Forțe care acționează asupra carenei și pânzelor unui iaht. Cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului? Cum navighează un iaht împotriva vântului

Vânturile care sunt în partea de sud Oceanul Pacific suflând în direcția vest. De aceea traseul nostru a fost conceput astfel încât iaht cu vele„Julieta” se deplasează de la est la vest, adică cu vântul care suflă 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 s-a schimbat complet și a trebuit să mergem 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 cu mult timp în urmă bine și simplu în a doua sa carte din seria „Fizica distractivă”. Vă prezint această piesă aici textual cu poze.

„Navigare împotriva vântului

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” - sau, după cum spun marinarii, merg „de aproape”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct împotriva vântului, dar vă puteți deplasa doar sub unghi ascutit spre direcția vântului. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi față de acesta de 22°.

În realitate, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. În primul rând, să ne uităm la modul în care vântul acționează în general asupra velei, 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 o forță R aplicată la mijlocul velei. Vom împărți această forță în două: forța Q, perpendiculară pe vela și forța P, îndreptată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este nesemnificativă. 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 naviga 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 o serie de săgeți. Linia AB reprezintă o pânză; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmăriți distribuția forțelor din figură. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forța Q, care, știm, trebuie să fie perpendiculară pe vela. Să împărțim această forță în două: forța R, perpendiculară pe chilă și forța S, direcționată înainte de-a lungul liniei chilei navei. Deoarece mișcarea vasului în direcția R întâmpină o rezistență puternică din partea apei (chila în interior bărci de navigat devine foarte adânc), atunci forța R este aproape complet echilibrată de rezistența apei. Rămâne o singură forță S, care, după cum vezi, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Se poate dovedi că forța S este cea mai mare atunci când planul pânzei traversează 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, o astfel de mișcare a navei se numește „viraj” în sensul strict al cuvântului”.

Să luăm acum în considerare toate direcțiile posibile ale vântului în raport cu direcția bărcii.

Diagrama cursului navei în raport cu vânt, adică unghiul dintre direcția vântului și vectorul de la pupa la prova (curs).

Când vântul îți bate în față (leventik), pânzele atârnă dintr-o parte în alta și este imposibil să te miști cu vela. Desigur, poți oricând să cobori pânzele și să pornești motorul, dar asta nu mai are nicio legătură cu navigarea.

Când vântul suflă direct în spatele tău (jibe, vânt din spate), moleculele de aer accelerate pun presiune pe vela pe o parte și barca se mișcă. În acest caz, nava se poate mișca doar mai lent decât viteza vântului. Analogia mersului cu bicicleta în vânt funcționează aici - vântul suflă în spate și este mai ușor să răsuciți pedalele.

Atunci când se deplasează împotriva vântului (în apropiere), vela se mișcă nu din cauza presiunii moleculelor de aer pe velă din spate, ca în cazul unei șuviri, ci din cauza forței de ridicare care este creată din cauza diferitelor viteze ale aerului. pe ambele părți de-a lungul pânzei. Mai mult, din cauza chilei, barca nu se deplasează într-o direcție perpendiculară pe cursul ambarcațiunii, ci doar înainte. Adică, vela în acest caz nu este o umbrelă, ca în cazul unei veluri apropiate, ci o aripă de avion.

În timpul trecerilor noastre, am navigat în principal cu spate și vânturi din golf cu o viteză medie de 7-8 noduri, cu o viteză a vântului de 15 noduri. Uneori, navigam împotriva vântului, cu jumătate de vânt și de aproape. 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 naviga nu numai împotriva vântului, ci chiar mai repede decât vântul. Acest lucru se întâmplă atunci când barca rămâne înapoi, creându-și propriul vânt.

Poetul rus Mihail Iurievici Lermontov a iubit mareși l-a menționat adesea în lucrările sale. A scris o poezie minunată despre albire naviga, care se repezi printre valurile în întinderile îndepărtate ale mării. Probabil că ești familiarizat cu poemul lui Lermontov, pentru că acestea sunt cele mai faimoase versuri de poezie despre navele cu pânze. Citindu-le, vă puteți imagina o mare furioasă și corăbii frumoase printre valurile ei. Vântul umple pânzele. Și, datorită puterii vântului, navele merg înainte. Dar cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului?

