De ce poate naviga o barcă cu pânze împotriva vântului? Informații de bază din teoria velei Acum să ne uităm la funcționarea unei vele pe un iaht
Vânturi care bat spre vest în Pacificul de Sud. De aceea traseul nostru a fost conceput astfel încât iahtul cu vele „Juliet” să se deplaseze de la est la vest, adică să bată vântul 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 cu totul și trebuia să meargă 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 mult timp bine și simplu în a doua sa carte din ciclul de fizică distractivă. Citez această piesă aici textual cu imagini.
„Navigare împotriva vântului
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, ci 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 navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi de 22 ° față de el.
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 reprezintă vela.
Vântul împinge întotdeauna vela în unghi drept față de planul său.
Deoarece vântul apasă uniform pe toată suprafața 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 împotriva pânzei este neglijabilă. Forța Q rămâne, 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. 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. Urmăriți descompunerea forțelor din figură. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forța Q, care, știm, trebuie să fie perpendiculară pe vela. Descompunem această forță în două: forța R, perpendiculară pe chilă și forța S, îndreptată înainte, de-a lungul liniei de chilă a navei. Deoarece mișcarea navei în direcția R întâlnește o rezistență puternică la apă (chila navelor cu vele devine foarte adâncă), forța lui R este aproape complet echilibrată de rezistența la apă. Există o singură forță S, care, după cum puteți vedea, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Forța S poate fi dovedită a fi cea mai mare atunci când planul pânzei înjumătățește 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, această mișcare a navei se numește „viraj” în sensul restrâns al cuvântului. "
Să luăm acum în considerare toate direcțiile posibile ale vântului în raport cu cursul bărcii.
Diagrama cursului navei în raport cu vânt, adică unghiul dintre direcția vântului și vectorul de la pupa la prova (direcție). 
Când vântul bate în față (leventik), 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 are nimic de-a face cu navigarea.
Când vântul bate chiar în spate (vânt înainte, vântul din spate), 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 ciclismului în vânt - vântul bate în spate și este mai ușor să pedalezi.
Când se deplasează împotriva vântului (din spate), vela nu se mișcă din cauza presiunii moleculelor de aer pe vela din spate, ca în cazul vântului din față, ci din cauza portanței care se creează datorită vitezelor diferite ale aerului din ambele laturi de-a lungul pânzei. În același timp, datorită chilei, barca se deplasează nu în direcția perpendiculară pe cursul ambarcațiunii, ci doar înainte. Adică, vela în acest caz nu este o umbrelă, ca în cazul unui transport lateral, ci o aripă de avion.
În timpul traversărilor noastre, am mers în principal pe spate și vânt din golf cu o viteză medie de 7-8 noduri, cu o viteză a vântului de 15 noduri. Uneori mergeam împotriva vântului, Gulfwind și Beydewind. 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 se află în spate, creându-și „propriul vânt”.
La fel de importantă ca rezistența carenei este și forța produsă de pânze. Pentru a ne face o idee mai clară despre cum funcționează pânzele, 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 (direcționare față de vânt) și cu vânt în față (direcționare față). Am aflat că forța care acționează asupra pânzelor poate fi descompusă în forța care face ca iahtul să se rostogolească și să se deplaseze în vânt, 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 vizualiza funcționarea pânzei pe cursuri ascuțite, este convenabil să luați 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 și forțe de rarefacție pe partea sub vânt. R rezultatul lor este aproximativ perpendicular pe planul pânzei. Pentru o înțelegere corectă a muncii velei, este convenabil să o reprezentăm sub forma rezultantei a două componente ale forțelor: X-direcționat paralel cu fluxul de aer (vânt) și Y-perpendicular pe acesta.
Forța X paralelă cu fluxul de aer se numește forță de tracțiune; este creat, pe lângă vela, și de carenă, tachelaj, spate 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), portanța 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, împingerea T va crește până la T1.
O astfel de construcție facilitează verificarea că odată cu creșterea rezistenței X (cu aceeași forță de ridicare), forța T scade.
Astfel, există două modalități de a crește forța de tracțiune și, în consecință, viteza cursului pe curse ascuțite: creșterea portanței velei și reducerea rezistenței la vele și a iahtului.
În navigația modernă, forța de ridicare a pânzei este mărită dându-i o formă concavă cu o anumită „pânză” (Fig. 96): dimensiunea de la catarg până la cel mai adânc loc al „burtei” este de obicei de 0,3-0,4 de lățimea velei, iar adâncimea „burtei” -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 pânze „cu burtă”, viteza de virare este mai mare datorită împingerii mai mari.
