Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.
Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.
Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).
Направления относительно ветра.
На ветре
значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром
— с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным
, левый борт — подветренным
соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.
Курсы относительно ветра.
Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.
Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.
Маневры относительно ветра.
Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится
. Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается
.
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг
и фордевинд
.
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.
Работа паруса при яхтинге.
Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.
Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.
Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.
Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.
Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.
Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.
Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.
Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.
Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.
Продвижение против ветра. Лавировка.
Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.
Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.
Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.
Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.
Работа паруса на других курсах относительно ветра
Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.
При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.
Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.
Не менее важное значение, чем сопротивление корпуса, имеет сила тяги, развиваемая парусами. Чтобы яснее представить себе работу парусов, познакомимся с основными понятиями теории паруса.
Мы уже говорили об основных силах, действующих на паруса яхты, идущей с попутным (курсом фордевинд) и со встречным ветром (курсом бейдевинд). Выяснили, что сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер,-силу дрейфа и силу тяги (см. рис. 2 и 3).
Теперь посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса я от чего зависят силы тяги и дрейфа.
Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус (рис. 94), который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.
Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.
Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Именно она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.
Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х (рис. 95) подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.
Подобное построение позволяет легко убедиться, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.
Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.
В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью» (рис. 96): размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге.
Рис. 96. Профиль паруса
Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.
Любой парус при углах атаки больше 15-20°, то есть при курсах яхты 40-50° к ветру и больше, позволяет уменьшить подъемную силу и увеличить лобовое сопротивление, поскольку на подветренной стороне образуются значительные завихрения. А так как основную часть подъемной силы создает плавное, без завихрений, обтекание подветренной стороны паруса, то уничтожение этих завихрений должно дать большой эффект.
Уничтожают завихрения, образующиеся за гротом, постановкой стакселя (рис. 97). Поток воздуха, попадающий в щель между гротом и стакселем, увеличивает свою скорость (так называемый эффект сопла) и при правильной регулировке стакселя «слизывает» вихри с грота.
Рис. 97. Работа стакселя
Профиль мягкого паруса трудно сохранить неизменным при различных углах атаки. Раньше на швертботах ставили сквозные латы, проходящие через весь парус, - их делали более тонкими в пределах «пуза» и более толстыми к задней шкаторине, где парус гораздо площе. Сейчас сквозные латы ставят главным образом на буерах и катамаранах, где особенно важно сохранить профиль и жесткость паруса при малых углах атаки, когда обычный парус уже полощет по передней шкаторине.
Если источником подъемной силы является только парус, то лобовое сопротивление создает все, что оказывается в потоке воздуха, обтекающем яхту. Поэтому улучшение тяговых свойств паруса может быть достигнуто также и за счет снижения лобового сопротивления корпуса яхты, рангоута, такелажа и экипажа. Для этой цели используют различного рода обтекатели на рангоуте и такелаже.
Величина лобового сопротивления паруса зависит от его очертаний. По законам аэродинамики лобовое сопротивление крыла самолета тем меньше, чем оно уже и длиннее при той же площади. Вот почему парус (по существу то же крыло, но поставленное вертикально) стараются делать высоким и узким. Это позволяет также использовать верховой ветер.
Лобовое сопротивление паруса в очень большой степени зависит от состояния его передней кромки. Передние шкаторины всех парусов должны быть туго обтянуты, чтобы не допускать возможности вибраций.
Необходимо упомянуть еще об одном весьма важном обстоятельстве - так называемой центровке парусов.
Из механики известно, что всякая сила определяется ее величиной, направлением и точкой приложения. До сих пор мы говорили только о величине и направлении сил, приложенных к парусу. Как мы увидим дальше, знание точек приложения имеет большое значение для понимания работы парусов.
Давление ветра распределяется по поверхности паруса неравномерно (большее давление испытывает его передняя часть), однако для упрощения сравнительных расчетов считают, что оно распределяется равномерно. Для приближенных расчетов равнодействующую силу давления ветра на паруса полагают приложенной к одной точке; за нее принимают центр тяжести поверхности парусов, когда они помещены в диаметральной плоскости яхты. Эту точку называют центром парусности (ЦП).