Pentru a răspunde la aceasta, va trebui mai întâi să înveți un cuvânt necunoscut "tack".Galsom Se numește direcția de mișcare a navei față de vânt. Vira poate fi babord când vântul bate din stânga sau tribord când vântul bate din dreapta. Este important să cunoașteți a doua semnificație a cuvântului „tack” - aceasta este o parte a căii sau, mai degrabă, segmentul pe care îl trece barca cu pânze atunci când se mișcă. împotriva vântului. Vă amintiți?

Acum, pentru a înțelege cum reușesc bărcile cu pânze să navigheze împotriva vântului, să ne uităm la pânze. Ele vin în diferite forme și dimensiuni pe o barcă cu pânze - drept și oblic. Și fiecare își face treaba. Când bate un vânt în contra, nava este condusă folosind pânze oblice, care se întorc mai întâi într-un sens și apoi în celălalt.

În urma lor, nava se întoarce într-o direcție sau alta. Se întoarce și merge înainte. Marinarii numesc această mișcare - deplasându-se pe viraje alternante. Esența sa este că vântul apasă pe pânzele înclinate și suflă ușor nava în lateral și înainte. Cârma unei bărci cu pânze nu îi permite să se întoarcă complet, iar marinarii pricepuți pun pânzele în mișcare în timp, schimbându-și poziția. Deci, în zig-zaguri mici, se mișcă înainte.

Desigur, mutarea pe viraje alternante este o sarcină foarte dificilă pentru întregul echipaj al unei ambarcațiuni cu pânze. Dar marinarii sunt băieți experimentați. Nu se tem de greutăți și iubesc marea foarte mult.

„Vânt în coadă!” - le doresc tuturor marinarilor, și este complet în zadar: când vântul bate din pupa, iahtul nu este capabil să atingă viteza maximă. M-a ajutat să fac această diagramă Vadim Zhdan, skipper profesionist, concurent, organizator și prezentator de regate de iahturi. Citiți sfaturile de instrucțiuni din diagramă pentru a vă da seama.

2. Impingerea unei pânze este generată din cauza a doi factori. În primul rând, vântul apasă pur și simplu pe pânze. În al doilea rând, pânzele oblice instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când aerul curge în jurul lor, acționează ca o aripă de avion, doar că este îndreptată nu în sus, ci înainte. Datorită aerodinamicii, aerul de pe partea convexă a velei se mișcă mai repede decât pe partea concavă, iar presiunea pe exteriorul velei este mai mică decât pe interior.

3. Forța totală creată de pânză este direcționată perpendicular pe pânză. Conform regulii adunării vectoriale, este posibil să se distingă forța de deriva (săgeata roșie) și forța de tracțiune (săgeata verde).

5. Pentru a naviga strict împotriva vântului, iahtul virează: se întoarce în vânt cu o parte sau cealaltă, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungi ar trebui să fie virajele și în ce unghi ar trebui să fie față de vânt - aspecte importante ale tacticii căpitanului.

9. Gulfwind－ vântul bate perpendicular pe direcția de mișcare.

11. Fordewind－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește puterea de ridicare a pânzei, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un skipper experimentat poate prezice curenții de aer invizibili în același mod

Continuăm seria de publicații pregătite de blogul interactiv de popularizare „Voi explica în două minute”. Blogul vorbește despre lucruri simple și complexe care ne înconjoară în fiecare zi și nu ridică nicio întrebare până nu ne gândim la ele. De exemplu, acolo poți afla cum nave spațiale nu ratați și nu vă ciocniți cu ISS în timpul andocării.

1. Este imposibil să navighezi strict împotriva vântului. Cu toate acestea, dacă vântul bate din față, dar ușor înclinat, iahtul se poate mișca. În astfel de cazuri, se spune că nava navighează pe un curs ascuțit.