Orez. 96. Profil Sail
Rețineți că la velele cu burtă, nu numai forța crește, ci și forța de derivă, ceea ce înseamnă că ruliu și deriva iahturilor cu pânze cu burtă este mai mare decât cu velele relativ plate. Prin urmare, „pantacul” al pânzei este mai mare de 6-7% în vânturi puternice, deoarece o creștere a călcâiului și a derivei duce la o creștere semnificativă a rezistenței carenei și la o scădere a eficienței pânzelor, care „mănâncă” efectul de creștere a forței. În vânturi slabe, pânzele cu o „burtă” de 9-10% trag mai bine, deoarece ruliu este mic din cauza presiunii totale scăzute a vântului asupra velei.
Orice velă cu unghiuri de atac mai mari de 15-20 °, adică atunci când iahtul se îndreaptă cu 40-50 ° față de vânt și mai mult, vă permite să reduceți forța de ridicare și să creșteți rezistența, deoarece se formează vârtejuri semnificative pe partea sub vânt. Și deoarece partea principală a liftului este creată de un flux neted, fără vârtejuri, în jurul părții sub vânt a pânzei, distrugerea acestor vârtejuri ar trebui să aibă un efect mare.
Vârleiurile formate în spatele velei mari sunt distruse prin așezarea velei de trinș (Fig. 97). Fluxul de aer care intră în decalajul dintre vela mare și vela mare își mărește viteza (așa-numitul efect de duză) și, când vela este reglată corect, „linge” vârtejurile din vela mare.
Orez. 97. Lucrarea velei de stanga
Profilul pânzei moale este dificil de menținut consistent în diferite unghiuri de atac. Anterior, pe bărci se puneau prin sipci, trecând prin toată vela - se făceau mai subțiri în „burtă” și mai groase spre lipitoare, unde vela este mult mai plată. În zilele noastre, prin șipci sunt instalate în principal pe rigole și catamarane, unde este deosebit de important să se mențină profilul și rigiditatea pânzei la unghiuri mici de atac, atunci când o velă obișnuită vâslește deja la fluier.
Dacă doar vela este sursa de susținere, atunci tracțiunea creează tot ce se află în fluxul de aer din jurul iahtului. Prin urmare, o îmbunătățire a proprietăților de tracțiune ale velei poate fi obținută și prin reducerea rezistenței la rezistență a carenei, barelor, tachelajului și echipajului iahtului. În acest scop, se folosesc diverse tipuri de carene pe lonjere și tachelaj.
Dragul pânzei depinde de forma acesteia. Conform legilor aerodinamicii, cu cât rezistența aripii unui avion este mai îngustă și mai lungă, cu atât este mai mică pentru aceeași zonă. De aceea vela (în esență aceeași aripă, dar așezată vertical) se încearcă să fie făcută înaltă și îngustă. Acest lucru permite, de asemenea, utilizarea unui vânt din amonte.
Dragul unei pânze depinde în mare măsură de starea muchiei sale de atac. Pânzele tuturor pânzelor trebuie să fie strânse pentru a preveni vibrațiile.
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 amploarea 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 pânzei (partea 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 consideră a fi centrul de greutate al suprafeței pânzelor atunci când acestea sunt plasate în planul central al iahtului. Acest punct se numește centrul velei (CP).
Să ne oprim pe cea mai simplă metodă grafică pentru determinarea poziției CPU (Fig. 98). Desenați vela iahtului pe scara dreaptă. Apoi, la intersecția medianelor - liniile care leagă vârfurile triunghiului cu punctele medii ale laturilor opuse - se găsește centrul fiecărei pânze. După ce 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 pe ele sunt așezate în direcții opuse în orice, dar la aceeași scară. , atâtea unități liniare câte metri pătrați în triunghi; din centrul pânzei mari se așează zona brațului, iar din centrul pânzei - zona brațului. 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 velei
După cum am spus deja, forța de deriva (o vom considera aplicată în centrul pânzei) este contracarată de forța de rezistență laterală a carenei iahtului. Forța de rezistență laterală este considerată a fi aplicată la centrul rezistenței laterale (CLS). Centrul de rezistență laterală este centrul de greutate al proiecției părții subacvatice a iahtului pe planul central.
Centrul de rezistență laterală poate fi găsit prin tăierea conturului părții subacvatice a iahtului din hârtie groasă și plasarea acestui model pe lama unui cuțit. Când modelul este echilibrat, împingeți-l ușor, apoi rotiți-l la 90 ° și contrabalansați-l din nou. Intersecția acestor linii ne oferă centrul rezistenței laterale.
Când barca navighează fără călcâi, CPU ar trebui să fie pe aceeași linie verticală cu CLS (figura 99). Dacă CP se află în fața CLS (Fig. 99, b), atunci forța de derivă, deplasată înainte față de forța de rezistență laterală, transformă prova navei în vânt - iahtul se rostogolește. Dacă CPU este în spatele CLS, iahtul se va întoarce cu prova în fața vântului sau va fi adus (Fig. 99, c).
