Prečo môže plachetnica plávať proti vetru? Základné informácie z teórie plachiet Teraz sa pozrime na fungovanie plachty na jachte
Vetry, ktoré fúkajú na západ v južnom Pacifiku. Preto bola naša trasa navrhnutá tak, aby sa plachetnica „Juliet“ pohybovala z východu na západ, teda aby vietor fúkal do chrbta.
Keď sa však pozriete na našu trasu, všimnete si, že často sme sa napríklad pri presune z juhu na sever zo Samoy do Tokelau museli pohybovať kolmo na vietor. A niekedy sa smer vetra úplne zmenil a 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 z cyklu Zábavná fyzika. Tento článok tu citujem doslovne s obrázkami.
„Plavba proti vetru
Je ťažké si predstaviť, ako môžu plachetnice ísť „proti vetru“ – alebo, povedané slovami námorníkov, ísť „bočným vetrom“. Je pravda, že námorník vám povie, že pod plachtami nemôžete ísť priamo proti vetru, 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 plávať priamo proti vetru alebo pod uhlom 22 ° k nemu.
V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako k nemu môže ísť sila vetra pod miernym uhlom. Najprv zvážte, ako vietor pôsobí na plachtu vo všeobecnosti, teda kde tlačí plachtu, 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 vždy tlačí plachtu v pravom uhle k jej rovine.
Keďže vietor tlačí rovnomerne na celú plochu 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 k nej tlačí plachtu v pravom uhle.
Keď to vieme, ľahko pochopíme, ako môže plachetnica ísť pod ostrým uhlom smerom k vetru. Nech čiara KK predstavuje líniu kýlu 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. Sledujte rozklad síl na obrázku. Tlak vetra na plachtu predstavujeme silou Q, ktorá, ako vieme, musí byť kolmá na plachtu. Túto silu rozložíme na dve časti: sila R, kolmá na kýl, a sila S, smerujúca dopredu, pozdĺž línie kýlu plavidla. Keďže pohyb lode v smere R naráža na silný odpor vody (kýl na plachetniciach sa stáva veľmi hlbokým), sila R je takmer úplne vyvážená odporom vody. Existuje len jedna sila S, ktorá, ako vidíte, smeruje dopredu, a preto pohybuje loďou pod uhlom, akoby proti vetru. [Sila S môže byť najväčšia, keď rovina plachty zníži na polovicu uhol medzi kýlom a smerom vetra.]. Typicky sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa tento pohyb lode nazýva "prichytávanie" v užšom zmysle slova."
Uvažujme teraz o všetkých možných smeroch vetra vzhľadom na kurz lode.
Diagram kurzu lode vo vzťahu k vetru, to znamená uhol medzi smerom vetra a vektorom od kormy po provu (smer). 
Keď vietor fúka do tváre (leventik), plachty visia zo strany na stranu a s plachtou sa nedá pohnúť. Samozrejme, vždy môžete spustiť plachty a zapnúť motor, ale to nemá nič spoločné s plachtením.
Keď vietor fúka priamo do chrbta (predný vietor, zadný vietor), rozptýlené molekuly vzduchu vyvíjajú tlak na plachtu z jednej strany a loď sa pohybuje. V tomto prípade sa plavidlo môže pohybovať len pomalšie, ako je rýchlosť vetra. Funguje tu obdoba bicyklovania vo vetre – vietor fúka do chrbta a ľahšie sa šliape do pedálov.
Pri pohybe proti vetru (beydewind) sa plachta nepohybuje kvôli tlaku molekúl vzduchu na plachtu zozadu, ako v prípade predného vetra, ale kvôli vztlaku, ktorý vzniká v dôsledku rozdielnych rýchlostí vzduchu z oboch. strany pozdĺž plachty. Zároveň sa loď vďaka kýlu nepohybuje v smere kolmom na kurz lode, ale iba dopredu. To znamená, že plachta v tomto prípade nie je dáždnik, ako v prípade bočného záťahu, ale krídlo lietadla.
Počas našich prechodov sme išli hlavne backstay a gulfwinds priemernou rýchlosťou 7-8 uzlov s rýchlosťou vetra 15 uzlov. Niekedy sme išli proti vetru, Gulfwind a Beydewind. A keď vietor utíchol, zapli motor.
Vo všeobecnosti loď s plachtou idúcou proti vetru nie je zázrak, ale realita.
Najzaujímavejšie je, že člny môžu ísť nielen proti vetru, ale dokonca rýchlejšie ako vietor. Stáva sa to, keď sa loď vzďaľuje a vytvára „vlastný vietor“.
Rovnako dôležitý ako odpor trupu je ťah produkovaný plachtami. Aby sme získali jasnejšiu predstavu o tom, ako plachty fungujú, zoznámime sa so základnými pojmami teórie plachiet.
Už sme hovorili o hlavných silách pôsobiacich na plachty jachty, ktorá sa plaví so zadným vetrom (smer v predvetre) a s protivetrom (smer proti vetru). Zistili sme, že sila pôsobiaca na plachty sa dá rozložiť na silu, ktorá spôsobuje kotúľanie a unášanie jachty do vetra, silu unášania 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.
