Física del movimiento de los yates de vela. El concepto de una nueva teoría del movimiento de los veleros.

La vela es un invento brillante, comparable en su importancia a la rueda. Si la rueda permitía a la gente moverse por tierra, gracias a las velas la gente aprendía a caminar sobre el mar. (A los marineros no les gusta la palabra "nadar" y la reemplazan por la palabra "caminar". Creen que sólo la basura flota en el agua. Los barcos navegan sobre los mares, sobre las olas).

Una vela es una pieza de lona duradera, cuya parte superior se fija al mástil transversal, a la verga y la parte inferior a la cubierta. Estas velas se llaman rectas. Si el viento sopla hacia una vela recta, esa vela empuja el barco hacia adelante.

Ahora averigüemos cómo surge la fuerza de tracción. La lona de la vela constituye un obstáculo en el camino del viento. El flujo de aire intenta sortear este obstáculo, se divide en chorros y se curva alrededor del lienzo. Al mismo tiempo, detrás de la vela, las corrientes de aire se convierten en vórtices. En la zona del vórtice, el aire se mueve más rápido. Según una de las principales leyes de la hidro y aerodinámica, descubierta en 1738 por Daniel Bernoulli, cuanto más rápida es la velocidad del flujo, menor es su presión interna. Así, detrás de la vela, donde se forma la zona de vórtice, aparece una zona de baja presión. Bajo la influencia de la diferencia de presión, la vela se inclina hacia adelante y, por así decirlo, es arrastrada hacia la zona de vacío y arrastra a todo el barco detrás de ella.

Está claro que si el viento es fuerte y favorable, el barco avanzará de acuerdo con la descripción de A.S.

El viento sopla sobre el mar

Y el barco acelera.

El vuela en las olas

A toda vela.

Bueno, ¿y si el viento no “camina”? ¿O está "caminando" en la dirección equivocada? ¿Sentarse junto al mar y esperar el tiempo? Por supuesto que no.

En primer lugar, los veleros suelen navegar en ángulo con el viento de cola o, como dicen los marineros, "virar". El movimiento a bordo es posible gracias a que cualquier embarcación marítima que se precie tiene una quilla, una parte submarina que impide que el barco se mueva lateralmente. Por lo tanto, cuando el viento sopla ligeramente hacia las velas desde un lado, su fuerza de empuje se puede dividir en dos fuerzas: a lo largo del eje del barco y perpendicular a este eje. El primero empuja el barco hacia adelante (en un cierto ángulo con respecto a la dirección del viento), el segundo empujaría el barco hacia un lado, pero este movimiento se ve impedido por la resistencia de la quilla del barco.

Los marineros distinguen entre navegar amurado a babor, cuando el viento sopla a babor, y navegar amurado a estribor, cuando el viento sopla a estribor.

Pero los trucos marineros te permiten moverte incluso contra el viento. Para ello, además de las velas rectas, los barcos también tienen velas inclinadas. La parte delantera de la vela delantera (grátil) está fijada a uno de los mástiles del barco, lo que permite que la vela gire en un cierto ángulo con respecto al eje del barco. Con tal giro, el flujo de aire que se aproxima sopla sobre la vela, que al mismo tiempo se dobla como el ala de un avión. Así como en un ala, cuando un flujo de aire que se aproxima fluye a su alrededor, surge una fuerza de sustentación dirigida hacia arriba, en una vela oblicua, bajo la influencia del viento en contra, surge una fuerza de empuje dirigida hacia el viento que sopla; ¡Gracias a las velas inclinadas, el barco puede moverse contra el viento! Este movimiento se llama movimiento de “contraviraje”.

Gracias a los altos mástiles equipados con velas rectas, los barcos se volvieron rápidos y las velas oblicuas les permitieron volverse más maniobrables. Hasta la década de 1870, los veleros dominaban los mares, y luego fueron reemplazados por barcos de vapor, barcos que eran más rápidos, con mayor capacidad de carga, pero, por supuesto, mucho menos románticos.

Continuamos la serie de publicaciones preparadas por el blog interactivo de divulgación científica “Te explicaré en dos minutos”. El blog habla de cosas simples y complejas que nos rodean todos los días y no plantean dudas hasta que pensamos en ellas. Por ejemplo, allí podrás descubrir cómo naves espaciales no pierda ni choque con la ISS durante el atraque.