Orez. 99. Centrarea iahtului
Aruncarea excesivă a vântului și, în special, rostogolirea (dezalinierea) sunt dăunătoare progresului iahtului, deoarece îl obligă pe cârmaci să lucreze tot timpul la cârmă pentru a menține dreptatea mișcării, iar acest lucru crește rezistența carenei. și încetinește viteza bărcii. În plus, nealinierea 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, dar, adică CPU și CLS vor fi pe aceeași verticală, apoi nava va fi condusă foarte puternic și va deveni foarte greu să o controlezi. 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 la fel).
În al doilea rând, și acesta este principalul lucru, când călcâiul, forța de împingere a pânzelor și forța de rezistență longitudinală a carenei se află în diferite planuri verticale (Fig. 100), se dovedește, parcă, o pârghie care obligă iahtul să fi condus. Cu cât călcâiul este mai mare, cu atât este mai mare înclinația bărcii de a fi condusă.
Pentru a elimina această distribuție, procesorul este plasat în fața CLS. Momentul forței de împingere și al forței longitudinale care apar odată cu rostogolirea, forțând iahtul să fie condus, este compensat de momentul de captare a forțelor de deriva și de tracțiune laterală în poziția frontală a CPU. Pentru o centrare bună, CPU trebuie să fie plasat în fața CLS la o distanță egală cu 10-18% din lungimea liniei de plutire a iahtului. Cu cât iahtul este mai puțin stabil și cu cât CPU este ridicat deasupra CLS, cu atât mai mult trebuie să fie mutat în prova.
Pentru ca iahtul să aibă un curs bun, acesta trebuie să fie centrat, adică CPU-ul și CLS-ul trebuie așezate într-o astfel de poziție în care nava pe cursul trasat lateral într-un vânt slab să fie complet echilibrată de pânze. , cu alte cuvinte, era stabil pe traseu cu cârma aruncată sau fixată în volan (permitea o ușoară tendință de deplasare la vânturi foarte slabe), iar la vânturi mai puternice avea tendința de a fi condus. Fiecare timonier trebuie să fie capabil să centreze corect iahtul. Pe majoritatea iahturilor, tendința de a zbura crește atunci când pânzele din spate sunt deplasate și cele din față sunt coborâte. Dacă pânzele din față sunt mutate și cele din spate sunt supragravate, nava se va deplasa. Odată cu o creștere a „burdei de oală” a pânzei mari, precum și a pânzelor prost în picioare, iahtul tinde să fie condus într-o măsură mai mare.
Orez. 100. Influența ruliului asupra aducerii iahtului în vânt
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, ci 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 toată suprafața 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 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 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.
Cursuri de vânt. Iahturile moderne și bărcile cu pânze în cele mai multe cazuri sunt echipate cu oblic pânze. Trăsătura lor distinctivă este că partea principală a velei sau toată ea este situată în spatele catargului sau a capului. Datorită faptului că marginea anterioară a pânzei este întinsă strâns de-a lungul catargului (sau singură), pânza curge în jur cu un curent de aer fără clătire atunci când este situată într-un unghi destul de ascuțit față de vânt. Datorită acestui fapt (și cu contururile carenei adecvate), nava dobândește capacitatea de a se deplasa la un unghi ascuțit față de direcția vântului.
În fig. 190 arată poziţia ambarcaţiunii cu pânze la diferite direcţii în raport cu vântul. O barcă cu pânze obișnuită nu poate merge direct împotriva vântului - vela în acest caz nu creează o forță de împingere capabilă să depășească rezistența apei și a aerului. Cele mai bune iahturi de curse cu vânturi medii pot naviga lateral la un unghi de 35-40 ° față de direcția vântului; de obicei, acest unghi nu este mai mic de 45 °. Prin urmare, la ținta situată direct împotriva vântului, barca cu pânze este forțată să ajungă viraj- alternativ tribord și babord. Se numește unghiul dintre cursul navei pe ambele viraje unghi de aderență, și poziția navei cu prova dreaptă în sensul vântului - leventic... Capacitatea navei de a manevra și de a se deplasa cu viteză maximă în direcția direct în sus este una dintre principalele calități ale unei ambarcațiuni cu pânze.
Cursurile de la vânt lateral abrupt la vânt din golf, când vântul suflă la 90 ° față de DP-ul navei, se numesc ascuțit; de la vânt din golf la vânt din față (vântul bate direct în spate) - complet... Distinge abrupt(curs relativ la vânt 90-135 °) și deplin(135-180 °) spate, precum și vânt lateral (respectiv 40-60 ° și 60-80 ° față de vânt).