Pre vizualizáciu chodu plachty na ostrých kurzoch je vhodné najskôr 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 sa objavujú tlakové sily a na záveternej strane riediace sily. Ich výsledné R je zhruba kolmé na rovinu plachty. Pre správne pochopenie práce plachty je vhodné ju znázorniť vo forme výslednice dvoch zložiek síl: X-smerovaná rovnobežne s prúdením vzduchu (vietor) a Y-kolmá naň.
Sila X rovnobežná 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 pri rovnakom odpore plachty X (obr. 95) vztlak vzrastie napríklad na hodnotu Y1, potom, ako je znázornené na obrázku, sa výslednica vztlaku a odporu zmení o R a podľa toho sa ťah T sa zvýši na T1.
Takáto konštrukcia umožňuje ľahko overiť, že so zvýšením odporu X (pri rovnakej zdvíhacej sile) sa ťah T znižuje.
Existujú teda dva spôsoby, ako zvýšiť trakčnú silu a následne aj rýchlosť kurzu na ostrých kurzoch: zvýšenie zdvihu plachty a zníženie odporu plachty a jachty.
V modernej plavbe sa zdvíhacia sila plachty zvyšuje tým, že má konkávny tvar s určitým „paunch“ (obr. 96): veľkosť od sťažňa po najhlbšie miesto „brucho“ je zvyčajne 0,3-0,4 šírka plachty a hĺbka "bruška" -asi 6-10% šírky. Zdvíhacia sila takejto plachty je o 20-25% vyššia ako sila úplne plochej plachty s takmer rovnakým odporom. Pravda, jachta s plochými plachtami ide trochu strmšie k vetru. Pri „pot-bellied“ plachtách je však rýchlosť obratu väčšia vďaka väčšiemu ťahu.
Ryža. 96. Profil plachty
Všimnite si, že u plachiet s bruchom sa zvyšuje nielen ťah, ale aj sila driftu, čo znamená, že náklon a drift jácht s plachtami s bruchom je väčší ako u relatívne plochých plachiet. Preto je „hrbosť“ plachty pri silnom vetre viac ako 6 – 7 %, pretože zvýšenie náklonu a driftu vedie k výraznému zvýšeniu odolnosti trupu a zníženiu účinnosti plachiet, ktoré „zožierajú“ efekt zvyšovania ťahu. Pri slabom vetre plachty s "bruchom" 9-10% lepšie ťahajú, pretože náklon je malý kvôli nízkemu celkovému tlaku vetra na plachtu.
Akákoľvek plachta s uhlami nábehu väčšími ako 15 – 20 °, to znamená, keď jachta smeruje 40 – 50 ° k vetru a viac, vám umožňuje znížiť zdvíhaciu silu a zvýšiť odpor, pretože na lodi sa vytvárajú výrazné víry. záveterná strana. A keďže hlavnú časť vztlaku tvorí plynulé, bez vírov, prúdenie okolo záveternej strany plachty, deštrukcia týchto vírov by mala mať veľký efekt.
Víry vytvorené za hlavnou plachtou sa zničia nastavením kotviacej 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. Práca lodnej plachty
Profil mäkkej plachty je ťažké udržať konzistentný v rôznych uhloch nábehu. Predtým sa na člnoch prevliekali laty, ktoré prešli cez celú plachtu - robili sa tenšie v "bruchu" a hrubšie smerom k pijavici, kde je plachta oveľa plochejšia. V dnešnej dobe sa priechodné laty inštalujú hlavne na vpusty a katamarany, kde je obzvlášť dôležité zachovať profil a tuhosť plachty pri nízkych uhloch nábehu, keď už bežná plachta vesluje predný lem.
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.
Odpor plachty závisí od jej tvaru. Podľa zákonov aerodynamiky platí, že čím užší a dlhší je odpor krídla lietadla, tým menší je na rovnakú plochu. Preto sa plachta (v podstate to isté krídlo, ale vertikálne nastavená) snaží byť vysoká a úzka. To umožňuje aj využitie protiprúdneho vetra.
Odpor plachty do značnej miery závisí od stavu jej nábežnej hrany. Lemy všetkých plachiet by mali byť tesné, aby sa zabránilo vibráciám.
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 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; považuje sa to za ťažisko povrchu plachiet, keď sú umiestnené v stredovej rovine jachty. Tento bod sa nazýva stred plachty (CP).
Zastavme sa pri najjednoduchšej grafickej metóde určenia polohy CPU (obr. 98). Nakreslite plachtu jachty na pravej mierke. Potom sa v priesečníku prostredníc - čiar spájajúcich vrcholy trojuholníka so stredmi protiľahlých strán - nachádza 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, ktoré sú položené v opačných smeroch v ľubovoľnej, ale rovnakej mierke. , toľko lineárnych jednotiek, koľko metrov štvorcových v trojuholníku; od stredu hlavnej plachty položte oblasť ramena a od stredu ramena - oblasť hlavnej plachty. 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 plachty
Ako sme už povedali, driftová sila (budeme ju považovať za aplikovanú v strede plachty) pôsobí proti bočnej odporovej sile trupu jachty. Sila bočného odporu sa považuje za pôsobiacu v strede bočného odporu (CLS). Stredom bočného odporu je ťažisko priemetu podvodnej časti jachty na stredovú 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 naň zatlačte, potom ho otočte o 90° a znova vyvážte. Priesečník týchto čiar nám dáva stred bočného odporu.
