Физика на движението на ветроходна яхта. Концепцията за нова теория за движението на ветроходни кораби

Платното е брилянтно изобретение, сравнимо по значение с колелото. Ако колелото позволяваше на хората да се движат по сушата, тогава благодарение на платната хората се научиха да ходят по морето. (Моряците не харесват думата „плувам“ и я заменят с думата „ходя“. Те вярват, че във водата плуват само боклуци. Корабите плават по моретата, по вълните.)

Платното е парче издръжливо платно, чиято горна част е фиксирана към напречната мачта, двора, а долната част е прикрепена към палубата. Такива платна се наричат ​​прави. Ако вятърът духа в право платно, това платно дърпа кораба напред.

Сега нека разберем как възниква теглителната сила. Платното на платното образува препятствие по пътя на вятъра. Въздушният поток се опитва да заобиколи това препятствие, разделя се на потоци и се огъва около платното. В същото време зад платното въздушните течения се превръщат във вихри. Във вихровата зона въздухът се движи по-бързо. Според един от основните закони на хидро- и аеродинамиката, открит през 1738 г. от Даниел Бернули, колкото по-висока е скоростта на потока, толкова по-ниско е вътрешното му налягане. Така зад платното, където се образува вихровата зона, се появява зона с ниско налягане. Под въздействието на разликата в налягането платното се огъва напред и като че ли се изтегля в самата вакуумна зона и дърпа целия кораб там след себе си.

Ясно е, че ако вятърът е силен и попътен, корабът ще се втурне напред в съответствие с описанието на А. С. Пушкин:

Вятърът духа над морето

И лодката ускорява.

Той лети във вълните

С пълни платна.

Е, какво ще стане, ако вятърът не „ходи“? Или той „върви“ в грешната посока? Да седите на брега на морето и да чакате времето? Разбира се, че не.

Първо, ветроходните кораби често използват плаване под ъгъл спрямо попътен вятър, или както казват моряците, „херс“. Преместването на халс е възможно поради факта, че всеки уважаващ себе си морски кораб има кил, подводна част, която не позволява на кораба да се движи странично. Следователно, когато вятърът духа в платната леко отстрани, силата на тягата му може да се раздели на две сили - по оста на кораба и перпендикулярно на тази ос. Първият дърпа кораба напред (под определен ъгъл спрямо посоката на вятъра), вторият би избутал кораба настрани, но това движение е възпрепятствано от съпротивлението на кила на кораба.

Моряците правят разлика между плаване на ляв халс, когато вятърът духа към левия борд, и плаване на десен халс, когато вятърът духа отдясно.

Но морските трикове ви позволяват да се движите дори срещу вятъра. За целта корабите освен прави платна имат и коси платна. Предната част на предното платно (люф) е фиксирана към една от мачтите на кораба, което позволява на платното да се върти под определен ъгъл спрямо оста на кораба. При такъв завой насрещният въздушен поток духа върху платното, което в същото време се огъва като крило на самолет. Точно както в крилото, когато насрещен въздушен поток тече около него, възниква повдигаща сила, насочена нагоре; Благодарение на наклонените платна, корабът може да се движи срещу вятъра! Това движение се нарича движение "контра так".

Благодарение на високите мачти, оборудвани с прави платна, корабите станаха бързи, а наклонените платна им позволиха да станат по-маневрени. До 1870 г. платноходките владееха моретата, а след това бяха заменени от параходи, кораби, които бяха по-бързи, с по-висок капацитет, но, разбира се, много по-малко романтични.

Продължаваме поредицата от публикации, подготвени от интерактивния научнопопулярен блог „Ще обясня за две минути“. Блогът говори за прости и сложни неща, които ни заобикалят всеки ден и не повдигат никакви въпроси, докато не се замислим върху тях. Например, там можете да разберете как Космически корабине пропускайте и не се сблъсквайте с МКС по време на скачване.

1. Невъзможно е да се плава строго срещу вятъра. Въпреки това, ако вятърът духа отпред, но леко под ъгъл, яхтата може да се движи. В такива случаи се казва, че корабът плава по остър курс.