Orez. 190. Cursul navei cu pânze în raport cu vânt.
1 - vânt lateral abrupt; 2 - plin din spatele vântului; 3 - vânt din golf; 4 - spatele spatelui; 5 - vântul înainte; 6 - leventică.
Vânt fanion. Fluxul de aer care curge în jurul pânzelor iahtului nu este în concordanță cu direcția vânt adevărat(referitor la teren). Dacă nava are un curs, atunci apare un contra-flux de aer, a cărui viteză este egală cu viteza navei. În prezența vântului, direcția acestuia față de navă din cauza fluxului de aer care se apropie este deviată într-un anumit fel; se modifică şi mărimea vitezei. Astfel, fluxul total, numit vânt de fanion... Direcția și viteza acestuia pot fi obținute prin adăugarea vectorilor vântului adevărat și ai curgerii care se apropie (Fig. 191).
Orez. 191. Vânt fanion la diferite direcții de iaht în raport cu vânt.
1 - dincolo de vânt; 2 - vânt din golf; 3 - spatele spatelui; 4 - vânt înainte.
v- viteza iahtului; vși - viteza vântului reală; v c este viteza aparentă a vântului.
Evident, pe cursul vântului dinainte, viteza aparentă a vântului are cea mai mare valoare, iar pe cursul vântului înainte - cea mai mică, deoarece în acest din urmă caz vitezele ambelor fluxuri sunt direcționate în direcții opuse.
Pânzele de pe un iaht sunt întotdeauna așezate în direcția vântului aparent. Rețineți că viteza iahtului nu crește direct proporțional cu viteza vântului, ci mult mai încet. Prin urmare, atunci când vântul crește, unghiul dintre direcția vântului adevărat și aparent scade, iar într-un vânt slab, viteza și direcția vântului aparent diferă mai vizibil de cea adevărată.
Întrucât forțele care acționează asupra pânzei ca și asupra aripii cresc proporțional cu pătratul vitezei curentului care curge, la bărcile cu pânze cu rezistență minimă la mișcare este posibil fenomenul de „autoaccelerare”, în care viteza lor depășește viteza vântului. Aceste tipuri de barci cu pânze includ iahturi de gheață - buers, hidrofoile, iahturi cu roți (pe plajă) și proa - nave înguste cu monococă, cu un flotor cu stabilizator. Unele dintre aceste tipuri de nave au înregistrat viteze de trei ori mai mari decât viteza vântului. Deci, recordul nostru național de viteză pe o gușă este de 140 km/h și a fost stabilit atunci când viteza vântului nu a depășit 50 km/h. Pe parcurs, observăm că recordul absolut de viteză la navigație pe apă este semnificativ mai mic: a fost stabilit în 1981 pe un catamaran cu doi catarge special construit „Crossbau-II” și este egal cu 67,3 km/h.
Navele cu pânze convenționale, dacă nu sunt proiectate pentru planare, rareori depășesc limita de viteză de deplasare de v = 5,6 √L km/h (vezi capitolul I).
Forțele care acționează asupra unei nave cu pânze. Există o diferență fundamentală între sistemul de forțe externe care acționează asupra unei nave cu vele și o navă condusă de un motor mecanic. Pe o navă cu motor, în partea subacvatică acționează împingerea elicei - o elice sau un tun cu apă - și forța de rezistență la apă la mișcarea acesteia, fiind situate în plan diametral și la o distanță verticală nesemnificativă una de cealaltă.
Pe o barcă cu pânze, forța motrice este aplicată sus deasupra suprafeței apei și, prin urmare, deasupra liniei de acțiune a forței de tracțiune. Dacă nava se mișcă într-un unghi față de direcția vântului - într-o direcție apropiată, atunci pânzele sale funcționează conform principiului unei aripi aerodinamice, discutat în capitolul II. Când aerul curge în jurul pânzei, se creează un vid pe partea sa sub vânt (convexă) și o presiune crescută pe partea din vânt. Suma acestor presiuni poate fi redusă la forța aerodinamică rezultată A(vezi fig. 192), îndreptat aproximativ perpendicular pe coarda profilului pânzei și aplicat la centrul pânzei (CW) deasupra suprafeței apei.
Orez. 192. Forțe care acționează asupra carenei și pânzei.
Conform celei de-a treia legi a mecanicii, cu o mișcare constantă a corpului în linie dreaptă, fiecare forță aplicată corpului (în acest caz, velelor conectate la carena iahtului prin catarg, tachelaj în picioare și foi) trebuie contracarată de o forță egală ca mărime și direcționată opus. Pe o barcă cu pânze, această forță este forța hidrodinamică rezultată H atașat la partea subacvatică a carenei (Fig. 192). Deci între forțe Ași H există o distanță cunoscută - un umăr, în urma căruia se formează un moment al unei perechi de forțe, având tendința de a roti nava față de o axă orientată într-un anumit mod în spațiu.