Keď loď pláva bez náklonu, CPU by mal byť na rovnakej vertikálnej línii ako CLS (obrázok 99). Ak CP leží pred CLS (obr. 99, b), potom driftová sila, posunutá dopredu vzhľadom na bočnú odporovú silu, otočí provu plavidla do vetra - jachta sa odkotúľa. Ak je CPU za CLS, jachta sa otočí provou proti vetru alebo bude privedená (obr. 99, c).
Ryža. 99. Centrovanie jachty
Nadmerné nakláňanie sa vetrom a najmä odvaľovanie (nesprávnosť) škodí napredovaniu jachty, pretože núti kormidelníka neustále pracovať na kormidle, aby udržal rovnosť pohybu, a tým sa zvyšuje odolnosť trupu. a spomalí rýchlosť člna. Okrem toho nesúlad vedie k zhoršeniu ovládateľnosti av niektorých prípadoch k jej úplnej strate.
Ak jachtu vycentrujeme, ako je znázornené na obr. 99, ale to znamená, že CPU a CLS 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 rovnaké).
Po druhé, a to je hlavné, keď náklon, nápor plachiet a sila pozdĺžneho odporu trupu ležia v rôznych vertikálnych rovinách (obr. 100), ukáže sa akoby páka, ktorá núti jachtu byť riadený. Čím väčší je náklon, tým väčší je sklon člnu k jazde.
Na odstránenie tohto odliatku je CPU umiestnený pred CLS. Moment ťažnej sily a pozdĺžneho odporu vznikajúceho s valením, ktorý núti jachtu poháňať, je kompenzovaný momentom zachytávania síl driftu a bočného odporu v prednej polohe CPU. Pre dobré centrovanie musí byť CPU umiestnené pred CLS vo vzdialenosti rovnajúcej sa 10-18% dĺžky vodorysky jachty. Čím je jachta menej stabilná a čím vyššie je CPU zdvihnuté nad CLS, tým viac ju treba posunúť do provy.
Aby mala jachta dobrý kurz, musí byť vycentrovaná, to znamená, že CPU a CLS musia byť umiestnené v takej polohe, v ktorej bolo plavidlo na kurze s bočným ťahom v slabom vetre úplne vyvážené plachtami. , inými slovami, bol stabilný na kurze s vychýleným alebo zafixovaným kormidlom vo volante (umožňoval mierny sklon k odvaľovaniu pri veľmi slabom vetre) a v silnejšom vetre mal tendenciu k vedeniu. Každý kormidelník musí vedieť správne vycentrovať jachtu. Na väčšine jácht sa tendencia lietať zvyšuje, keď sa posunú zadné plachty a spustia sa predné plachty. Ak sú predné plachty posunuté a zadné plachty preleptané, loď sa odkotúľa. So zväčšujúcou sa „hrbkovitosťou“ hlavnej plachty, ako aj zle stojacich plachiet, býva jachta vo väčšej miere poháňaná.
Ryža. 100. Vplyv náklonu na naklonenie jachty proti vetru
Je ťažké si predstaviť, ako môžu plachetnice ísť „proti vetru“ – alebo, povedané slovami námorníkov, ísť „bočným vetrom“. Je pravda, že námorník vám povie, že pod plachtami nemôžete ísť priamo proti vetru, 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 plávať priamo proti vetru alebo pod uhlom 22 ° k nemu.
V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako k nemu môže ísť sila vetra pod miernym uhlom. Najprv zvážte, ako vietor pôsobí na plachtu vo všeobecnosti, teda kde tlačí plachtu, 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 označuje plachtu.
Vietor vždy tlačí plachtu v pravom uhle k jej rovine.
Keďže vietor tlačí rovnomerne na celú plochu plachty, nahrádzame tlak vetra silou R pôsobiacou na stred plachty. Túto silu rozložíme 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. Zostáva silný Q ktorý k nej tlačí plachtu v pravom uhle.
Keď to vieme, ľahko pochopíme, ako môže plachetnica ísť pod ostrým uhlom smerom k vetru. Nechajte linku QC znázorňuje kýlovú líniu plavidla.
Ako sa dá plaviť proti vetru.
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. Sledujte rozklad síl na obrázku. Tlak vetra na plachtu predstavujeme silou Q o ktorej vieme, že musí byť kolmá na plachtu. Túto silu rozložíme na dve časti: silu R kolmo na kýl, a sila S dopredu pozdĺž línie kýlu plavidla. Od pohybu plavidla v smere R spĺňa silnú odolnosť voči vode (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 je najväčšia, keď rovina plachty znižuje na polovicu uhol medzi kýlom a smerom vetra.]. Typicky sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa tento pohyb lode nazýva „napichovanie“ v užšom zmysle slova.