Остановимся на самом простом графическом способе определения положения ЦП (рис. 98). Вычерчивают парусность яхты в нужном масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр каждого паруса. Получив таким образом на чертеже центры О и O1 двух треугольников, составляющих грот и стаксель, проводят через эти центры две параллельные линии ОА и O1Б и на них откладывают в противоположных направлениях в любом, но одинаковом масштабе столько линейных единиц, сколько квадратных метров в треугольнике; от центра грота откладывают площадь стакселя, а от центра стакселя - площадь грота. Концевые точки А и В соединяют прямой АБ. Другой прямой - O1O соединяют центры треугольников. На пересечении прямых А Б и O1O будет находиться общий центр.
Рис. 98. Графический способ нахождения центра парусности
Как мы уже говорили, силе дрейфа (будем считать ее приложенной в центре парусности) противодействует сила бокового сопротивления корпуса яхты. Силу бокового сопротивления считают приложенной в центре бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления называется центр тяжести проекции подводной части яхты на диаметральную плоскость.
Центр бокового сопротивления можно найти, вырезав контур подводной части яхты из плотной бумаги и поместив эту модель на лезвие ножа. Когда модель уравновесится, легко нажимают на нее, затем поворачивают на 90° и снова уравновешивают. Пересечение этих линий дает нам центр бокового сопротивления.
Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной прямой с ЦБС (рис. 99). Если ЦП лежит впереди ЦБС (рис. 99, б), то сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового сопротивления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к ветру, или приводиться (рис. 99, в).
Рис. 99. Центровка яхты
И чрезмерное приведение к ветру, и в особенности уваливание (неправильная центровка) вредны для хода яхты, так как заставляют рулевого все время работать рулем, чтобы сохранить прямолинейность движения, а это увеличивает сопротивление корпуса и снижает скорость судна. Кроме того, неправильная центровка приводит к ухудшению управляемости, а в некоторых случаях - к ее полной потере.
Если мы отцентруем яхту так, как показано на рис. 99, а, то есть ЦП и ЦБС окажутся на одной вертикали, то судно будет очень сильно приводиться и управлять им станет весьма трудно. В чем дело? Здесь две главные причины. Во-первых, истинное расположение ЦП и ЦБС не совпадает с теоретическим (оба центра сдвинуты вперед, но неодинаково).
Во-вторых, и это главное, при крене сила тяги парусов и сила продольного сопротивления корпуса оказываются лежащими в разных вертикальных плоскостях (рис. 100), получается как бы рычаг, заставляющий яхту приводиться. Чем больше крен, тем больше склонность судна приводиться.
Чтобы ликвидировать такое приведение, ЦП помещают впереди ЦБС. Возникающий с креном момент силы тяги и продольного сопротивления, заставляющий яхту приводиться, компенсируется улавливающим моментом сил дрейфа и бокового сопротивления при переднем расположении ЦП. Для хорошей центровки приходится ЦП помещать впереди ЦБС на расстоянии, равном 10-18% длины яхты по ватерлинии. Чем менее остойчива яхта и чем выше поднят ЦП над ЦБС, тем больше в нос надо его передвигать.
Чтобы яхта имела хороший ход, ее надо отцентровать, то есть поставить ЦП и ЦБС в такое положение, при котором судно на курсе бейдевинд в слабый ветер было полностью уравновешено парусами, иными словами - было устойчиво на курсе с брошенным или закрепленным в ДП рулем (допускается легкая склонность к уваливанию при совсем слабом ветре), а при более сильном ветре имело склонность приводиться. Каждый рулевой должен уметь правильно центровать яхту. На большинстве яхт склонность приводиться увеличивается, если перебраны задние паруса и потравлены передние. Если же перебраны передние и перетравлены задние паруса, судно будет уваливаться. При увеличении «пузатости» грота, а также плохо стоящих парусах яхта склонна приводиться в большей степени.
Рис. 100. Влияние крена на приведение яхты к ветру
Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» – или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал – около четверти прямого угла, – и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q , которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R , перпендикулярную к килю, и силу S , направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S , которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова.