Pentru a simplifica fenomenele care apar în timpul deplasării navelor cu pânze, forțele hidro- și aerodinamice și momentele acestora sunt descompuse în componente paralele cu axele de coordonate principale. Ghidați de a treia lege a lui Newton, puteți scrie în perechi toate componentele acestor forțe și momente:
| A | - forta rezultanta aerodinamica; |
| T | - forța de împingere a pânzelor, care împinge nava înainte: |
| D | - forța de înclinare sau forța de deriva; |
| A v | - forta verticala (tunderea nasului); |
| P | - forța de masă (deplasare) a vasului; |
| M d | - momentul de tundere; |
| M cr | - moment de călcâie; |
| M P | - momentul care duce la vânt; |
| H | - forta rezultanta hidrodinamica; |
| R | - forța de rezistență la apă la mișcarea vasului; |
| R d | - forta laterala sau forta de rezistenta la deriva; |
| H v | - forta hidrodinamica verticala; |
| γ· V | - forta de flotabilitate; |
| M l | - momentul de rezistenta la trim; |
| M v | - momentul de restabilire; |
| M la | - un moment de suflare. |
Pentru ca nava să urmeze în mod constant cursul, fiecare pereche de forțe și fiecare pereche de momente trebuie să fie egale între ele. De exemplu, puterea derivei Dși forța de rezistență la derivă R d crea un moment de tăgăduire M cr, care trebuie echilibrat de momentul restaurator M la sau moment de stabilitate laterală. Acest moment se formează datorită acțiunii forțelor de masă P iar flotabilitatea vasului γ V acţionând asupra umărului l... Aceleași forțe formează un moment de rezistență la tăiere sau un moment de stabilitate longitudinală M l egală ca mărime și contracarând momentul de tăiere M Termenii acestuia din urmă sunt momentele perechilor de forțe T - Rși A v - H v .
Astfel, mișcarea unei nave cu pânze oblic către vânt este asociată cu călcâiul și așezarea, iar forța laterală D, pe lângă rostogolire, provoacă și deriva - deriva laterală, astfel încât orice navă cu vele nu se deplasează strict în direcția DP, ca o navă cu motor mecanic, ci cu un unghi mic de deriva β. Coca bărcii cu pânze, chila și cârma acesteia devin o hidroglisă, pe care fluxul de apă care se apropie curge la un unghi de atac egal cu unghiul de derivă. Această împrejurare determină formarea unei forțe de rezistență la deriva pe chila iahtului R d, care este o componentă a forței de ridicare.
Stabilitatea mișcării și centrarea unei nave cu vele. Datorită ruliului, forța de tragere a pânzelor Tși forța de rezistență R se dovedesc a acționa în diferite planuri verticale. Ele formează o pereche de forțe care propulsează nava în vânt - eliminând-o din cursul drept pe care îl urmează. Acest lucru este împiedicat de momentul celei de-a doua perechi de forțe - călcâiarea Dși forțele de rezistență la derivă R d, precum și o forță mică N pe cârmă, care trebuie aplicată pentru a corecta direcția iahtului.
Evident, reacția navei la acțiunea tuturor acestor forțe depinde atât de mărimea lor, cât și de raportul umerilor. Ași b asupra cărora acţionează. Odată cu creșterea ruliului, umărul perechii conducătoare b crește, de asemenea, și dimensiunea umărului perechii de rulmenți A depinde de poziția relativă centrul velei(CP - puncte de aplicare a forțelor aerodinamice rezultate asupra pânzelor) și centru de rezistenţă laterală(CLS - puncte de aplicare a forțelor hidrodinamice rezultate pe corpul iahtului).
Determinarea poziției exacte a acestor puncte este o sarcină destul de dificilă, mai ales când se consideră că aceasta se modifică în funcție de mulți factori: cursul navei în raport cu vânt, tăierea și setarea pânzelor, ruliu și trim al iahtului. , forma și profilul chilei și cârmei etc.
La proiectarea și reechiparea iahturilor, acestea operează cu CP și CLS condiționat, considerându-le situate în centrele de greutate ale figurilor plate, care reprezintă pânzele așezate în DP, și contururile părții subacvatice a DP cu chila. , aripioare și cârmă (Fig. 193). Centrul de greutate al unei pânze triunghiulare, de exemplu, este situat la intersecția a două mediane, iar centrul de greutate comun al două pânze este situat pe un segment de linie care conectează CPU-urile ambelor pânze și împarte acest segment în proporție inversă. spre zona lor. Dacă vela are o formă patruunghiulară, atunci aria sa este împărțită de diagonală în două triunghiuri și se obține CPU-ul ca centru comun al acestor triunghiuri.