Veterné kurzy. Moderné jachty a plachetnice sú vo väčšine prípadov vybavené šikmé plachty. Ich charakteristickým znakom je, že hlavná časť plachty alebo celá je umiestnená za sťažňom alebo vreteníkom. Pretože nábežná hrana plachty je tesne natiahnutá pozdĺž sťažňa (alebo sama o sebe), plachta lieta okolo bez splachovania, keď je umiestnená v dosť ostrom uhle voči vetru. Vďaka tomu (a s vhodnými obrysmi trupu) plavidlo získava schopnosť pohybovať sa v ostrom uhle voči smeru vetra.
Na obr. 190 znázorňuje polohu plachetnice pri rôznych smeroch vzhľadom na vietor. Bežná plachetnica nemôže ísť priamo proti vetru – plachta v tomto prípade nevytvára ťahovú silu schopnú prekonať odpor vody a vzduchu. Najlepšie pretekárske jachty pri priemernom vetre môžu plachtiť s bočným vetrom pod uhlom 35-40° k smeru vetra; zvyčajne tento uhol nie je menší ako 45 °. Preto je plachetnica nútená dostať sa k cieľu umiestnenému priamo proti vetru prichytávanie- striedavo na pravoboku a ľavoboku. Uhol medzi kurzom lode na oboch vetroch sa nazýva uhol prichytenia a polohu lode s provou priamo proti vetru - leventický... Schopnosť plavidla manévrovať a pohybovať sa maximálnou rýchlosťou v smere priamo proti vetru je jednou z hlavných vlastností plachetnice.
Kurzy od prudkého bočného vetra po zálivový vietor, keď vietor fúka s uhlom 90 ° k DP lode, sa nazývajú ostrý; od zálivového vetra k prednému (vietor fúka priamo dozadu) - kompletný... Rozlišovať strmé(kurz vzhľadom na vietor 90-135 °) a plný(135-180°) zadné vzpery, ako aj bočný vietor (respektíve 40-60° a 60-80° proti vetru).
Ryža. 190. Kurz plachetnice vzhľadom na vietor.
1 - strmý bočný vietor; 2 - plný beydewind; 3 - morský vietor; 4 - backstay; 5 - predklon; 6 - leventický.
Vlajkový vietor. Prúd vzduchu, ktorý prúdi okolo plachiet jachty, nie je v súlade so smerom skutočný vietor(čo sa týka pozemku). Ak má loď kurz, objaví sa protiprúd vzduchu, ktorého rýchlosť sa rovná rýchlosti lode. V prítomnosti vetra je jeho smer vzhľadom na plavidlo v dôsledku prichádzajúceho prúdu vzduchu určitým spôsobom vychýlený; mení sa aj veľkosť rýchlosti. Teda celkový prietok, tzv vlajkový vietor... Jeho smer a rýchlosť možno získať sčítaním vektorov skutočného vetra a prichádzajúceho prúdenia (obr. 191).
Ryža. 191. Vlajkový vietor pri rôznych smeroch jacht vo vzťahu k vetru.
1 - beydewind; 2 - morský vietor; 3 - backstay; 4 - predklon.
v- rýchlosť jachty; v a - skutočná rýchlosť vetra; v c je zdanlivá rýchlosť vetra.
Je zrejmé, že na smere proti vetru má zdanlivá rýchlosť vetra najvyššiu hodnotu a na kurze pred vetrom najnižšiu, pretože v druhom prípade sú rýchlosti oboch prúdov smerované opačnými smermi.
Plachty na jachte sú vždy nastavené v smere zdanlivého vetra. Všimnite si, že rýchlosť jachty nerastie priamo úmerne s rýchlosťou vetra, ale oveľa pomalšie. Preto, keď sa vietor zväčšuje, uhol medzi smerom pravého a zdanlivého vetra sa zmenšuje a pri slabom vetre sa rýchlosť a smer zdanlivého vetra citeľnejšie líši od skutočného.
Keďže sily pôsobiace na plachtu ako na krídlo sa zvyšujú úmerne s druhou mocninou rýchlosti prúdiaceho prúdu, plachetnice s minimálnym odporom proti pohybu môžu mať jav „samo-zrýchľovania“, pri ktorom ich rýchlosť prevyšuje rýchlosť vetra. Medzi tieto typy plachetníc patria ľadové jachty - buery, krídlové, kolesové (plážové) jachty a proa - úzke jednotrupové plavidlá s plavákom na výložníku. Niektoré z týchto typov plavidiel zaznamenali rýchlosť trojnásobku rýchlosti vetra. Náš národný rýchlostný rekord na prešľape je teda 140 km/h a bol stanovený, keď rýchlosť vetra nepresiahla 50 km/h. Mimochodom, poznamenávame, že absolútny rýchlostný rekord pod plachtami na vode je výrazne nižší: bol stanovený v roku 1981 na špeciálne postavenom dvojsťažňovom katamaráne „Crossbau-II“ a rovná sa 67,3 km/h.
Bežné plachetnice, ak nie sú určené na hobľovanie, zriedka prekročia limit rýchlosti výtlaku v = 5,6 √L km/h (pozri kapitolu I).