2. Тягата на едно платно се генерира от два фактора. Първо, вятърът просто притиска платната. Второ, наклонените платна, инсталирани на повечето съвременни яхти, когато въздухът тече около тях, работят като крило на самолет и създават „повдигаща сила“, само че тя е насочена не нагоре, а напред. Поради аеродинамиката въздухът от изпъкналата страна на платното се движи по-бързо, отколкото от вдлъбнатата страна, а налягането от външната страна на платното е по-малко, отколкото отвътре.

3. Общата сила, създадена от платното, е насочена перпендикулярно на платното. Съгласно правилото за добавяне на вектори е възможно да се разграничат дрейфовата сила (червена стрелка) и теглителната сила (зелена стрелка).

4. При остри курсове силата на дрейфа е голяма, но тя се противопоставя на формата на корпуса, кила и руля: яхтата не може да се движи настрани поради водоустойчивост. Но той охотно се плъзга напред дори с малка теглителна сила.

5. За да плава стриктно срещу вятъра, яхтата прави галс: обръща се към вятъра първо от едната или другата страна, движейки се напред на сегменти - галсове. Колко дълги трябва да са халсовете и под какъв ъгъл спрямо вятъра? важни въпросишкиперска тактика.

6. Има пет основни курса на кораба спрямо вятъра. Благодарение на Петър I холандската морска терминология се вкорени в Русия.

7. Левентик－ вятърът духа директно в носа на кораба. Невъзможно е да се плава по този начин, но обръщането към вятъра се използва за спиране на яхтата.

8. Затворен вятър- същото остро протичане. Когато вървите на близко теглене, вятърът ви духа в лицето, така че изглежда, че яхтата развива много висока скорост. Всъщност това чувство е измамно.

9. Гълфвинд－ вятърът духа перпендикулярно на посоката на движение.

10. Заден щанг－ вятърът духа откъм кърмата и отстрани. Това е най бърз курс. Бързите състезателни лодки, плаващи със заден щанг, са в състояние да ускорят до скорости, надвишаващи скоростта на вятъра поради повдигащата сила на платното.

11. Преден вятър－ същият попътен вятър духа откъм кърмата. Противно на очакванията, това не е най-бързото трасе: тук не се използва подемната сила на платното и теоретичната граница на скоростта не надвишава скоростта на вятъра. Опитен капитан може да предвиди невидими въздушни течения точно както пилот на самолет може да предвиди възходящи и низходящи течения.

Можете да видите интерактивна версия на диаграмата в блога „Ще обясня за две минути“.

Ветровете, които са в южната част Тихи океандухащ в западна посока. Ето защо нашият маршрут беше проектиран така, че на ветроходната яхта „Жулиета“ да се движим от изток на запад, тоест така, че вятърът да ни духа в гърба.

Въпреки това, ако погледнете нашия маршрут, ще забележите, че често, например при движение от юг на север от Самоа до Токелау, трябваше да се движим перпендикулярно на вятъра. И понякога посоката на вятъра се промени напълно и трябваше да вървим срещу вятъра.

Маршрутът на Жулиета

Какво да направите в този случай?

Ветроходните кораби отдавна могат да плават срещу вятъра. Класикът Яков Перелман писа за това отдавна добре и просто във втората си книга от поредицата „ Занимателна физика" Представям това парче тук дословно със снимки.

„Плаване срещу вятъра

Трудно е да си представим как ветроходните кораби могат да се движат „срещу вятъра“ - или, както казват моряците, да вървят „на близко разстояние“. Вярно, един моряк ще ви каже, че не можете да плавате директно срещу вятъра, но можете да се движите само под остър ъгъл спрямо посоката на вятъра. Но този ъгъл е малък - около една четвърт прав ъгъл, - и изглежда, може би, също толкова неразбираемо: дали да плавате директно срещу вятъра или под ъгъл към него от 22 °.