2. Împingerea unei pânze este generată de doi factori. În primul rând, vântul apasă pur și simplu pe pânze. În al doilea rând, pânzele oblice instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când aerul curge în jurul lor, funcționează ca o aripă de avion și creează „forță de ridicare”, doar că este îndreptată nu în sus, ci înainte. Datorită aerodinamicii, aerul de pe partea convexă a velei se mișcă mai repede decât pe partea concavă, iar presiunea pe exteriorul velei este mai mică decât pe interior.

4. Pe curse ascuțite, forța de deriva este mare, dar este contracarată de forma carenei, a chilei și a cârmei: iahtul nu poate merge lateral din cauza rezistenței la apă. Dar alunecă de bunăvoie înainte chiar și cu o forță mică de tracțiune.

5. Pentru a naviga strict împotriva vântului, iahtul virează: se întoarce spre vânt mai întâi pe o parte sau pe cealaltă, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungi ar trebui să fie virajele și în ce unghi ar trebui să fie față de vânt - aspecte importante ale tacticii căpitanului.

6. Există cinci cursuri principale ale unei nave în raport cu vânt. Datorită lui Petru I, terminologia maritimă olandeză a prins rădăcini în Rusia.

7. Leventik－ vântul bate direct la prova navei. Este imposibil să navighezi în acest fel, dar întoarcerea spre vânt este folosită pentru a opri iahtul.

8. Vânt închis- același curs acut. Când mergi aproape, vântul îți bate în față, așa că se pare că iahtul se dezvoltă foarte mult. viteza mai mare. De fapt, acest sentiment este înșelător.

9. Gulfwind－ vântul bate perpendicular pe direcția de mișcare.

10. Spate de spate－ vântul bate din pupa și din lateral. Acesta este cel mai rapid curs. Bărcile de curse rapide care navighează pe spate pot accelera la viteze care depășesc viteza vântului datorită forței de ridicare a pânzei.

11. Vânt înainte－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește puterea de ridicare a pânzei, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un comandant experimentat poate prezice curenții de aer invizibili, așa cum un pilot de avion poate prezice curenți ascendenți și descendenți.

Puteți vizualiza o versiune interactivă a diagramei pe blogul „Voi explica în două minute”.

Nu mai puțin importantă decât rezistența carenei este forța de tracțiune dezvoltată de pânze. Pentru a ne imagina mai clar munca velelor, 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 (curs de vânt) și vânt față (în spatele cursului vântului). 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 sensul vântului, forța de deriva și forța de tracțiune (vezi Fig. 2 și 3).

Acum să vedem cum se determină Putere deplină presiunea vântului asupra pânzelor și de ce depind forțele de tracțiune și deriva.

Pentru a imagina funcționarea unei pânze pe cursuri ascuțite, este convenabil să luăm în considerare mai întâi o velă plată (Fig. 94), care experimentează presiunea vântului la un anumit unghi de atac. În acest caz, în spatele pânzei se formează vârtejuri, forțele de presiune apar pe partea de vânt, iar forțele de rarefacție apar pe partea sub vânt. R rezultatul lor este îndreptat aproximativ perpendicular pe planul pânzei. Pentru a înțelege corect funcționarea unei pânze, este convenabil să ne imaginăm ca rezultanta a două forțe componente: X-direcționat paralel cu fluxul de aer (vânt) și Y-direcționat perpendicular pe acesta.

Forța X îndreptată paralel cu fluxul de aer se numește forță de rezistență; Este creat, pe lângă velă, și de carenă, tachelaj, spate și echipajul iahtului.

Forța Y direcționată perpendicular pe fluxul de aer se numește portanță în aerodinamică. Acesta este cel care creează tracțiune în direcția de mișcare a iahtului pe curse ascuțite.

Dacă, cu aceeași rezistență a pânzei X (Fig. 95), forța de sustentație crește, de exemplu, la valoarea Y1, atunci, așa cum se arată în figură, rezultanta forței de portanță și rezistență se va modifica cu R și , în consecință, forța de împingere T va crește la T1.

O astfel de construcție face ușor să se verifice că odată cu creșterea rezistenței X (la aceeași forță de ridicare), forța T scade.

Astfel, există două modalități de a crește forța de tracțiune și, prin urmare, viteza pe curse ascuțite: creșterea forței de ridicare a velei și reducerea rezistenței de rezistență a velei și a iahtului.