Sily pôsobiace na plachetnicu. Medzi sústavou vonkajších síl pôsobiacich na plachetnicu a plavidlom poháňaným mechanickým motorom je zásadný rozdiel. Na motorovej lodi pôsobí ťah vrtule - vrtule alebo vodného dela - a sila odporu vody voči jej pohybu v podvodnej časti, ktorá je umiestnená v diametrálnej rovine a v malej vertikálnej vzdialenosti od seba.
Na plachetnici je hnacia sila aplikovaná vysoko nad hladinou vody, a teda nad líniou pôsobenia sily odporu. Ak sa loď pohybuje pod uhlom k smeru vetra - v blízkom smere, potom jej plachty fungujú podľa princípu aerodynamického krídla, o ktorom sa hovorí v kapitole II. Pri prúdení vzduchu okolo plachty vzniká na jej záveternej (konvexnej) strane podtlak a na náveternej strane zvýšený tlak. Súčet týchto tlakov sa dá zredukovať na výslednú aerodynamickú silu A(pozri obr. 192), nasmerovaný približne kolmo na tetivu profilu plachty a aplikovaný v strede plachty (CW) vysoko nad vodnou hladinou.
Ryža. 192. Sily pôsobiace na trup a plachty.
Podľa tretieho zákona mechaniky, pri rovnomernom pohybe tela v priamke, každá sila pôsobiaca na telo (v tomto prípade na plachty spojené s trupom jachty cez sťažeň, stojacu takeláž a plachty) musí pôsobiť proti rovnako veľkej a opačne smerujúcej sile. Na plachetnici je táto sila výslednou hydrodynamickou silou H pripevnený k podvodnej časti trupu (obr. 192). Takže medzi silami A a H existuje známa vzdialenosť - rameno, v dôsledku čoho sa vytvára moment dvojice síl, ktoré majú tendenciu otáčať loď vzhľadom na os orientovanú určitým spôsobom v priestore.
Pre zjednodušenie javov, ktoré vznikajú pri pohybe plachetníc, sa hydro- a aerodynamické sily a ich momenty rozkladajú na zložky rovnobežné s hlavnými súradnicovými osami. Podľa tretieho Newtonovho zákona môžete zapísať do párov všetky zložky týchto síl a momentov:
| A | - aerodynamická výsledná sila; |
| T | - prítlačná sila plachiet, ktorá poháňa loď dopredu: |
| D | - sila náklonu alebo driftová sila; |
| A v | - vertikálna sila (orezávanie nosa); |
| P | - sila hmotnosti (výtlak) plavidla; |
| M d | - moment orezania; |
| M cr | - moment náklonu; |
| M P | - okamih vedúci k vetru; |
| H | - hydrodynamická výsledná sila; |
| R | - sila odporu vody voči pohybu plavidla; |
| R d | - bočná sila alebo sila odporu voči driftu; |
| H v | - vertikálna hydrodynamická sila; |
| γ· V | - vztlaková sila; |
| M l | - moment odporu voči orezaniu; |
| M v | - moment obnovenia; |
| M pri | - fúkaci moment. |
Aby loď stabilne sledovala kurz, každá dvojica síl a každá dvojica momentov sa musia navzájom rovnať. Napríklad sila driftu D a sila odporu voči driftu R d vytvoriť podvratný moment M cr, ktorý musí byť vyvážený momentom obnovenia M v alebo momente bočnej stability. Tento moment vzniká v dôsledku pôsobenia síl hmoty P a vztlak plavidla γ V pôsobiace na rameno l... Rovnaké sily tvoria moment odporu voči trimu alebo moment pozdĺžnej stability M l rovnakej veľkosti a pôsobí proti vyvažovaciemu momentu M Podmienky posledného sú momenty párov síl T - R a A v - H v .
Pohyb plachetnice šikmo k vetru je teda spojený s náklonom a vyvážením a bočnou silou D, okrem rolovania spôsobuje aj drift - bočný drift, takže žiadna plachetnica sa nepohybuje striktne v smere DP, ako plavidlo s mechanickým motorom, ale s malým uhlom driftu β. Trup plachetnice, jej kýl a kormidlo sa stávajú krídlom, na ktorom prúdi prichádzajúci prúd vody pod uhlom nábehu, ktorý sa rovná uhlu znášania. Je to táto okolnosť, ktorá určuje vytvorenie sily odporu driftu na kýle jachty R d, ktorá je zložkou vztlakovej sily.
Stabilita pohybu a centrovanie plachetnice. V dôsledku rolovania, ťažnej sily plachiet T a sila odporu R ukázalo sa, že pôsobí v rôznych vertikálnych rovinách. Tvoria dvojicu síl, ktoré poháňajú loď proti vetru - zrážajú ju z priameho kurzu, po ktorom kráča. Tomu bráni moment druhého páru síl – náklon D a sily odporu voči driftu R d, ako aj malá sila N na kormidle, ktoré sa musí použiť, aby sa korigovalo smerovanie jachty.
