Fizyka ruchu jachtu żaglowego. Koncepcja nowej teorii ruchu żaglowca

Żagiel jest genialnym wynalazkiem, porównywalnym w znaczeniu do koła. Jeśli koło pozwalało ludziom poruszać się po lądzie, to dzięki żaglom ludzie nauczyli się chodzić po morzu. (Żeglarze nie lubią słowa „pływać” i zastępują je słowem „spacerować”. Wierzą, że w wodzie pływają tylko śmieci. Statki pływają po morzach, po falach.)

Żagiel to kawałek wytrzymałego płótna, którego górna część jest przymocowana do poprzecznego masztu, rei, a dolna część jest przymocowana do pokładu. Takie żagle nazywane są prostymi. Jeśli wiatr wieje w prosty żagiel, żagiel ten ciągnie statek do przodu.

Teraz zastanówmy się, jak powstaje siła ciągnąca. Płótno żagla stanowi przeszkodę na drodze wiatru. Strumień powietrza próbuje ominąć tę przeszkodę, rozdziela się na strumienie i zagina się wokół płótna. Jednocześnie za żaglem prądy powietrza zamieniają się w wiry. W strefie wirowej powietrze porusza się szybciej. Zgodnie z jednym z głównych praw hydro- i aerodynamiki, odkrytym w 1738 roku przez Daniela Bernoulliego, im większa jest prędkość przepływu, tym niższe jest w nim ciśnienie wewnętrzne. Zatem za żaglem, gdzie tworzy się strefa wirowa, pojawia się obszar niskiego ciśnienia. Pod wpływem różnicy ciśnień żagiel pochyla się do przodu i jakby wciągany jest w samą strefę próżniową i ciągnie tam za sobą cały statek.

Oczywiste jest, że jeśli wiatr będzie silny i pomyślny, statek popędzi do przodu zgodnie z opisem A.S. Puszkina:

Wiatr wieje nad morzem

A łódź przyspiesza.

Lata w falach

Z pełnymi żaglami.

A co jeśli wiatr nie „chodzi”? A może „idzie”, ale w złym kierunku? Siedzieć nad morzem i czekać na pogodę? Oczywiście nie.

Po pierwsze, żaglowce często pływają pod kątem do wiatru tylnego lub, jak mówią marynarze, „hals”. Poruszanie się na halsach jest możliwe dzięki temu, że każdy szanujący się statek morski posiada stępkę, czyli podwodną część uniemożliwiającą boczne poruszanie się statku. Dlatego też, gdy wiatr wieje w żagle nieco z boku, jego siłę ciągu można podzielić na dwie siły – wzdłuż osi statku i prostopadle do tej osi. Pierwsza ciągnie statek do przodu (pod pewnym kątem do kierunku wiatru), druga pchałaby statek w bok, jednak ruchowi temu zapobiega opór stępki statku.

Żeglarze rozróżniają żeglowanie lewym halsem, gdy wiatr wieje na lewy hals, oraz żeglowanie prawym halsem, gdy wiatr wieje na prawą burtę.

Ale sztuczki żeglarskie pozwalają poruszać się nawet pod wiatr. W tym celu oprócz żagli prostych statki posiadają także żagle skośne. Przednia część żagla przedniego (lik przedni) mocowana jest do jednego z masztów statku, co umożliwia obrót żagla pod określonym kątem względem osi statku. Przy takim zakręcie nadlatujący strumień powietrza wieje na żagiel, który jednocześnie ugina się jak skrzydło samolotu. Podobnie jak w skrzydle, gdy opływa je nadlatujący strumień powietrza, powstaje siła nośna skierowana do góry, tak w żaglu skośnym pod wpływem czołowego wiatru powstaje siła ciągu skierowana w stronę wiejącego wiatru. Dzięki skośnym żaglom statek może poruszać się pod wiatr! Ruch ten nazywany jest ruchem „kontrataku”.

Dzięki wysokim masztom wyposażonym w proste żagle statki stały się szybkie, a ukośne żagle pozwoliły im stać się bardziej zwrotnymi. Do lat 70. XIX wieku na morzach królowały żaglówki, później zastąpiono je parowcami, statkami szybszymi, o większej nośności, ale oczywiście znacznie mniej romantycznymi.

Kontynuujemy cykl publikacji przygotowany przez interaktywny blog popularnonaukowy „Wyjaśnię w dwie minuty”. Blog opowiada o rzeczach prostych i złożonych, które otaczają nas na co dzień i nie rodzą żadnych pytań, dopóki się nad nimi nie zastanowimy. Tam możesz na przykład dowiedzieć się, jak to zrobić statki kosmiczne nie przegap i nie zderzaj się z ISS podczas dokowania.