В действителност обаче това не е безразлично и сега ще обясним как е възможно да се придвижите към него под лек ъгъл от силата на вятъра. Първо, нека да разгледаме как вятърът обикновено действа върху платното, тоест къде бута платното, когато духа върху него. Сигурно си мислите, че вятърът винаги бута платното в посоката, в която духа. Но това не е така: където и да духа вятърът, той избутва платното перпендикулярно на равнината на платното. Наистина: оставете вятъра да духа в посоката, посочена от стрелките на фигурата по-долу; линията AB представлява платното.

Вятърът винаги бута платното под прав ъгъл спрямо неговата равнина.

Тъй като вятърът притиска равномерно цялата повърхност на платното, заместваме налягането на вятъра със сила R, приложена към средата на платното. Ще разделим тази сила на две: сила Q, перпендикулярна на платното, и сила P, насочена по него (вижте фигурата по-горе, вдясно). Последната сила не избутва платното никъде, тъй като триенето на вятъра върху платното е незначително. Остава силата Q, която избутва платното под прав ъгъл спрямо него.

Знаейки това, лесно можем да разберем как един ветроходен кораб може да плава под остър ъгъл спрямо вятъра. Нека линията KK представлява линията на кила на кораба.

Как можеш да плаваш срещу вятъра?

Вятърът духа под остър ъгъл спрямо тази линия в посоката, посочена от поредица от стрелки. Линията AB представлява платно; поставя се така, че равнината му разполовява ъгъла между посоката на кила и посоката на вятъра. Проследете разпределението на силите на фигурата. Представяме налягането на вятъра върху платното чрез сила Q, която, знаем, трябва да е перпендикулярна на платното. Нека разделим тази сила на две: сила R, перпендикулярна на кила, и сила S, насочена напред по линията на кила на кораба. Тъй като движението на кораба в посока R среща силно съпротивление от водата (килът на ветроходните кораби е много дълбок), силата R е почти напълно балансирана от съпротивлението на водата. Остава само една сила S, която, както виждате, е насочена напред и следователно движи кораба под ъгъл, сякаш към вятъра. [Може да се докаже, че силата S е най-голяма, когато равнината на платното разполовява ъгъла между кила и посоките на вятъра.]. Обикновено това движение се извършва на зигзаг, както е показано на фигурата по-долу. На езика на моряците такова движение на кораба се нарича „хервиране“ в тесния смисъл на думата“.

Нека сега да разгледаме всичко възможни посокивятър спрямо посоката на лодката.

Диаграма на курса на кораба спрямо вятъра, тоест ъгълът между посоката на вятъра и вектора от кърмата към носа (курс).

Когато вятърът ви духа в лицето (leventik), платната висят от едната страна на другата и е невъзможно да се движите с платното. Разбира се, винаги можете да спуснете платната и да включите двигателя, но това вече няма нищо общо с ветроходството.

Когато вятърът духа точно зад вас (джиб, попътен вятър), ускорените въздушни молекули оказват натиск върху платното от едната страна и лодката се движи. В този случай корабът може да се движи само по-бавно от скоростта на вятъра. Тук работи аналогията с карането на велосипед на вятъра - вятърът ви духа в гърба и е по-лесно да въртите педалите.

Когато се движи срещу вятъра (зад вятъра), платното се движи не поради натиска на въздушните молекули върху платното отзад, както в случая на джиб, а поради повдигащата сила, която се създава поради различни скоростивъздух от двете страни по протежение на платното. Освен това, поради кила, лодката не се движи в посока, перпендикулярна на курса на лодката, а само напред. Тоест, платното в този случай не е чадър, както при платно с близък ход, а крило на самолет.

По време на нашите пасажи плавахме предимно с бекщагове и гълфвиндове със средна скорост от 7-8 възела със скорост на вятъра от 15 възела. Понякога плавахме срещу вятъра, полувятър и теглене. И когато вятърът утихна, включиха двигателя.

Като цяло лодка с платно, което върви срещу вятъра, не е чудо, а реалност.

Най-интересното е, че лодките могат да плават не само срещу вятъра, но дори и по-бързо от вятъра. Това се случва, когато лодката се задържи, създавайки собствен вятър.