Je zrejmé, že reakcia lode na pôsobenie všetkých týchto síl závisí od ich veľkosti a od pomeru ramien. a a b na ktorých pôsobia. S pribúdajúcim kotúľom rameno vedúcej dvojice b tiež zvyšuje, a veľkosť ramena ložiskového páru a závisí od relatívnej polohy stred plachty(CP - body pôsobenia výsledných aerodynamických síl na plachty) a stred bočného odporu(CLS - body pôsobenia výsledných hydrodynamických síl na trup jachty).
Určenie presnej polohy týchto bodov je pomerne náročná úloha, najmä ak vezmete do úvahy, že sa mení v závislosti od mnohých faktorov: kurz plavidla vo vzťahu k vetru, strih a nastavenie plachiet, naklonenie a trim jachty. , tvar a profil kýlu a kormidla atď.
Pri navrhovaní a prestavovaní jácht pracujú s podmienenými CP a CLS, pričom sa berú do úvahy ich umiestnenie v ťažiskách plochých figúrok, ktoré predstavujú plachty nasadené v DP, a obrysy podvodnej časti RP s kýlom. , plutvy a kormidlo (obr. 193). Napríklad ťažisko trojuholníkovej plachty sa nachádza v priesečníku dvoch stredových plachiet a spoločné ťažisko dvoch plachiet sa nachádza na segmente priamky spájajúcej stred oboch plachiet a rozdeľuje ho. segment v nepriamom pomere k ich ploche. Ak má plachta štvoruholníkový tvar, potom sa jej plocha rozdelí uhlopriečkou na dva trojuholníky a ako spoločný stred týchto trojuholníkov sa získa CPU.
Ryža. 193. Určenie konvenčného centra plavby jachty.
Polohu CLS je možné určiť vyvážením šablóny podvodného profilu DP, vyrezanej z tenkého kartónu v mieste ihly. Keď je šablóna vodorovná, ihla bude v bode podmieneného CLS. Tento spôsob je však viac-menej použiteľný pre plavidlá s veľkou plochou podvodnej časti RP - pre jachty tradičného typu s dlhým kýlom, lodné člny a pod. inštalovaný oddelene od kýlu, hrať drift. Stredy hydrodynamických tlakov na ich profiloch možno nájsť pomerne presne. Napríklad pre profily s relatívnou hrúbkou δ / b asi 8% tento bod je vo vzdialenosti asi 26% tetivy b od predného okraja.
Trup jachty má však určitý vplyv na tok kýlu a kormidla a tento účinok sa mení v závislosti od náklonu, sklonu a rýchlosti plavidla. Vo väčšine prípadov, na ostrých kurzoch proti vetru, sa skutočný CLS pohybuje dopredu vzhľadom na stred tlaku definovaný pre kýl a kormidlo ako pre izolované profily. Kvôli neistote pri výpočte polohy CPU a CLS majú konštruktéri pri vývoji projektu plachetníc CPU v určitej vzdialenosti a- dopredu - pred centrálnym bankovým systémom. Množstvo olova sa určuje štatisticky z porovnania s osvedčenými jachtami, ktoré majú podvodné obrysy, stabilitu a plavebnú výbavu blízko projektu. Náskok sa zvyčajne stanovuje ako percento dĺžky plavidla pri vodoryske a je 15 – 18 % pre plavidlo vybavené bermudskou šalupou. L... Čím nižšia je stabilita jachty, tým väčší podpätok dostane pod vplyvom vetra a tým viac je potrebné pred CLS predsunúť CPU.
Pri testovaní jachty v pohybe je možné presné nastavenie relatívnej polohy CPU a CLS. Ak má plavidlo tendenciu klesať do vetra, najmä pri strednom a čerstvom vetre, ide o veľkú poruchu centrovania. Kýl totiž odkláňa prúd vody z neho vytekajúcej bližšie k DP lode. Ak je teda kormidlo rovné, tak jeho profil pracuje s citeľne menším uhlom nábehu ako kýl. Ak sa na kompenzáciu sklonu jachty odvaľovať sa musí kormidlo posunúť proti vetru, potom sa ukáže, že zdvíhacia sila, ktorá na ňom vzniká, smeruje do závetria - v rovnakom smere ako sila driftu. D na plachtách. V dôsledku toho bude mať plavidlo zvýšený drift.
Ľahká tendencia jachty je iná. Kormidlo posunuté o 3-4° do závetria pracuje s rovnakým alebo mierne vyšším uhlom nábehu ako kýl a efektívne sa podieľa na odolnosti proti driftu. Priečna sila H, vznikajúce na kormidle, spôsobuje výrazné posunutie všeobecného CLS k korme so súčasným poklesom uhla driftu. Ak však pre udržanie jachty na kurze s bočným ťahaním musíte neustále posúvať kormidlo na záveternú stranu pod uhlom väčším ako 2-3°, je potrebné posunúť CPU dopredu alebo posunúť CLS dozadu. , čo je ťažšie.
Na postavenej jachte je možné CPU posunúť dopredu naklonením sťažňa dopredu, posunutím dopredu (ak to konštrukcia schodíka umožňuje), skrátením hlavnej plachty pozdĺž predného lemu a zväčšením plochy hlavnej plachty. Ak chcete posunúť CLS späť, musíte nainštalovať plutvu pred kormidlo alebo zväčšiť veľkosť kormidla.