În navigația modernă, forța de ridicare a unei pânze este crescută, oferindu-i o formă concavă cu o oarecare „burtă” (Fig. 96): dimensiunea de la catarg până la cea mai adâncă parte a „burtei” este de obicei de 0,3-0,4 ori mai mare decât lățimea pânzei și 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 navighează puțin mai abrupt în vânt. Cu toate acestea, cu pânze cu burtă, viteza de avans în vira este mai mare din cauza forței mai mari.

Orez. 96. Profil sail

Rețineți că la velele cu burtă crește nu doar forța de forță, ci și forța de deriva, ceea ce înseamnă că ruliu și deriva iahturilor cu vele cu burtă este mai mare decât la cele relativ plate. Prin urmare, o „umflare” a pânzei de mai mult de 6-7% în vânturi puternice este neprofitabilă, 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 creșterii forței. În vânturi slabe, pânzele cu o „burtă” de 9-10% trag mai bine, deoarece din cauza presiunii totale scăzute a vântului asupra velei, călcâiul este mic.

Orice velă la unghiuri de atac mai mari de 15-20°, adică atunci când iahtul se îndreaptă cu 40-50° față de vânt sau mai mult, poate reduce portanța și crește rezistența, deoarece se formează turbulențe semnificative pe partea sub vânt. Și deoarece partea principală a forței de ridicare este creată de o curgere lină, fără turbulențe în jurul părții sub vânt a pânzei, distrugerea acestor vârtejuri ar trebui să aibă un efect mare.

Turbulența care se formează în spatele vela mare este distrusă prin reglarea focului (Fig. 97). Fluxul de aer care intră în spațiul dintre vela mare și braț își mărește viteza (așa-numitul efect de duză) și, atunci când brațul este reglat corect, „linge” vârtejurile din vela mare.

Orez. 97. Lucru cu focul

Profilul unei pânze moale este greu de menținut constant la diferite unghiuri de atac. Anterior, canotele aveau șipci care străbăteau întreaga vela - erau făcute mai subțiri în „burtă” și mai groase către flutura, unde vela este mult mai plată. În zilele noastre, prin șipci sunt instalate în principal pe bărci de gheață și catamarane, unde este deosebit de important să se mențină profilul și rigiditatea velei la unghiuri mici de atac, atunci când o velă obișnuită se fixează deja de-a lungul fluierului.

Dacă sursa de ridicare este doar vela, atunci forța este creată de tot ceea ce ajunge în fluxul de aer care curge în jurul iahtului. Prin urmare, îmbunătățirea proprietăților de tracțiune ale pânzei poate fi realizată și prin reducerea rezistenței la rezistență a carenei, catargului, tachelarului și echipajului iahtului. În acest scop, pe spate și tachelaj sunt folosite diverse tipuri de carene.

Cantitatea de rezistență a unei pânze depinde de forma acesteia. Conform legilor aerodinamicii, rezistența unei aripi de avion este mai mică, cu atât este mai îngustă și mai lungă pentru aceeași zonă. De aceea ei încearcă să facă vela (în esență aceeași aripă, dar plasată vertical) înaltă și îngustă. Acest lucru vă permite, de asemenea, să utilizați vântul superior.

Dragul unei pânze depinde în mare măsură de starea muchiei sale de atac. Pânzele tuturor pânzelor trebuie acoperite strâns pentru a preveni posibilitatea vibrațiilor.

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 mărimea și direcția forțelor aplicate pânzei. După cum vom vedea mai târziu, cunoașterea punctelor de aplicare este de mare importanță pentru înțelegerea funcționării pânzelor.

Presiunea vântului este distribuită neuniform pe suprafața velei (partea sa din față suferă mai multă presiune), totuși, pentru a simplifica calculele comparative, se presupune că este distribuită uniform. Pentru calcule aproximative, se presupune că forța rezultantă a presiunii vântului asupra pânzelor este aplicată într-un punct; centrul de greutate al suprafeței pânzelor este luat ca acesta atunci când sunt plasate în planul central al iahtului. Acest punct se numește centrul velei (CS).