Orez. 193. Determinarea centrului de navigație convențional al iahtului.
Poziția CLS poate fi determinată prin echilibrarea șablonului profilului subacvatic al DP, tăiat din carton subțire în vârful acului. Când șablonul este orizontal, acul va fi în punctul CLS condiționat. Cu toate acestea, această metodă este mai mult sau mai puțin aplicabilă pentru navele cu o suprafață mare a părții subacvatice a DP - pentru iahturile de tip tradițional cu o linie de chilă lungă, bărci de navă etc. Chila cu aripioare și cârma, de obicei instalat separat de chilă, joacă un drift. Centrele de presiune hidrodinamică de pe profilele lor pot fi găsite destul de precis. De exemplu, pentru profile cu o grosime relativă δ / b aproximativ 8% acest punct se află la o distanță de aproximativ 26% din coardă b de la marginea anterioară.
Cu toate acestea, carena iahtului are un anumit efect asupra curgerii chilei și cârmei, iar acest efect variază în funcție de ruliu, trim și viteza navei. În cele mai multe cazuri, pe cursuri ascuțite spre vânt, adevăratul CLS se deplasează înainte în raport cu centrul de presiune definit pentru chilă și cârmă ca și pentru profilele izolate. Din cauza incertitudinii în calculul poziției CPU și CLS, proiectanții, atunci când elaborează proiectul navelor cu pânze, au CPU la o anumită distanță. A- înainte - înaintea sistemului bancar central. Cantitatea de plumb este determinată statistic, prin comparație cu iahturi bine dovedite, care au contururi subacvatice, stabilitate și echipamente de navigație apropiate de proiect. Plumbul este de obicei stabilit ca un procent din lungimea navei la linia de plutire și este de 15-18% pentru o navă echipată cu un sloop Bermuda. L... Cu cât stabilitatea iahtului este mai scăzută, cu atât va primi mai mult toc sub influența vântului și cu atât mai mult este necesară avansarea procesorului în fața CLS-ului.
Ajustarea precisă a poziției relative a CPU și CLS este posibilă atunci când testați iahtul în mișcare. Dacă nava tinde să se scufunde în vânt, mai ales într-un vânt mediu și proaspăt, atunci acesta este un defect mare de centrare. Faptul este că chila deviază fluxul de apă care curge din ea mai aproape de DP-ul navei. Prin urmare, dacă cârma este dreaptă, atunci profilul său funcționează cu un unghi de atac vizibil mai mic decât chila. Dacă, pentru a compensa tendința iahtului de a se rostogoli, cârma trebuie deplasată spre vânt, atunci forța de ridicare generată pe ea se dovedește a fi direcționată spre partea sub vânt - în aceeași direcție cu forța de deriva. D pe pânze. În consecință, nava va avea o derivă crescută.
Tendința ușoară a iahtului este diferită. Cârma deplasată cu 3-4 ° pe partea sub vânt funcționează cu același unghi de atac sau puțin mai mare ca și chila și participă eficient la rezistența la derivă. Forța transversală H, care se ridică pe cârmă, determină o deplasare semnificativă a CLS generală spre pupă cu scăderea simultană a unghiului de deriva. Cu toate acestea, dacă pentru a menține iahtul pe un curs lateral, trebuie să mutați constant cârma spre partea sub vânt la un unghi mai mare de 2-3 °, este necesar să mutați CPU înainte sau să mutați CLS înapoi. , ceea ce este mai dificil.
Pe un iaht construit, CPU-ul poate fi deplasat înainte prin înclinarea catargului înainte, deplasându-l înainte (dacă designul treptei permite), scurtând vela mare de-a lungul velului, mărind aria velului principal. Pentru a muta CLS înapoi, trebuie să instalați o aripioară în fața cârmei sau să măriți dimensiunea penei cârmei.
Pentru a elimina tendința iahtului de a se rostogoli, este necesar să luați măsuri opuse: mutați CPU înapoi sau mutați CLS-ul înainte.
Rolul componentelor forței aerodinamice în crearea forței și a derivei. Teoria modernă a funcționării velei oblice se bazează pe prevederile aerodinamicii aripilor, ale căror elemente au fost discutate în capitolul II. Atunci când fluxul de aer din jurul unei pânze se stabilește la un unghi de atac α față de vântul aparent, se creează o forță aerodinamică asupra acesteia A, care poate fi reprezentat sub forma a două componente: lift Y perpendicular pe fluxul de aer (vânt aparent) și tragere X- proiecții de forță A pe direcția fluxului de aer. Aceste forțe sunt utilizate atunci când se iau în considerare caracteristicile pânzei și a întregului rig în general.