Aby sa eliminovala tendencia jachty odvaľovať sa, je potrebné urobiť opačné opatrenia: posunúť CPU dozadu alebo posunúť CLS dopredu.
Úloha zložiek aerodynamickej sily pri vytváraní ťahu a driftu. Moderná teória prevádzky šikmej plachty je založená na ustanoveniach aerodynamiky krídel, ktorých prvky boli diskutované v kapitole II. Keď sa prúd vzduchu okolo plachty nastaví pod uhlom nábehu α k zdanlivému vetru, vytvorí sa na nej aerodynamická sila A, ktorý môže byť reprezentovaný vo forme dvoch komponentov: výťah Y kolmo na prúdenie vzduchu (zdanlivý vietor) a ťah X- projekcie sily A na smere prúdenia vzduchu. Tieto sily sa používajú pri zvažovaní vlastností plachty a celého náväzca vo všeobecnosti.
Súčasne sila A môžu byť reprezentované vo forme dvoch ďalších zložiek: trakčných síl T, nasmerovaný pozdĺž osi pohybu jachty a kolmo na jej driftovú silu D... Pripomeňme, že smer pohybu plachetnice (alebo dráhy) sa líši od jej priebehu o hodnotu uhla driftu β, avšak pri ďalšom rozbore možno tento uhol zanedbať.
Ak je možné zvýšiť vztlak na plachte na hodnotu Y 1, a čelný odpor zostáva nezmenený, potom sily Y 1 a X pridané podľa pravidla sčítania vektorov tvoria novú aerodynamickú silu A 1 (obr. 194, a). Vzhľadom na jeho nové komponenty T 1 a D 1 je možné vidieť, že v tomto prípade so zvýšením zdvíhacej sily narastá ako prítlačná sila, tak aj driftová sila.
Ryža. 194. Úloha zdvihu a ťahu pri vytváraní hnacej sily.
S podobnou konštrukciou je možné zabezpečiť, že so zvýšením odporu na trati s bočným ťahom klesá ťažná sila a zvyšuje sa driftová sila. Takže pri plavbe v plachtení na blízko hrá zdvíhacia sila plachty rozhodujúcu úlohu pri vytváraní ťahu plachiet; ťah by mal byť minimálny.
Všimnite si, že na kurze beydewind má zdanlivý vietor najvyššiu rýchlosť, teda obe zložky aerodynamickej sily Y a X sú dosť veľké.
Na kurze Gulfwind (obr. 194, b) zdvíhacia sila je ťažná sila a odpor je driftová sila. Zvýšenie odporu plachty neovplyvňuje veľkosť ťažnej sily: zvyšuje sa iba driftová sila. Keďže však zdanlivá rýchlosť vetra pri zálivovom vetre je v porovnaní s bočným vetrom znížená, drift ovplyvňuje výkon lode v menšej miere.
Na kurze backstag (obr. 194, v) plachta funguje pri vysokých uhloch nábehu, pri ktorých je vztlak podstatne menší ako čelný odpor. Ak zvýšite odpor, zvýši sa aj ťah a sila driftu. So zvyšujúcou sa zdvíhacou silou sa zvyšuje ťah a driftová sila klesá (obr. 194, G). V dôsledku toho na dráhe vzpery zvýšenie zdvihu a/alebo odporu zvyšuje ťah.
Pri smere pred vetrom sa uhol nábehu plachty blíži k 90 °, takže vztlak plachty je nulový a odpor smeruje pozdĺž osi pohybu plavidla a predstavuje ťažnú silu. Sila driftu je nulová. Preto na kurze pred vetrom, aby sa zvýšil ťah plachiet, je žiaduce zvýšiť ich odpor. Na pretekárskych jachtách sa to robí nastavením dodatočných plachiet - spinaker a blooper, ktoré majú veľkú plochu a sú zle aerodynamické. Všimnite si, že na kurze pred vetrom sú plachty jachty ovplyvnené zdanlivým vetrom minimálnej rýchlosti, ktorý určuje relatívne mierne sily na plachty.
Odolnosť voči úletu. Ako je uvedené vyššie, sila driftu závisí od kurzu lode vzhľadom na vietor. Pri plávaní v strmom bočnom vetre je to asi trojnásobok ťahu T pohyb lode vpred; na Gulfwinde sú obe mocnosti približne rovnaké; na strmej zadnej vzpere je ťah plachty 2-3 krát väčší ako sila driftu a na čistom predvetre nie je sila driftu vôbec žiadna. Preto, aby sa plachetnica úspešne pohybovala vpred na kurze zo strany ťahanej proti vetru (pod uhlom 40-90° voči vetru), musí mať dostatočný bočný odpor proti driftu, oveľa vyšší ako odpor vody. na pohyb jachty pozdĺž kurzu.
Funkciu vytvárania sily odporu voči driftu na moderných plachetniciach plnia najmä kýly plutiev alebo stredové dosky a kormidlá. O mechanike generovania vztlaku na krídle so symetrickým profilom, čo sú kýly, stredové dosky a kormidlá, sa hovorilo v kapitole II (pozri str. 67). Všimnite si, že veľkosť uhla driftu moderných jácht - uhol nábehu profilu kýlu alebo stredovej dosky - zriedka presahuje 5 °, preto je pri navrhovaní kýlu alebo stredovej dosky potrebné zvoliť jej optimálne rozmery, tvar a priečny rez. prierezový profil, aby sa dosiahol maximálny zdvih s minimálnym odporom, a to pri nízkych uhloch nábehu.
