Физика движения парусной яхты. Концепция новой теории движения парусного судна
Парус – гениальное изобретение, сравнимое по своему значению с колесом. Если колесо позволило людям передвигаться по суше, то благодаря парусам люди научились ходить по морю. (Моряки не любят слово «плавать» и заменяют его словом «ходить». Они считают, что плавает в воде только всякая дрянь. Корабли же ходят по морям, по волнам.)
Парус – это кусок прочного полотна, верхняя часть которого закреплена на поперечной мачте, рее, а нижняя часть прикрепляется к палубе. Такие паруса называются прямыми. Если ветер дует в прямой парус, этот парус тянет корабль вперед.
А вот теперь разберемся, как возникает тянущая сила. Полотно паруса образует препятствие на пути ветра. Воздушный поток пытается обойти это препятствие, разделяется на потоки и огибает парусину. При этом за парусом воздушные потоки превращаются в вихри. В вихревой зоне воздух движется быстрее. Согласно одному из главных законов гидро- и аэродинамики, открытом в 1738 году Даниилом Бернулли, чем быстрее скорость движения потока, тем ниже в нем внутреннее давление. Таким образом, за парусом, там, где образуется вихревая зона, возникает область пониженного давления. Под влиянием разницы давлений парус выгибается вперед и как бы втягивается в зону разряжения сам и втягивает туда вслед за собой весь корабль.
Ясно, что если ветер крепкий и попутный, корабль будет нестись вперед в согласии с описанием А.С.Пушкина:
Ветер по морю гуляет
И кораблик подгоняет.
Он летит себе в волнах
На раздутых парусах.
Ну, а если ветер не «гуляет»? Или «гуляет», да не в ту сторону? Сидеть у моря и ждать погоды? Нет, конечно.
Во-первых, парусные суда часто используют движение под углом к попутному ветру, или как говорят моряки «ходят галсами». Движение галсами возможно благодаря тому, что у любого уважающего себя морского судна имеется киль, подводная часть, препятствующая боковому смещению корабля. Поэтому когда ветер дует в паруса немного сбоку, его силу тяги можно разделить на две силы – по оси корабля и перпендикулярно этой оси. Первая тянет корабль вперед (под некоторым углом к направлению ветра), вторая толкала бы корабль в сторону, но этому движению препятствует сопротивление киля корабля.
Моряки различают движение левым галсом, когда ветер дует в левый борт, и движение правым галсом, когда ветер дует в правый борт.
Но мореходные хитрости позволяют двигаться даже навстречу ветру. Для этого на кораблях, кроме прямых парусов ставят также паруса косые. Передняя часть косого паруса (передняя шкаторина) закрепляется на одной из мачт корабля, что позволяет парусу поворачиваться на некоторый угол по отношению к оси судна. При таком повороте встречный поток воздуха обдувает парус, который при этом выгибается наподобие самолетного крыла. Так же как и в крыле при обтекании его набегающим потоком воздуха возникает подъемная сила, направленная вверх, в косом парусе под воздействием встречного ветра возникает сила тяги направленная навстречу дующему ветру. Благодаря косым парусам корабль может двигаться против ветра! Такое движение называется движением «встречными галсами»
Благодаря высоким мачтам, оснащенным прямыми парусами, корабли стал быстрыми, а косые паруса позволили им стать более маневренными. Вплоть до 1870-х годов парусники царили на морях, а потом их сменили пароходы, суда более быстрые, более грузоподъемные, но, конечно, гораздо менее романтичные.
Мы продолжаем серию публикаций, подготовленных интерактивным научно-популярным блогом « Объясню за две минуты ». Блог рассказывает о простых и сложных вещах, которые ежедневно нас окружают и не вызывают никаких вопросов ровно до тех пор, пока мы о них не задумываемся. Например, там можно узнать, как космические корабли не промахиваются и не сталкиваются с МКС при стыковке.
1. Строго против ветра под парусом ходить невозможно. Однако если ветер дует спереди, но чуть под углом, яхта вполне может двигаться. В таких случаях говорят, что судно идет острым курсом.
2. Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во‑первых, ветер просто давит на паруса. Во‑вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.
3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).
4. На острых курсах сила дрейфа велика, но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.
5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.
6. Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.
7. Левентик － ветер дует прямо в нос судна. Таким курсом под парусом ходить нельзя, зато поворот к ветру используют, чтобы остановить яхту.
8. Бейдевинд － тот самый острый курс. Когда идешь бейдевиндом, ветер дует в лицо, поэтому кажется, что яхта развивает очень большую скорость. На самом деле это ощущение обманчиво.
9. Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.
10. Бакштаг － ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.
11. Фордевинд － тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же, как пилот самолета － восходящие и нисходящие потоки.
Посмотреть интерактивную версию схемы можно в блоге «Объясню за две минуты».
Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.
Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.
Маршрут "Джульетты"
Что делать в таком случае?
Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.
"Под парусами против ветра
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."
Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.
Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).
Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.
Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.
При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.
Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.
В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.
Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.
Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.
Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.
Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.
Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.
Русский поэт Михаил Юрьевич Лермонтов любил море и в своих произведениях часто упоминал о нем. Он написал замечательное стихотворение о белеющем парусе , который мчится среди волн в далеких морских просторах. Наверное, тебе знакомо лермонтовское стихотворение, ведь это самые известные стихотворные строчки о парусниках. Читая их, можно представить бушующее море и красивые корабли среди его волн. Ветер надувает паруса. И, благодаря силе ветра, корабли движутся вперед. Но как парусникам удается плыть против ветра?
Для того, чтобы на это ответить, тебе сначала придется выучить незнакомое слово «галс» . Галсом называется направление движения судна относительно ветра. Галс может быть левым, когда ветер дует слева, или правым, если ветер дует справа. Важно знать и второе значение слова «галс» – это часть пути, вернее, его отрезок, который проходит парусник, когда движется против ветра . Запомнил?
Теперь, чтобы понять, как парусникам удается плыть против ветра, разберемся с парусами. Они на паруснике бывают разных форм и размеров – прямые и косые . И каждый выполняет свою работу. Когда дует встречный ветер, корабль управляется с помощью косых парусов, которые поворачиваются то в одну сторону, то в другую.
Вслед за ними и судно поворачивается в ту или другую сторону. Поворачивается и идет вперед. Моряки называют такое движение – движением переменными галсами . Его суть состоит в том, что ветер давит на косые паруса и сносит судно слегка вбок и вперед. Руль парусника не дает ему полностью повернуться, да и умелые матросы вовремя приводят в движение паруса, меняя их положение. Так, небольшими зигзагами, и движется вперед.
Конечно, движение переменными галсами – очень трудное дело для всей команды парусника. Но матросы – закаленные ребята. Они не боятся трудностей и очень любят море.