Движение ветроходна яхтавятърът всъщност се определя прост натисквятър върху нейното платно, бутайки кораба напред. Изследванията в аеродинамичен тунел обаче показват, че плаването срещу вятъра излага платното на по-сложен набор от сили.

Когато входящият въздух обикаля вдлъбнатата задна повърхност на платното, скоростта на въздуха намалява, докато когато обтича изпъкналата предна повърхност на платното, тази скорост се увеличава. В резултат на това върху задната повърхност на платното се образува зона с високо налягане, а върху предната повърхност - зона с ниско налягане. Разликата в налягането от двете страни на платното създава теглителна (тласкаща) сила, която движи яхтата напред под ъгъл спрямо вятъра.

Ветроходна яхта, разположена приблизително под прав ъгъл спрямо вятъра (в морската терминология, яхтата е закрепена), се движи бързо напред. Платното е подложено на издърпващи и странични сили. Ако ветроходна яхта плава под остър ъгъл спрямо вятъра, нейната скорост се забавя поради намаляване на теглителната сила и увеличаване на страничната сила. Колкото повече платното е обърнато към кърмата, толкова по-бавно се движи яхтата напред, особено поради голямата странична сила.

Ветроходна яхта не може да плава директно срещу вятъра, но може да се движи напред, като прави поредица от кратки зигзагообразни движения под ъгъл спрямо вятъра, наречени галсове. Ако вятърът духа отляво (1), се казва, че яхтата плава на ляв халс; ако духа на десен борд (2), се казва, че плава на десен халс. За да измине разстоянието по-бързо, яхтсменът се опитва да увеличи скоростта на яхтата до краен предел, като регулира позицията на платното й, както е показано на фигурата долу вляво. За да се сведе до минимум отклонението встрани от правата линия, яхтата се движи, променяйки курса от десен халс към ляв и обратно. Когато яхтата промени курса, платното се изхвърля на другата страна и когато равнината му съвпадне с линията на вятъра, известно време се развява, т.е. е неактивен (средна снимка под текста). Яхтата се озовава в така наречената мъртва зона, губейки скорост, докато вятърът отново надуе платното от обратната посока.

Руският поет Михаил Юриевич Лермонтов обичаше мореи често го споменава в творбите си. Той написа чудесна поема за побеляването плавам, който се втурва сред вълните в далечните морски простори. Вероятно сте запознати със стихотворението на Лермонтов, защото това са най-известните стихотворения за ветроходни кораби. Четейки ги, можете да си представите бушуващо море и красиви кораби сред вълните му. Вятърът изпълва платната. И благодарение на силата на вятъра корабите се движат напред. Но как платноходките успяват да плават срещу вятъра?

За да отговорите на това, първо трябва да научите непозната дума "така".ГалсъмПосоката на движение на кораба спрямо вятъра се нарича. Галсът може да бъде ляв, когато вятърът духа отляво, или десен, когато вятърът духа отдясно. Важно е да знаете второто значение на думата „халс“ - това е част от пътя, или по-скоро сегментът от него, който платноходката преминава, когато се движи срещу вятъра. Помниш ли?

Сега, за да разберем как платноходките успяват да плават срещу вятъра, нека погледнем платната. Те са на платноходка различни формии размери - права и наклонена. И всеки си върши работата. Когато духа насрещен вятър, корабът се управлява с наклонени платна, които се завъртат първо в едната, а след това в другата посока.

Следвайки ги, корабът се обръща в една или друга посока. Обръща се и тръгва напред. Моряците наричат ​​това движение - движейки се на редуващи се халсове. Същността му е, че вятърът притиска наклонените платна и издухва кораба леко настрани и напред. Рулът на платноходката не й позволява да се завърти напълно и опитни моряци задвижват платната навреме, променяйки позицията им. И така, на малки зигзаги се движи напред.

Разбира се, движението на редуващи се галсове е много трудна задача за целия екипаж на платноходка. Но моряците са опитни момчета. Не се страхуват от трудностите и много обичат морето.