Testy symetrických aerodynamických profilov lietadla ukázali, že hrubšie profily (s väčším pomerom hrúbky prierezu t na jeho akord b) poskytujú väčšiu zdvíhaciu silu ako tenké. Pri nízkych rýchlostiach však majú takéto profily vyšší čelný odpor. Optimálne výsledky na plachetniciach možno dosiahnuť s hrúbkou kýlu t/b= 0,09 ÷ 0,12, pretože zdvíhacia sila na takýchto profiloch málo závisí od rýchlosti lode.
Maximálna hrúbka profilu by mala byť medzi 30 % a 40 % tetivy od prednej hrany kýlového profilu. Dobré vlastnosti má aj profil NACA 664-0 s maximálnou hrúbkou umiestnenou vo vzdialenosti 50 % tetivy od nosa (obr. 195).
Ryža. 195. Profilovaný kýl plutvy jachty.
| Vzdialenosť od nosa X, % b | ||||||
| 2,5 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| Ordináty r, % 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; relatívna hrúbka δ | Vzdialenosť od nosa X, % b | |||||
| 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
| Ordináty r, % b | ||||||
| NACA-66; 5 = 0,05 | 4,41 | 3,80 | 3,05 | 2,19 | 1,21 | 0,11 |
| Profil pre stredové dosky; 5 = 0,04 | 3,88 | 3,34 | 2,68 | 1,92 | 1,06 | 0,10 |
| Kýl jachty NACA 664-0; 5 = 0,12 | 12,00 | 10,94 | 8,35 | 4,99 | 2,59 | 0 |
Pre ľahké pretekárske člny schopné dosiahnuť hobľovací režim a vyvinúť vysoké rýchlosti, stredové dosky a kormidlá s tenším profilom ( t/b= 0,044 ÷ 0,05) a geometrické predĺženie (pomer prehĺbenia d na stredný akord b Streda) do 4.
Predĺženie kýlov moderných kýlových jácht sa pohybuje od 1 do 3, kormidla - až 4. Najčastejšie má kýl tvar lichobežníka so sklonenou prednou hranou a uhol sklonu má určitý vplyv na veľkosť zdvih a ťah kýlu. Pri predĺžení kýlu asi λ = 0,6 je možné povoliť sklon nábežnej hrany až o 50°; pri A = 1 - asi 20°; pre λ> 1,5 je optimálny kýl so zvislou nábežnou hranou.
Celková plocha kýlu a kormidla pre účinnú odolnosť voči driftu sa zvyčajne rovná 1/25 až 1/17 plochy hlavných plachiet.
Ruský básnik Michail Jurijevič Lermontov miloval more a vo svojich dielach ho často spomínal. O bielení napísal úžasnú báseň plachtiť, ktorý sa rúti medzi vlnami v ďalekom mori. Lermontovovu báseň zrejme poznáte, pretože toto sú najznámejšie poetické črty o plachetniciach. Pri ich čítaní si možno predstaviť rozbúrené more a nádherné lode medzi jeho vlnami. Vietor rozfúka plachty. A vďaka sile vetra sa lode pohybujú vpred. Ako však zvládajú plachetnice plávať proti vetru?
Aby ste na to mohli odpovedať, musíte sa najprv naučiť neznáme slovo. "pripnúť".Halsom je smer pohybu plavidla vzhľadom na vietor. Pripináčik môže byť ľavotočivý, keď vietor fúka zľava, alebo pravotočivý, keď vietor fúka sprava. Je tiež dôležité poznať druhý význam slova "cvaknutie" - je to časť cesty, alebo skôr jej segmentu, ktorým plachetnica prechádza, keď sa pohybuje. proti vetru... Pamätáte si?
Teraz, aby sme pochopili, ako dokážu plachetnice plávať proti vetru, poďme sa zaoberať plachtami. Prichádzajú v rôznych tvaroch a veľkostiach na plachetnici - rovné a šikmé... A každý si robí svoju prácu. Keď fúka protivietor, loď je riadená pomocou šikmých plachiet, ktoré sa otáčajú na jednu alebo druhú stranu.
Po nich sa loď otáča jedným alebo druhým smerom. Otočí sa a kráča vpred. Námorníci nazývajú toto hnutie - variabilná priľnavosť... Jeho podstata spočíva v tom, že vietor tlačí na šikmé plachty a odfukuje loď mierne do strán a dopredu. Kormidlo plachetnice jej nedovolí úplne sa otočiť a zruční námorníci včas uvedú plachty do pohybu a menia svoju polohu. Takže, v malých cikcakoch, a pohybuje sa vpred.
Samozrejme, variabilné naklonenie je veľmi náročné pre celú posádku plachetnice. Ale námorníci sú ostrieľaní chlapi. Neboja sa ťažkostí a majú veľmi radi more.