Yelkanli yaxta harakati fizikasi. Yelkanli kema harakatining yangi nazariyasi tushunchasi

Yelkan ajoyib ixtiro bo'lib, uning ahamiyati bilan g'ildirak bilan solishtirish mumkin. Agar g'ildirak odamlarga quruqlikda harakat qilish imkonini bergan bo'lsa, yelkanlar tufayli odamlar dengizda yurishni o'rgandilar. (Dengizchilarga “suzish” soʻzi yoqmaydi va uning oʻrniga “yurish” soʻzini qoʻyadi. Ular suvda faqat axlat suzadi, deb hisoblashadi. Dengizlarda, toʻlqinlarda kemalar suzib yuradi).

Yelkan - bu bardoshli kanvas bo'lagi bo'lib, uning yuqori qismi ko'ndalang ustunga, hovliga o'rnatiladi va pastki qismi pastki qismga biriktiriladi. Bunday yelkanlar to'g'ri deb ataladi. Agar shamol to'g'ri yelkanga essa, bu yelkan kemani oldinga tortadi.

Keling, tortish kuchi qanday paydo bo'lishini aniqlaylik. Yelkan tuvali shamol yo'lida to'siq hosil qiladi. Havo oqimi bu to'siqni chetlab o'tishga harakat qiladi, oqimlarga bo'linadi va tuval atrofida egiladi. Shu bilan birga, yelkan orqasida havo oqimlari girdobga aylanadi. Vorteks zonasida havo tezroq harakat qiladi. 1738 yilda Daniel Bernulli tomonidan kashf etilgan gidro- va aerodinamikaning asosiy qonunlaridan biriga ko'ra, oqim tezligi qanchalik tez bo'lsa, uning ichki bosimi shunchalik past bo'ladi. Shunday qilib, vorteks zonasi hosil bo'lgan yelkan orqasida past bosim maydoni paydo bo'ladi. Bosim farqi ta'sirida yelkan oldinga egilib, go'yo vakuum zonasining o'ziga tortiladi va uning ortidan butun kemani tortadi.

Shamol kuchli va adolatli bo'lsa, kema A.S.Pushkinning ta'rifiga muvofiq oldinga yugurishi aniq.

Dengiz bo'ylab shamol esadi

Va qayiq tezlashadi.

U to'lqinlarda uchadi

To'liq yelkanlar bilan.

Xo'sh, shamol "yurmasa" nima bo'ladi? Yoki u "yurmoqda", lekin noto'g'ri yo'nalishda? Dengiz bo'yida o'tirib, ob-havoni kutasizmi? Albatta yo'q.

Birinchidan, yelkanli kemalar ko'pincha quyruq shamoliga burchak ostida suzib yurishadi yoki dengizchilar aytganidek, "tack". O'z-o'zini hurmat qiladigan har qanday dengiz kemasida kemaning yon tomonga harakatlanishiga to'sqinlik qiladigan suv osti qismi bo'lganligi sababli, nayzalarda harakatlanish mumkin. Shuning uchun, shamol yelkanlarga yon tomondan ozgina esganda, uning surish kuchini ikkita kuchga bo'lish mumkin - kema o'qi bo'ylab va bu o'qga perpendikulyar. Birinchisi kemani oldinga tortadi (shamol yo'nalishi bo'yicha ma'lum burchak ostida), ikkinchisi kemani yon tomonga suradi, ammo bu harakat kemaning kilining qarshiligi bilan to'sqinlik qiladi.

Dengizchilar shamol portga esganda portda suzib yurishni va o'ng tomonga esganda o'ng bortda suzib ketishni farqlaydilar.

Ammo dengizchilik nayranglari shamolga qarshi ham harakat qilish imkonini beradi. Shu maqsadda kemalarda tekis yelkanlardan tashqari qiya yelkanlar ham mavjud. Oldingi yelkanning old qismi (luff) kema ustunlaridan biriga mahkamlanadi, bu yelkanning kema o'qiga nisbatan ma'lum bir burchak ostida aylanishiga imkon beradi. Bunday burilish bilan kelayotgan havo oqimi bir vaqtning o'zida samolyot qanoti kabi egilgan yelkanga zarba beradi. Xuddi qanotda, uning atrofida kelayotgan havo oqimi oqib o'tganda, yuqoriga yo'naltirilgan ko'taruvchi kuch paydo bo'ladi, qiyshiq yelkanda, bosh shamol ta'sirida, esuvchi shamolga yo'naltirilgan surish kuchi paydo bo'ladi. Eğimli yelkanlar tufayli kema shamolga qarshi harakatlana oladi! Ushbu harakat "qarshi tack" harakati deb ataladi.