1. Es imposible navegar estrictamente contra el viento. Sin embargo, si el viento sopla de frente, pero ligeramente en ángulo, es muy posible que el yate se mueva. En tales casos, se dice que el barco navega con un rumbo cerrado.

2. El empuje de una vela se genera por dos factores. En primer lugar, el viento simplemente presiona las velas. En segundo lugar, las velas oblicuas instaladas en la mayoría de los yates modernos, cuando el aire fluye a su alrededor, funcionan como el ala de un avión y crean una "fuerza de elevación", solo que no se dirige hacia arriba, sino hacia adelante. Debido a la aerodinámica, el aire en el lado convexo de la vela se mueve más rápido que en el lado cóncavo y la presión en el exterior de la vela es menor que en el interior.

3. La fuerza total creada por la vela se dirige perpendicular a la lona. Según la regla de la suma de vectores, es posible distinguir la fuerza de deriva (flecha roja) y la fuerza de tracción (flecha verde).

4. En rumbos cerrados, la fuerza de deriva es grande, pero se ve contrarrestada por la forma del casco, la quilla y el timón: el yate no puede ir de lado debido a la resistencia del agua. Pero se desliza voluntariamente hacia adelante incluso con una pequeña fuerza de tracción.

5. Para navegar estrictamente contra el viento, el yate vira: primero gira hacia el viento en un lado u otro, avanzando en segmentos: viradas. ¿Qué longitud deben tener las viradas y en qué ángulo con respecto al viento? cuestiones importantes Tácticas del patrón.

6. Hay cinco rumbos principales de un barco en relación con el viento. Gracias a Pedro I, la terminología marítima holandesa echó raíces en Rusia.

7. Leventik－ el viento sopla directamente en la proa del barco. Es imposible navegar de esta manera, pero se utiliza el giro hacia el viento para detener el yate.

8. Viento cerrado－ el mismo curso agudo. Cuando vas de ceñida, el viento te da en la cara, por lo que parece que el yate está desarrollando una velocidad muy alta. De hecho, este sentimiento es engañoso.

9. Viento del Golfo－ el viento sopla perpendicular a la dirección del movimiento.

10. Estancia trasera－ el viento sopla de popa y de costado. Esto es lo mas curso rápido. Los barcos de regatas rápidas que navegan atrasados ​​pueden acelerar a velocidades superiores a la del viento debido a la fuerza de sustentación de la vela.

11. viento de frente－ el mismo viento de cola que sopla desde la popa. Contrariamente a lo esperado, no es el recorrido más rápido: aquí no se aprovecha la fuerza de elevación de la vela y el límite de velocidad teórico no supera la velocidad del viento. Un capitán experimentado puede predecir corrientes de aire invisibles del mismo modo que un piloto de avión puede predecir corrientes ascendentes y descendentes.

Puede ver una versión interactiva del diagrama en el blog "Te explicaré en dos minutos".

Los vientos que están en la parte sur. Océano Pacífico soplando en dirección oeste. Por eso nuestra ruta fue diseñada para que en el velero “Juliet” nos moviéramos de este a oeste, es decir, para que el viento sople a nuestras espaldas.

Sin embargo, si observa nuestra ruta, notará que a menudo, por ejemplo, cuando nos movíamos de sur a norte de Samoa a Tokelau, teníamos que movernos perpendicularmente al viento. Y a veces la dirección del viento cambiaba completamente y teníamos que ir contra el viento.

La ruta de Julieta

¿Qué hacer en este caso?

Desde hace mucho tiempo, los veleros pueden navegar contra el viento. El clásico Yakov Perelman escribió sobre esto hace mucho tiempo de manera clara y sencilla en su segundo libro de la serie “ Física entretenida" Les presento esta pieza aquí palabra por palabra con fotografías.

"Navegando contra el viento

Es difícil imaginar cómo los veleros pueden ir "contra el viento" o, como dicen los marineros, ir "de ceñida". Es cierto que un marinero le dirá que no puede navegar directamente contra el viento, pero solo puede moverse en un ángulo agudo con respecto a la dirección del viento. Pero este ángulo es pequeño: aproximadamente una cuarta parte. ángulo recto, - y parece, quizás, igualmente incomprensible: si navegar directamente contra el viento o en un ángulo de 22° con respecto a él.

