného vetra je teda plachta (ak je umiestnená na tej istej strane ako hlavná plachta) v tieni vetra od hlavnej plachty a prakticky nefunguje. To je jeden z niekoľkých dôvodov, prečo námorníci kurz proti vetru nemajú radi.

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

V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako k nemu môže sila vetra ísť pod miernym uhlom. Najprv zvážte, ako vietor všeobecne pôsobí na plachtu, t. J. Kam tlačí plachtu, keď na ňu fúka. Pravdepodobne si myslíte, že vietor vždy tlačí plachtu v smere, odkiaľ fúka. Ale nie je to tak: kdekoľvek vietor fúka, tlačí plachtu kolmo na rovinu plachty. Skutočne: nechajte vietor fúkať v smere naznačenom šípkami na obrázku nižšie; riadok AB označuje plachtu.

Vietor tlačí plachtu vždy v pravom uhle na jej rovinu.

Pretože vietor rovnomerne tlačí na celý povrch plachty, nahradíme tlak vetra silou R pôsobiacou na stred plachty. Túto silu rozložíme na dve: silu Q kolmo na plachtu a sila P smerujúca pozdĺž nej (pozri obrázok vyššie, vpravo). Posledná sila nikam netlačí plachtu, pretože trenie vetra o plátno je zanedbateľné. Zostáva silný Q ktorá k nej tlačí plachtu v pravom uhle.

Keď to vieme, ľahko pochopíme, ako sa plachetnica môže pohybovať v ostrom uhle k vetru. Nechajte riadok QC zobrazuje kýlovú líniu nádoby.

Ako môžete plachtiť proti vetru?

Vietor fúka v ostrom uhle k tejto čiare v smere označenom radom šípok. Riadok AB zobrazuje plachtu; je umiestnený tak, že jeho rovina rozpína ​​uhol medzi smerom kýlu a smerom vetra. Postupujte podľa rozkladu síl na obrázku. Predstavujeme tlak vetra na plachtu silou Q o ktorom vieme, že musí byť kolmo na plachtu. Túto silu rozložíme na dve: silu R. kolmo na kýl a silu S dopredu pozdĺž kýlovej línie plavidla. Od pohybu plavidla v smere R. spĺňa silnú odolnosť voči vode (kýl v plachetnice stane sa veľmi hlbokým), potom sila R. takmer úplne vyvážený odolnosťou voči vode. Zostáva len sila S, ktorý, ako vidíte, je nasmerovaný dopredu, a preto pohybuje loďou pod uhlom, akoby smerom k vetru. [Je možné dokázať, že sila S je najväčší, keď rovina plachty zmenší na polovicu uhol medzi smerom kýlu a vetra.]. Tento pohyb sa zvyčajne vykonáva cikcakami, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa tento pohyb lode nazýva „pripútanie“ v užšom zmysle slova.