1. Nie da się żeglować ściśle pod wiatr. Jeśli jednak wiatr wieje z przodu, ale lekko pod kątem, jacht może równie dobrze się poruszać. W takich przypadkach mówi się, że statek płynie ostrym kursem.

2. Napór żagla generowany jest przez dwa czynniki. Po pierwsze, wiatr po prostu naciska na żagle. Po drugie, skośne żagle instalowane na większości nowoczesnych jachtów, gdy opływa je powietrze, działają jak skrzydło samolotu i wytwarzają „siłę nośną”, tyle że jest ona skierowana nie do góry, ale do przodu. Ze względu na aerodynamikę powietrze po wypukłej stronie żagla porusza się szybciej niż po wklęsłej, a ciśnienie na zewnątrz żagla jest mniejsze niż po wewnętrznej stronie.

3. Całkowita siła wytworzona przez żagiel jest skierowana prostopadle do płótna. Zgodnie z zasadą dodawania wektorów można rozróżnić siłę unoszenia (czerwona strzałka) i siłę uciągu (zielona strzałka).

4. Na ostrych kursach siła znoszenia jest duża, jednak równoważy ją kształt kadłuba, stępki i steru: jacht nie może przechylać się na boki ze względu na opór wody. Ale chętnie ślizga się do przodu nawet przy niewielkiej sile uciągu.

5. Aby żeglować ściśle pod wiatr, jacht wykonuje zwrot na wiatr: skręca najpierw w jedną lub drugą stronę, poruszając się do przodu segmentami - halsami. Jak długie powinny być halsy i pod jakim kątem do wiatru? ważne pytania taktyka kapitana.

6. Istnieje pięć głównych kursów statku względem wiatru. Dzięki Piotrowi I holenderska terminologia morska zakorzeniła się w Rosji.

7. Leventik– wiatr wieje bezpośrednio na dziób statku. Nie da się w ten sposób żeglować, ale zwrot pod wiatr służy do zatrzymania jachtu.

8. Zamknięty wiatr- ten sam ostry przebieg. Kiedy płyniemy na ostrym kursie, wiatr wieje w twarz, więc wydaje się, że jacht rozwija bardzo dużą prędkość. W rzeczywistości to uczucie jest zwodnicze.

9. Wiatr Zatokowy- wiatr wieje prostopadle do kierunku ruchu.

10. Backstag- wiatr wieje z rufy i z boku. To jest najbardziej szybki kurs. Szybkie łodzie regatowe pływające na baksztagu są w stanie rozpędzić się do prędkości przekraczających prędkość wiatru dzięki sile unoszącej żagla.

11. Przedni wiatr- ten sam wiatr tylny wiejący od rufy. Wbrew oczekiwaniom nie jest to najszybszy kurs: nie wykorzystuje się tu siły nośnej żagla, a teoretyczna prędkość dozwolona nie przekracza prędkości wiatru. Doświadczony kapitan potrafi przewidzieć niewidzialne prądy powietrzne, tak jak pilot samolotu może przewidzieć prądy wznoszące i opadające.

Interaktywną wersję diagramu można zobaczyć na blogu „Wyjaśnię za dwie minuty”.

Wiatry, które są w południowej części Pacyfik wieje w kierunku zachodnim. Dlatego też naszą trasę zaprojektowaliśmy tak, abyśmy na jachcie żaglowym „Juliet” przemieszczali się ze wschodu na zachód, czyli tak, aby wiatr wiał nam w plecy.

Jeśli jednak spojrzysz na naszą trasę, zauważysz, że często, np. przemieszczając się z południa na północ z Samoa do Tokelau, musieliśmy poruszać się prostopadle do wiatru. Czasem zupełnie zmieniał się kierunek wiatru i trzeba było jechać pod wiatr.

Trasa Julii

Co zrobić w tym przypadku?

Żaglowce od dawna potrafią pływać pod wiatr. Klasyk Jakow Perelman pisał o tym dawno temu dobrze i prosto w swojej drugiej książce z serii „ Zabawna fizyka" Prezentuję tutaj ten fragment dosłownie ze zdjęciami.

„Żeglowanie pod wiatr

Trudno sobie wyobrazić, jak żaglowce mogą płynąć „pod wiatr” lub, jak mówią marynarze, płynąć „na krótkim dystansie”. To prawda, żeglarz powie Ci, że nie można płynąć bezpośrednio pod wiatr, ale można poruszać się tylko pod ostrym kątem do kierunku wiatru. Ale ten kąt jest niewielki - około jednej czwartej prosty kąt, - i wydaje się być może równie niezrozumiałe: czy płynąć bezpośrednio pod wiatr, czy pod kątem 22°.