Межрайонная научно-практическая конференция «Шаг в будущее»Секция: физика
Тема: «Физика движения парусной яхты»
Руководитель: Бухольцева О.В., учитель физики
МОУ СОШ №11, г.Северобайкальск
Северобайкальск
Мы хотим уделить внимание актуальности обучения новичков: 2
Новизна 3
Яхты Северобайкальска 3
Физика 4
Движущая сила ветра 4
Закон Бернулли 4
Курс фордевинд 5
Курс галфвинд 6
Расположение веса и взаимодействие вода-корпус 7
Продольное распределение веса. Острые курсы 8
Продольное распределение веса. Полные курсы 8
Поперечное распределение веса при попутном ветре 9
Поперечное распределение веса при попутном ветре и волне 9
Заключение 11
В течение 10 лет мы занимаемся парусным спортом. Сначала ходили на «Оптимистах», со временем мы набрались опыта и стали ходить на яхтах класса «Луч-мини» и «Кадет». Теперь же став старше и еще более опытнее, мы можем управлять яхтой класса «Луч-стандарт» и крейсерскими судами. Участвовали в региональных регатах в Северобайкальске, Братске и Усть-Илимске. Неоднократно занимали призовые места и были победителями.
Мы хотим уделить внимание актуальности обучения новичков:
Летом в лагере «Байкальская регата» мы, «старички», обучаем новичков парусному спорту. Время обучения – 21 день. И тут будущий яхтсмен понимает, как важны знания физики, а не интуиция. Ведь каждый «новичок» считает, что главное в движении ветер и желательно попутный. Вот и есть первая и большая ошибка. И таких немало. Поэтому цель нашей работы: создать пособие для изучения физики движения парусной яхты.Чтобы достичь цели, нам нужно решить следующие задачи :
Рассмотреть виды яхт, которые доступны в Северобайкальске.
Изучить природу движения яхты.
Оспорить точку зрения новичков в том, что попутный ветер – самое главное.
Изучить, как расположение веса влияет на скорость яхты.
Рассмотреть влияние физических характеристик воды на скорость яхты.
Сбор и анализ информации.
Интервью и опрос.
Выполнение расчетов.
Составление таблиц.
Испытания яхт.
Новизна
В книгах и на сайтах есть описание физики движения яхты, но во всех этих материалах каждый фактор, влияющий на движение яхты, а именно взаимодействие ветра с парусом, распределение веса по яхте, взаимодействие воды с корпусом рассматривается в отдельности, что, по-нашему мнению, неправильно. Ведь яхтсмену для победы необходимо объединить в единое целое эти три фактора.Яхты Северобайкальска
В Северобайкальске в наличии имеются некоторые классы яхт, такие как:|
Название |
Водоизмещение |
Длинна |
Парусность |
Экипаж |
|
Луч |
≈ 160 кг |
4.23 м |
7.05 м 2 |
1 чел |
|
Оптимист |
аварийная плавучесть не менее 90 литров |
≈ 2.3 м |
3,33 м 2 |
1 чел |
|
Финн |
107кг |
4,50м |
10 м 2 |
1 чел |
|
Кадет |
95кг |
3.22 м |
9,41 м 2 |
2 чел |
|
Ассоль |
630кг |
5,53м |
13,66 м 2 |
4 чел |
http://minitonnik.com.ua/?q=node/126
Физика
Движущая сила ветра
Движение яхты происходит благодаря тому, что ветер взаимодействует с парусом. Анализ этого взаимодействия приводит к неожиданным, для многих новичков, результатам. Оказывается, что максимальная скорость достигается, вовсе не когда ветер дует точно сзади, а пожелание «попутного ветра» несет в себе совершенно неожиданный смысл.Как парус, так и киль, при взаимодействии с потоком, соответственно, воздуха или воды, создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации их работы можно применить теорию крыла.
Закон Бернулли
Воздушный поток обладает кинетической энергией и, взаимодействуя с парусами, способен двигать яхту. Работа, как паруса, так и крыла самолета, описывается законом Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к уменьшению давления. При перемещении в воздушной среде, крыло разделяет поток. Часть его обходит крыло сверху, часть снизу. Крыло самолета спроектировано так, что воздушный поток, проходящий над верхней стороной крыла движется быстрее, чем поток, который проходит под нижней частью крыла. В результате - давление над крылом значительно ниже, чем под. Разница давления и есть подъемная сила крыла.
Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Остается вопрос: какая часть подъемной силы связана с эффектом Бернулли, а какая является результатом отклонения потока. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку. В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.
Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается.
Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его. Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. В результате – давление с подветренной стороны паруса гораздо ниже, чем с его наветренной стороны.
Курс фордевинд
При движении курсом фордевинд , когда парус установлен перпендикулярно к направлению ветра, степень увеличения давление с наветренной стороны больше, чем степень понижения давления с подветренной стороны, другими словами ветер больше толкает яхту , чем тянет. По мере того, как яхта будет поворачивать острее к ветру, это соотношение будет меняться. Так, если ветер дует перпендикулярно курсу яхты, увеличение давления на парус с наветренной стороны оказывает меньшее влияние на скорость, чем снижение давления с подветренной стороны. В следствии, при этом курсе, парус больше тянет яхту, чем толкает.Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорости. Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра . Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.
Курс галфвинд
Курсом галфвинд (под 90º к ветру) парусные яхты способны двигаются быстрее ветра. Отметим только, что на курсе галфвинд, сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты.
Расположение веса и взаимодействие вода-корпус
Всем полезно обратить внимание на эффект, который оказывает распределение веса в той или иной ситуации. Каждый раз, когда мы предлагаем поговорить о настройке яхты, новички уверены, что речь пойдет о рангоуте и парусах. Но есть область, о которой редко вспоминают – это положение корпуса в воде - как «уравновешивать», «удифферентовывать судно», «правильно распределять балласт на судне».Очевидно, что правильное распределение веса может сыграть решающую роль в определении положения яхты на финише. Решить эту задачу можно при переносе веса в ту или иную точку на яхте.
Главный принцип балансировки яхты состоит в том, чтобы найти равновесие сил, действующих на корпус, и поддерживать положение корпуса в состоянии, которое обеспечит максимальную скорость при тех или иных погодных условиях.
Продольное распределение веса. Острые курсы
Легкий ветер
Обычная проблема при слабом ветре – это уменьшение тенденции яхты приводиться. Из-за этого становится трудно отслеживать изменения подъемной силы и идти максимально остро к ветру. При легком ветре положение парусов и такелажа уменьшает тенденцию приводиться и оставляет яхтсменов без ощущений, которыми они привыкли. Классическим решением этой проблемы будет накренить яхту в подветренную сторону, чтобы изменить форму подводной части и усилить тенденцию приводиться. К сожалению, для большинства корпусов этот шаг увеличивает площадь смачиваемой поверхности корпуса, а также увеличивает сопротивление кормы и, соответственно, уменьшает скорость яхты. Если вместо этого перенести вес вперед и пригрузить нос, центр бокового сопротивления сместится вперед, тенденция приводиться увеличится, а площадь смоченной поверхности останется в прежних значениях. Очевидно, что, используя крен для поворота в наветренную сторону, рулевой просто увеличивает сопротивление корпуса.
Свежий ветер
Продольное распределение веса. Полные курсы
Легкий ветер
Длина ватерлинии является одним из важнейших параметров, определяющим скорость водоизмещающих корпусов. В результате углубления носа может приподняться корма, а это резко уменьшит длину ватерлинии. (При слабом ветре длина ватерлинии менее важна, чем площадь смоченной поверхности). Если вы сидите удобно, скорее всего, вы недостаточно сместились вперед. Посмотрите на воду за кормой: если увидите завихрения потока, смещайтесь вперед.
Ветер средней силы
Если принимать во внимание эффект, который создают волны, перемещение вперед-назад может существенно помочь удержать режим глиссирования.
Сильный ветер
Поперечное распределение веса при попутном ветре
Слабый ветер
Если сила ветра достаточна, на повороте фордевинд можно выполнить следующий трюк.
Сместитесь вперед насколько это возможно и накрените лодку на несколько градусов на ветер, рулем удерживая яхту на нужном курсе. Сначала вы почувствуете небольшую тягу руля, но как только шверт начнет генерировать подъемную силу, давление уменьшится, руль станет легким, нейтральным, и установится в нужном направлении. Такой поворот очень эффективен еще и потому, что позволяет набрать дополнительную высоту по ветру. Но будьте осторожны: если во время такого маневра появится волна, которая погасит скорость, эффект может оказаться катастрофическим.