En realidad, sin embargo, esto no deja indiferente, y ahora explicaremos cómo es posible avanzar hacia él en un ligero ángulo gracias a la fuerza del viento. Primero, veamos cómo actúa generalmente el viento sobre la vela, es decir, dónde empuja la vela cuando sopla sobre ella. Probablemente pienses que el viento siempre empuja la vela en la dirección en la que sopla. Pero no es así: dondequiera que sople el viento, empuja la vela perpendicular al plano de la vela. En efecto: deje que el viento sople en la dirección indicada por las flechas en la figura siguiente; la línea AB representa la vela.

El viento siempre empuja la vela en ángulo recto con respecto a su plano.

Dado que el viento presiona uniformemente sobre toda la superficie de la vela, reemplazamos la presión del viento con una fuerza R aplicada al centro de la vela. Dividiremos esta fuerza en dos: fuerza Q, perpendicular a la vela, y fuerza P, dirigida a lo largo de ella (ver figura arriba, derecha). La última fuerza empuja la vela a ninguna parte, ya que la fricción del viento sobre la lona es insignificante. Queda la fuerza Q, que empuja la vela en ángulo recto con respecto a ella.

Sabiendo esto, podemos entender fácilmente cómo un velero puede navegar en un ángulo agudo hacia el viento. Sea la línea KK la línea de la quilla del barco.

¿Cómo se puede navegar contra el viento?

El viento sopla en un ángulo agudo con respecto a esta línea en la dirección indicada por una serie de flechas. La línea AB representa una vela; se coloca de modo que su plano biseca el ángulo entre la dirección de la quilla y la dirección del viento. Siga la distribución de fuerzas en la figura. Representamos la presión del viento sobre la vela por la fuerza Q, que, como sabemos, debe ser perpendicular a la vela. Dividamos esta fuerza en dos: la fuerza R, perpendicular a la quilla, y la fuerza S, dirigida hacia adelante a lo largo de la línea de la quilla del barco. Dado que el movimiento del barco en la dirección R encuentra una fuerte resistencia del agua (la quilla de los veleros es muy profunda), la fuerza R está casi completamente equilibrada por la resistencia del agua. Solo queda una fuerza S que, como ve, se dirige hacia adelante y, por lo tanto, mueve el barco en ángulo, como hacia el viento. [Se puede demostrar que la fuerza S es mayor cuando el plano de la vela biseca el ángulo entre las direcciones de la quilla y del viento]. Normalmente este movimiento se realiza en zigzag, como se muestra en la siguiente figura. En el lenguaje de los marineros, este movimiento del barco se llama "virar" en el sentido estricto de la palabra".

Miremos ahora todo posibles direcciones viento en relación con el rumbo del barco.

Diagrama del rumbo del barco con respecto al viento, es decir, el ángulo entre la dirección del viento y el vector de popa a proa (rumbo).

Cuando el viento sopla en la cara (leventik), las velas cuelgan de un lado a otro y es imposible moverse con la vela. Por supuesto, siempre puedes arriar las velas y encender el motor, pero esto ya no tiene nada que ver con la navegación.

Cuando el viento sopla directamente detrás de usted (trasluchada, viento de cola), las moléculas de aire aceleradas ejercen presión sobre la vela en un lado y el barco se mueve. En este caso, el barco sólo puede moverse más lentamente que la velocidad del viento. Aquí funciona la analogía de andar en bicicleta con el viento: el viento sopla a tu espalda y es más fácil girar los pedales.

Cuando se mueve contra el viento (a favor del viento), la vela no se mueve debido a la presión de las moléculas de aire sobre la vela desde atrás, como en el caso de una trasluchada, sino debido a la fuerza de sustentación que se crea debido a diferentes velocidades aire desde ambos lados a lo largo de la vela. Además, debido a la quilla, el barco no se mueve en una dirección perpendicular al rumbo del barco, sino sólo hacia adelante. Es decir, la vela en este caso no es un paraguas, como en el caso de una vela de ceñida, sino el ala de un avión.

Durante nuestras travesías, navegamos principalmente con backstay y gulfwind a una velocidad media de 7-8 nudos con una velocidad de viento de 15 nudos. A veces navegábamos contra el viento, a medio viento y ceñida. Y cuando el viento amainó, encendieron el motor.

En general, un barco con vela navegando contra el viento no es un milagro, sino una realidad.