W rzeczywistości nie jest to jednak obojętne i teraz wyjaśnimy, jak pod wpływem wiatru można poruszać się w jego stronę pod niewielkim kątem. Najpierw przyjrzyjmy się, jak wiatr ogólnie oddziałuje na żagiel, to znaczy, gdzie popycha żagiel, gdy na niego wieje. Pewnie myślisz, że wiatr zawsze popycha żagiel w kierunku, w którym wieje. Ale tak nie jest: gdziekolwiek wieje wiatr, popycha żagiel prostopadle do płaszczyzny żagla. Rzeczywiście: niech wiatr wieje w kierunku wskazanym strzałkami na poniższym rysunku; linia AB reprezentuje żagiel.

Wiatr zawsze pcha żagiel pod kątem prostym do płaszczyzny.

Ponieważ wiatr napiera równomiernie na całą powierzchnię żagla, napór wiatru zastępujemy siłą R przyłożoną do środka żagla. Podzielimy tę siłę na dwie części: siłę Q, prostopadłą do żagla i siłę P, skierowaną wzdłuż niego (patrz rysunek powyżej, po prawej). Ostatnia siła popycha żagiel donikąd, ponieważ tarcie wiatru o płótno jest nieznaczne. Pozostaje siła Q, która popycha żagiel pod kątem prostym do niego.

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem w stronę wiatru. Niech linia KK reprezentuje linię stępki statku.

Jak można płynąć pod wiatr?

Wiatr wieje pod ostrym kątem do tej linii, w kierunku wskazanym przez serię strzałek. Linia AB przedstawia żagiel; jest umieszczony w taki sposób, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Postępuj zgodnie z rozkładem sił na rysunku. Napór wiatru na żagiel reprezentujemy siłą Q, która, jak wiemy, musi być prostopadła do żagla. Podzielmy tę siłę na dwie: siłę R, prostopadłą do stępki i siłę S, skierowaną do przodu wzdłuż linii stępki statku. Ponieważ ruch statku w kierunku R napotyka na duży opór wody (stępka w żaglowcach jest bardzo głęboka), siła R jest prawie całkowicie równoważona przez opór wody. Pozostaje tylko jedna siła S, która, jak widać, jest skierowana do przodu i dlatego porusza statek pod kątem, jakby w kierunku wiatru. [Można udowodnić, że siła S jest największa, gdy płaszczyzna żagla dzieli się z kątem między stępką a kierunkami wiatru.]. Zazwyczaj ruch ten wykonywany jest zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku marynarzy taki ruch statku nazywa się „halsem” w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Przyjrzyjmy się teraz wszystkiemu możliwe kierunki wiatr w stosunku do kursu łodzi.

Wykres kursu statku względem wiatru, czyli kąt pomiędzy kierunkiem wiatru a wektorem od rufy do dziobu (kurs).

Gdy wiatr wieje w twarz (leventik), żagle wiszą na boki i nie da się nimi poruszać. Oczywiście zawsze można opuścić żagle i włączyć silnik, jednak z żeglarstwem nie ma to już nic wspólnego.

Kiedy wiatr wieje bezpośrednio za tobą (zwrotek, wiatr tylny), cząsteczki przyspieszonego powietrza wywierają nacisk na żagiel z jednej strony i łódź płynie. W takim przypadku statek może poruszać się tylko wolniej niż prędkość wiatru. Działa tu analogia z jazdą na rowerze na wietrze – wiatr wieje w plecy i łatwiej jest kręcić pedałami.

Podczas poruszania się pod wiatr (za wiatrem) żagiel porusza się nie w wyniku nacisku cząsteczek powietrza na żagiel od tyłu, jak w przypadku zwrotnicy, ale w wyniku siły nośnej, która powstaje pod wpływem różne prędkości powietrze z obu stron wzdłuż żagla. Co więcej, ze względu na stępkę, łódź nie porusza się w kierunku prostopadłym do kursu łodzi, ale tylko do przodu. Oznacza to, że żagiel w tym przypadku nie jest parasolem, jak w przypadku żagla na wiatr, ale skrzydłem samolotu.

Podczas naszych rejsów żeglowaliśmy głównie z baksztagami i wiatrem zatokowym ze średnią prędkością 7-8 węzłów przy prędkości wiatru 15 węzłów. Czasem płynęliśmy pod wiatr, z półwiatrem i na ostro. A kiedy ucichł wiatr, włączyli silnik.

Ogólnie rzecz biorąc, łódź z żaglem płynącym pod wiatr to nie cud, ale rzeczywistość.

Najciekawsze jest to, że łodzie mogą pływać nie tylko pod wiatr, ale nawet szybciej od wiatru. Dzieje się tak, gdy łódź cofa się, tworząc własny wiatr.