Средний ветер
На современных яхтах существует множество приемов, с помощью которых можно уменьшить тенденцию приводиться. Но если сделать так, чтобы яхта кренилась в наветренную сторону, проблема исчезнет.
Поперечное распределение веса при попутном ветре и волне
БакштагПри движении полными курсами при сильном волнении форма корпуса должна быть использована для облегчения управления яхтой. Для того, чтобы оседлать попутную волну и предотвратить чрезмерный крен, необходимо резко двигать рулем, а это уменьшает шансы на успех.
Уваливание
Если рассмотреть силы, действующие на лодку, становится понятным, почему при уваливании нос лодки уходит в воду. Крен создает подъемную силу на руле, в результате которой нос притапливается, и усложняет уваливание. Чтобы компенсировать это, необходимо растравить гика-шкот, и нос начнет смещаться под ветер. Тонкую коррекцию курса можно сделать рулем. Во время поворота вес команды лучше сместить назад; в результате этого нос приподнимется, и это поможет ветру развернуть его в нужном направлении.
Поворот оверштаг
По опыту управления малыми швертботами я знаю, что в процессе поворота скорость может резко снизиться. Одной из причин этого является перемещение рулевого в кокпите. Ныряя под гик во время поворота, рулевой смещается назад, притапливает корму, и она начинает работать как неплохой тормоз. Исправить ситуацию можно, если обходить погон лицом назад. При этом центр тяжести смещается не так далеко назад, ведь «пятая точка опоры» тяжелее головы! Это эффективный маневр, но будьте осторожны, уклоняясь от гика, не сгибайтесь слишком сильно – одно движение ногой, и эффект от ваших действий исчез. (При подготовке текста эта рекомендация вызвала серьезное сомнение. Ведь при пересадке лицом назад, рулевой теряет ориентацию, контроль над происходящим вокруг. Предлагаем читателям, принять самостоятельное решение о том, какой способ лучше. – Прим. переводчиков.)
Итак, как распределяем вес:
|
Легкий ветер |
Средний ветер |
Свежий ветер |
|
· смещайтесь вперед до тех пор, пока чувствуете себя комфортно; · не крените яхту в подветренную сторону, лучше сместитесь вперед. |
· помните, что руль – это тормоз. Старайтесь держать его в среднем положении, изменяйте курс работой с парусами; · как только яхта начнет глиссировать, сместитесь назад, как только яхта перейдет в водоизмещающий режим, смещайтесь вперед; · уваливаясь, смещайтесь назад, начинайте маневр с потравливания шкотов. |
· на полных курсах держите нос яхты как можно выше над водой; · на острых курсах, если сместиться слишком далеко назад – яхта будет тормозить кормой, слишком далеко вперед – яхта будет рыскать на волне. |
Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.
Заключение
Вывод: город Северобайкальск находится на берегу озера Байкал, в акватории есть единственный в Бурятии яхт-клуб, который является местной завлекалочкой для туристов и школьников. За короткое северное лето многие из них мечтают обучиться хождению на яхтах. Если с изучением снаряжения яхты можно справиться на берегу, то теоретический курс физики движения яхты плохо поддается усвоению. И данное пособие поможет каждому правильно распределить вес, настроить парус и выбрать курс согласно своим физическим данным и умениям.
Каким образом движется парусное судно? Очевидно, что причиной движения является давление ветра на парус. Но, что удивительно, парусное судно может двигаться не только в ту сторону, куда дует ветер, но и в противоположную (ну, почти в противоположную, под острым углом, меняя галсы, но тем не менее перемещаясь против движения ветра). Каковы же физические принципы движения судна против ветра?
Рассмотрим силы, действующие на яхту, идущую под парусом под острым углом к ветру. Сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер, - силу дрейфа и силу тяги (см. рис). Посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса и от чего зависят силы тяги и дрейфа.
Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус, который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.
Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.
Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.
Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.
Зависимость сил тяги и дрейфа от подъемной силы и лобового сопротивления паруса
Из этого чертежа видно, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.
Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.
В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью»: размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге. Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.