Forța simultan A poate fi reprezentat sub forma altor două componente: forţe de tracţiune T, îndreptată de-a lungul axei de mișcare a iahtului și perpendicular pe forța ei de deriva D... Amintiți-vă că direcția de mișcare a bărcii cu pânze (sau a traseului) diferă de cursul său prin valoarea unghiului de deriva β, cu toate acestea, în analize ulterioare, acest unghi poate fi neglijat.
Dacă este posibil să se mărească portanța pe vela la o valoare de Y 1, iar rezistența frontală rămâne neschimbată, apoi forțele Y 1 și X adăugate conform regulii de adunare vectorială formează o nouă forță aerodinamică A 1 (fig. 194, A). Având în vedere noile sale componente T 1 și D 1, se poate observa că în acest caz, odată cu creșterea forței de ridicare, cresc atât forța de împingere, cât și forța de deriva.
Orez. 194. Rolul liftului și tragerii în crearea forței motrice.
Cu o construcție similară, se poate asigura că odată cu creșterea rezistenței pe un curs lateral, forța de tracțiune scade, iar forța de derivă crește. Astfel, atunci când navighează în navigație apropiată, forța de ridicare a velei joacă un rol decisiv în crearea împingerii pânzelor; glisarea ar trebui să fie minimă.
Rețineți că pe cursul vântului din spate, vântul aparent are cea mai mare viteză; prin urmare, ambele componente ale forței aerodinamice Yși X sunt destul de mari.
Pe cursul Gulfwind (Fig. 194, b) forța de ridicare este forța de împingere, iar forța de rezistență este forța de deriva. Creșterea rezistenței pânzei nu afectează mărimea forței de tracțiune: crește doar forța de deriva. Cu toate acestea, deoarece viteza aparentă a vântului pe un vânt din golf este redusă în comparație cu un vânt lateral, deriva afectează performanța navei într-o măsură mai mică.
Pe cursul backstag (Fig. 194, v) vela funcționează la unghiuri mari de atac, la care portanța este semnificativ mai mică decât rezistența frontală. Dacă creșteți forța de rezistență, forța de forță și de deriva vor crește și ele. Odată cu creșterea forței de ridicare, forța crește, iar forța de derivă scade (Fig. 194, G). În consecință, pe un curs de ședere în spate, o creștere atât a portanței, cât și/sau a rezistenței mărește forța.
Cu direcția vântului înainte, unghiul de atac al pânzei este aproape de 90 °, astfel încât portanța pe pânză este zero, iar rezistența este îndreptată de-a lungul axei de mișcare a navei și este forța de împingere. Forța de deriva este zero. Prin urmare, pe un curs înaintea vântului, pentru a crește forța pânzelor, este de dorit să crească rezistența lor. Pe iahturile de curse, acest lucru se face prin stabilirea unor pânze suplimentare - un spinnaker și un blooper, care au o suprafață mare și sunt slab raționalizate. Rețineți că pe cursul vântului înainte, pânzele iahtului sunt afectate de un vânt aparent de viteză minimă, care determină forțe relativ moderate asupra pânzelor.
Rezistenta la deriva. După cum se arată mai sus, puterea derivei depinde de cursul bărcii în raport cu vânt. Când înotați într-un vânt lateral abrupt, este de aproximativ trei ori mai mare decât forța T deplasarea navei înainte; pe Gulfwind, ambele puteri sunt aproximativ egale; pe un spate abrupt, forța velei se dovedește a fi de 2-3 ori mai mare decât forța de deriva, iar pe un vânt curat, forța de deriva este absentă cu totul. În consecință, pentru ca o barcă cu pânze să se deplaseze cu succes înainte pe un curs din lateral remorcat spre golf (la un unghi de 40-90 ° față de vânt), trebuie să aibă suficientă rezistență la deriva laterală, mult mai mare decât rezistența la apă la mișcare. a iahtului de-a lungul cursului.
Funcția de a crea o forță de rezistență la derivă pe navele moderne cu pânze este îndeplinită în principal de chilele cu aripioare sau centrele și cârmele. Mecanica generării portanței pe o aripă cu profil simetric, care sunt chilele, bordurile de centru și cârmele, a fost discutată în Capitolul II (vezi pagina 67). Rețineți că amploarea unghiului de deriva al iahturilor moderne - unghiul de atac al profilului chilei sau al plăcii centrale - rareori depășește 5 °, prin urmare, atunci când proiectați o chilă sau o placă centrală, este necesar să alegeți dimensiunile optime, forma și crucea acesteia. profil secțional pentru a obține portanță maximă cu rezistență minimă și anume la unghiuri mici de atac.