Ruch jacht żaglowy wiatr jest faktycznie określony proste ciśnienie wiatr na żaglach, popychający statek do przodu. Jednakże badania w tunelu aerodynamicznym wykazały, że żeglowanie pod wiatr naraża żagiel na działanie bardziej złożonego zestawu sił.

Gdy napływające powietrze opływa wklęsłą tylną powierzchnię żagla, prędkość powietrza maleje, natomiast przy opływie wypukłej przedniej powierzchni żagla prędkość ta wzrasta. W rezultacie na tylnej powierzchni żagla powstaje obszar wysokiego ciśnienia, a na przedniej powierzchni obszar niskiego ciśnienia. Różnica ciśnień po obu stronach żagla wytwarza siłę ciągnącą (pchającą), która przesuwa jacht do przodu pod kątem do wiatru.

Jacht żaglowy ustawiony mniej więcej pod kątem prostym do wiatru (w terminologii żeglarskiej jest to jacht na halsie) szybko porusza się do przodu. Żagiel podlega działaniu sił ciągnących i bocznych. Jeśli jacht żaglowy płynie pod ostrym kątem do wiatru, jego prędkość maleje na skutek zmniejszenia siły uciągu i wzrostu siły bocznej. Im bardziej żagiel jest zwrócony w stronę rufy, tym wolniej jacht porusza się do przodu, szczególnie ze względu na dużą siłę boczną.

Jacht żaglowy nie może płynąć bezpośrednio pod wiatr, ale może poruszać się do przodu, wykonując serię krótkich zygzakowatych ruchów pod kątem do wiatru, zwanych halsami. Jeśli wiatr wieje w lewą stronę (1), mówi się, że jacht płynie lewym halsem, jeśli wieje na prawą burtę (2), mówi się, że płynie na prawym halsie. Aby szybciej pokonać dystans, żeglarz stara się zwiększyć prędkość jachtu do granic możliwości, dostosowując położenie jego żagli, jak pokazano na rysunku poniżej po lewej stronie. Aby zminimalizować odchylenie na bok od linii prostej, jacht porusza się, zmieniając kurs z prawego halsu na lewy i odwrotnie. Gdy jacht zmienia kurs, żagiel zostaje przerzucony na drugą stronę, a gdy jego płaszczyzna zbiega się z linią wiatru, przez pewien czas trzepocze, tj. jest nieaktywny (środkowe zdjęcie pod tekstem). Jacht znajduje się w tzw. martwej strefie, tracąc prędkość do czasu, aż wiatr ponownie napompuje żagiel z przeciwnego kierunku.

Kochał rosyjski poeta Michaił Juriewicz Lermontow morze i często wspominał o nim w swoich dziełach. Napisał wspaniały wiersz o wybielaniu żagiel, który pędzi wśród fal w odległych przestrzeniach morskich. Zapewne znasz wiersz Lermontowa, ponieważ są to najsłynniejsze wersety poetyckie o żaglowcach. Czytając je, można sobie wyobrazić szalejące morze i piękne statki wśród jego fal. Wiatr wypełnia żagle. A dzięki sile wiatru statki poruszają się do przodu. Ale jak żaglówkom udaje się płynąć pod wiatr?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz najpierw nauczyć się nieznanego słowa "hals".Galsoma Nazywa się kierunek ruchu statku względem wiatru. Hals może być lewy, gdy wiatr wieje z lewej strony, lub prawy, gdy wieje wiatr z prawej strony. Ważne jest, aby znać drugie znaczenie słowa „hals” - jest to część ścieżki, a raczej jej odcinek, który mija żaglówka podczas ruchu pod wiatr. Pamiętać?

Aby teraz zrozumieć, w jaki sposób żaglówki radzą sobie z żeglowaniem pod wiatr, przyjrzyjmy się żaglom. Są na żaglówce Różne formy i rozmiary - proste i ukośne. I każdy robi swoje. Kiedy wieje przeciwny wiatr, statkiem steruje się za pomocą ukośnych żagli, które skręcają najpierw w jedną, a potem w drugą stronę.

Podążając za nimi, statek skręca w tę czy inną stronę. Odwraca się i idzie do przodu. Żeglarze nazywają ten ruch - poruszając się naprzemiennymi halsami. Jego istotą jest to, że wiatr napiera na skośne żagle i wieje statek lekko na boki i do przodu. Ster żaglówki nie pozwala na jej całkowity obrót, a wykwalifikowani żeglarze w porę wprawiają żagle w ruch, zmieniając ich położenie. Więc małymi zygzakami porusza się do przodu.

Oczywiście poruszanie się na zmiennym halsie jest bardzo trudnym zadaniem dla całej załogi żaglówki. Ale żeglarze to doświadczeni goście. Nie boją się trudności i bardzo kochają morze.