Să ne concentrăm pe cea mai simplă metodă grafică pentru determinarea poziției CPU (Fig. 98). Desenați zona velei a iahtului pe scara necesară. Apoi, la intersecția medianelor - linii 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, trageți două linii paralele OA și O1B prin aceste centre și așezați pe ele în direcții opuse, în orice, dar la aceeași scară, cât mai multe liniare. unități ca metri pătrați în triunghi; Din centrul pânzei mari, zona brațului este lăsată, 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 dreptelor A B și O1O va exista un centru comun.

Orez. 98. Metoda grafică de găsire a centrului 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 (CLR). 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 o lamă de cuțit. Când modelul este echilibrat, apăsați ușor, apoi rotiți-l la 90° și echilibrați-l din nou. Intersecția acestor linii ne oferă centrul rezistenței laterale.

Când iahtul navighează fără călcare, CP ar trebui să se afle pe aceeași linie dreaptă verticală cu CB (Fig. 99). Dacă CP se află în fața stației centrale (Fig. 99, b), atunci forța de derivă, deplasată înainte în raport cu forța de rezistență laterală, transformă prova navei în vânt - iahtul cade. Dacă CPU se află în spatele stației centrale, iahtul își va întoarce prova în fața vântului sau va fi condus (Fig. 99, c).

Orez. 99. Alinierea iahtului

Atât ajustarea excesivă la vânt, cât și mai ales blocarea (centrarea necorespunzătoare) sunt dăunătoare navigării iahtului, deoarece îl obligă pe cârmaci să lucreze constant cârma pentru a menține dreptatea, iar acest lucru crește rezistența carenei și reduce viteza navei. În plus, alinierea incorectă duce la deteriorarea controlabilității și, în unele cazuri, la pierderea completă a acesteia.

Dacă centrem iahtul așa cum se arată în Fig. 99, și, adică CPU și sistemul de control central vor fi pe aceeași verticală, apoi nava va fi condusă foarte puternic și va deveni foarte greu de controlat. Ce s-a întâmplat? Există două motive principale aici. În primul rând, adevărata locație a CPU și a sistemului nervos central nu coincide cu cea teoretică (ambele centri sunt deplasați înainte, dar nu în mod egal).

În al doilea rând, și acesta este principalul lucru, atunci când se înclină, forța de tracțiune a pânzelor și forța de rezistență longitudinală a carenei se află în diferite planuri verticale (Fig. 100), se dovedește ca o pârghie care forțează iahtul. a fi condus. Cu cât ruliu este mai mare, cu atât vasul este mai predispus la înclinare.

Pentru a elimina o astfel de aducție, CP este plasat în fața sistemului nervos central. Momentul de tracțiune și rezistența longitudinală care apare odată cu ruliu, forțând iahtul să fie condus, este compensat de momentul de captare a forțelor de deriva și rezistența laterală atunci când CP este situat în față. Pentru o bună centrare, este necesar să plasați CP-ul în fața CB la o distanță egală cu 10-18% din lungimea iahtului de-a lungul liniei de plutire. Cu cât iahtul este mai puțin stabil și cu cât CPU este ridicat deasupra stației centrale, cu atât mai mult trebuie mutat la prova.

Pentru ca iahtul să aibă o mișcare bună, acesta trebuie să fie centrat, adică să pună CP și CB într-o poziție în care nava pe un curs apropiat pe un vânt ușor să fie complet echilibrată de pânze, în alte cuvinte, era stabil pe parcurs cu cârma aruncată sau fixată în DP (permite o ușoară tendință de plutire la vânturi foarte slabe), iar la vânturi mai puternice avea tendința de a pluti. Fiecare timonier trebuie să fie capabil să centreze corect iahtul. Pe majoritatea iahturilor, tendința de rulare crește dacă pânzele din spate sunt revizuite și cele din față sunt slăbite. Dacă pânzele din față sunt revizuite și cele din spate sunt deteriorate, nava se va scufunda. Odată cu o creștere a „belei” a pânzei mari, precum și a velelor prost poziționate, iahtul tinde să fie condus într-o măsură mai mare.

Orez. 100. Influența călcâiului asupra aducerii iahtului în vânt