Testele de profil aerodinamic simetric au arătat că profile aerodinamice mai groase (cu un raport mai mare al grosimii secțiunii t la coarda sa b) dau mai multa forta de ridicare decat cele subtiri. Cu toate acestea, la viteze mici, astfel de profile au o rezistență frontală mai mare. Rezultate optime pe iahturile cu vele pot fi obținute cu grosimea chilei t/b= 0,09 ÷ 0,12, deoarece forța de ridicare pe astfel de profile depinde puțin de viteza navei.
Grosimea maximă a profilului trebuie să fie între 30% și 40% coardă de la marginea anterioară a profilului chilei. Calitati bune le poseda si profilul NACA 664-0 cu o grosime maxima situata la o distanta de 50% din coarda fata de nas (Fig. 195).
Orez. 195. Chila profilată a iahtului.
| Distanța de la nas X, % b | ||||||
| 2,5 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| ordonate y, % b | ||||||
| NACA-66; 5 = 0,05 | 2,18 | 2,96 | 3,90 | 4,78 | 5,00 | 4,83 |
| 2,00 | 2,60 | 3,50 | 4,20 | 4,40 | 4,26 | |
| - | 3,40 | 5,23 | 8,72 | 10,74 | 11,85 | |
| Profil; grosimea relativă δ | Distanța de la nas X, % b | |||||
| 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
| ordonate y, % b | ||||||
| NACA-66; 5 = 0,05 | 4,41 | 3,80 | 3,05 | 2,19 | 1,21 | 0,11 |
| Profil pentru centre; 5 = 0,04 | 3,88 | 3,34 | 2,68 | 1,92 | 1,06 | 0,10 |
| Chila iahtului NACA 664-0; 5 = 0,12 | 12,00 | 10,94 | 8,35 | 4,99 | 2,59 | 0 |
Pentru livile de curse ușoare, capabile să ajungă în modul de planare și să dezvolte viteze mari, borduri și cârme cu profil mai subțire ( t/b= 0,044 ÷ 0,05) și alungire geometrică (raport de adâncire d la coarda din mijloc b miercuri) până la 4.
Alungirea chilelor iahturilor moderne cu chilă variază de la 1 la 3, cârmele - până la 4. Cel mai adesea, chila are forma unui trapez cu marginea anterioară înclinată, iar unghiul de înclinare are un anumit efect asupra mărimii de lifting and drag a chilei. Cu o alungire a chilei de aproximativ λ = 0,6, poate fi permisă o înclinare a muchiei anterioare de până la 50 °; la λ = 1 - aproximativ 20 °; pentru λ> 1,5, chila cu marginea anterioară verticală este optimă.
Suprafața totală a chilei și a cârmei pentru rezistența efectivă la derivă este de obicei egală cu 1/25 până la 1/17 din suprafața pânzelor principale.
Poetul rus Mihail Iurievici Lermontov a iubit mare iar în lucrările sale l-a pomenit adesea. A scris o poezie minunată despre albire naviga, care se repezi printre valurile în marea îndepărtată. Probabil că ești familiarizat cu poezia lui Lermontov, pentru că acestea sunt cele mai cunoscute versuri poetice despre navele cu pânze. Citindu-le, se poate imagina o mare furioasă și corăbii frumoase printre valurile ei. Vântul bate pânzele. Și, datorită forței vântului, corăbiile merg înainte. Dar cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului?
Pentru a răspunde la aceasta, mai întâi trebuie să înveți un cuvânt necunoscut. "tack".Halsom este direcția de mișcare a navei față de vânt. Tara poate fi stângaci când vântul bate din stânga sau dreptaci când vântul bate din dreapta. De asemenea, este important să cunoaștem cel de-al doilea sens al cuvântului „tack” - este o parte a căii sau, mai degrabă, segmentul său pe care îl trece o barca cu pânze când se mișcă. împotriva vântului... Tine minte?
Acum, pentru a înțelege cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului, să ne ocupăm de pânze. Ele vin în diferite forme și dimensiuni pe o barcă cu pânze - drept și oblic... Și fiecare își face treaba. Când bate vânt în contra, nava este condusă cu ajutorul unor pânze oblice care se întorc într-un sens sau altul.
În urma lor, nava se întoarce într-o direcție sau alta. Se întoarce și merge înainte. Marinarii numesc această mișcare - aderență variabilă... Esența sa constă în faptul că vântul apasă pe pânzele oblice și suflă ușor nava în lateral și înainte. Cârma bărcii cu pânze nu îi permite să se întoarcă complet, iar marinarii pricepuți au pus pânzele în mișcare în timp, schimbându-și poziția. Deci, în zig-zaguri mici, și se mișcă înainte.
Desigur, virarea variabilă este foarte dificilă pentru întregul echipaj de barca cu pânze. Dar marinarii sunt băieți experimentați. Nu le este frică de dificultăți și sunt foarte pasionați de mare.