Lo más interesante es que los barcos pueden navegar no sólo contra el viento, sino incluso más rápido que el viento. Esto sucede cuando el barco se queda atrás, creando su propio viento.

Movimiento yate de vela el viento en realidad está determinado presión simple viento en su vela, empujando el barco hacia adelante. Sin embargo, la investigación en el túnel de viento ha demostrado que navegar en ceñida expone la vela a un conjunto de fuerzas más complejo.

Cuando el aire entrante fluye alrededor de la superficie trasera cóncava de la vela, la velocidad del aire disminuye, mientras que cuando fluye alrededor de la superficie frontal convexa de la vela, esta velocidad aumenta. Como resultado, se forma un área de alta presión en la superficie trasera de la vela y un área de baja presión en la superficie frontal. La diferencia de presión en los dos lados de la vela crea una fuerza de tracción (empuje) que mueve el yate hacia adelante en ángulo con el viento.

Un velero situado aproximadamente en ángulo recto con el viento (en terminología náutica, el yate está virado) avanza rápidamente. La vela está sujeta a fuerzas de tracción y laterales. Si un velero navega en un ángulo agudo con respecto al viento, su velocidad se ralentiza debido a una disminución de la fuerza de tracción y un aumento de la fuerza lateral. Cuanto más se gira la vela hacia la popa, más lento avanza el yate, en particular debido a la gran fuerza lateral.

Un velero no puede navegar directamente contra el viento, pero puede avanzar realizando una serie de movimientos cortos en zigzag en ángulo con el viento, llamados viradas. Si el viento sopla del lado izquierdo (1), se dice que el yate navega amurado a babor; si sopla a estribor (2), se dice que navega amurado a estribor. Para cubrir la distancia más rápido, el navegante intenta aumentar la velocidad del yate hasta el límite ajustando la posición de su vela, como se muestra en la figura de abajo a la izquierda. Para minimizar la desviación hacia un lado de una línea recta, el yate se mueve, cambiando de rumbo de estribor a babor y viceversa. Cuando el yate cambia de rumbo, la vela se lanza hacia el otro lado, y cuando su plano coincide con la línea del viento, ondea durante un tiempo, es decir. está inactivo (imagen del medio debajo del texto). El yate se encuentra en la llamada zona muerta, perdiendo velocidad hasta que el viento vuelve a inflar la vela en sentido contrario.

El poeta ruso Mikhail Yurievich Lermontov amaba mar y lo mencionó a menudo en sus obras. Escribió un maravilloso poema sobre el blanqueamiento. navegar, que corre entre las olas en las lejanas extensiones del mar. Probablemente estés familiarizado con el poema de Lermontov, porque estos son los versos más famosos sobre veleros. Al leerlos, puedes imaginar un mar embravecido y hermosos barcos entre sus olas. El viento llena las velas. Y, gracias a la fuerza del viento, los barcos avanzan. Pero ¿cómo consiguen los veleros navegar contra el viento?

Para responder a esto, primero tendrás que aprender una palabra desconocida. "virar".Galsom Se llama la dirección del movimiento del barco con respecto al viento. La amura puede ser a babor cuando el viento sopla de izquierda, o a estribor cuando el viento sopla de derecha. Es importante conocer el segundo significado de la palabra "virar": es parte del camino, o mejor dicho, el segmento por el que pasa el velero cuando se mueve. contra el viento. ¿Te acuerdas?

Ahora, para entender cómo se las arreglan los veleros para navegar contra el viento, veamos las velas. estan en un velero diferentes formas y tamaños - recto y oblicuo. Y cada uno hace su trabajo. Cuando sopla viento en contra, el barco se gobierna mediante velas oblicuas, que giran primero en un sentido y luego en el otro.

Siguiéndolos, el barco gira en una dirección u otra. Se da vuelta y camina hacia adelante. Los marineros llaman a este movimiento - avanzando en bordadas alternas. Su esencia es que el viento presiona las velas inclinadas y empuja el barco ligeramente hacia los lados y hacia adelante. El timón de un velero no le permite girar por completo y los marineros expertos ponen en movimiento las velas a tiempo, cambiando de posición. Así, en pequeños zigzags, avanza.

Por supuesto, avanzar alternando bordadas es una tarea muy difícil para toda la tripulación de un velero. Pero los marineros son gente experimentada. No temen las dificultades y aman mucho el mar.