To'g'ri yelkanlar bilan jihozlangan baland ustunlar tufayli kemalar tezlashdi va qiya yelkanlar ularga yanada manevr qilish imkonini berdi. 1870-yillarga qadar yelkanli qayiqlar dengizlarda hukmronlik qilgan, keyin esa ularning o'rnini paroxodlar, tezroq, ko'proq yuk tashish qobiliyatiga ega bo'lgan kemalar egallagan, ammo, albatta, kamroq romantik.

Biz "Ikki daqiqada tushuntiraman" interaktiv ilmiy-ommabop blogi tomonidan tayyorlangan nashrlar seriyasini davom ettiramiz. Blog bizni har kuni o'rab turgan oddiy va murakkab narsalar haqida gapiradi va biz ular haqida o'ylagunimizcha hech qanday savol tug'dirmaydi. Misol uchun, u erda siz qanday qilib bilib olishingiz mumkin kosmik kemalar Docking paytida ISSni o'tkazib yubormang yoki u bilan to'qnashmang.

1. Shamolga qarshi qat'iy suzib bo'lmaydi. Biroq, agar shamol old tomondan essa, lekin biroz burchak ostida bo'lsa, yaxta yaxshi harakatlanishi mumkin. Bunday hollarda kema o'tkir yo'nalishda suzib yurganligi aytiladi.

2. Yelkanning surish kuchi ikki omil bilan yuzaga keladi. Birinchidan, shamol shunchaki yelkanlarni bosadi. Ikkinchidan, ko'pgina zamonaviy yaxtalarda o'rnatilgan qiya yelkanlar, ular atrofida havo oqayotganda, samolyot qanoti kabi ishlaydi va "ko'tarish kuchini" yaratadi, faqat u yuqoriga emas, balki oldinga yo'naltiriladi. Aerodinamika tufayli yelkanning qavariq tomonidagi havo botiq tomoniga qaraganda tezroq harakat qiladi, yelkanning tashqi tomonidagi bosim esa ichkariga qaraganda kamroq.

3. Yelkan tomonidan yaratilgan umumiy kuch tuvalga perpendikulyar yo'naltiriladi. Vektor qo'shish qoidasiga ko'ra, siljish kuchini (qizil o'q) va tortish kuchini (yashil o'q) farqlash mumkin.

4. O'tkir yo'nalishlarda drift kuchi juda katta, ammo unga korpus, kiel va rulning shakli qarshilik ko'rsatadi: yaxta suvga chidamliligi tufayli yon tomonga keta olmaydi. Ammo u kichik tortish kuchi bilan ham bajonidil oldinga siljiydi.

5. Shamolga qarshi qat'iy suzib yurish uchun yaxta to'planadi: u birinchi bo'lib shamolga u yoki bu tomonga buriladi, segmentlarda oldinga siljiydi. Taxtalar qancha uzun bo'lishi kerak va shamolga qanday burchak ostida? muhim savollar skipper taktikasi.

6. Shamolga nisbatan kemaning beshta asosiy kursi mavjud. Pyotr I tufayli Gollandiyalik dengiz terminologiyasi Rossiyada ildiz otdi.

7. Leventik- Shamol to'g'ridan-to'g'ri kemaning bosh tomonida esadi. Bu yo'lda suzib bo'lmaydi, lekin shamolga burilish yaxtani to'xtatish uchun ishlatiladi.

8. Yopiq shamol- xuddi shu o'tkir kurs. Yaqin masofaga borsangiz, shamol yuzingizga esadi, shuning uchun yaxta juda yuqori tezlikda rivojlanayotganga o'xshaydi. Aslida, bu tuyg'u aldamchi.

9. Ko'rfaz shamoli- shamol harakat yo'nalishiga perpendikulyar esadi.

10. Orqa tomonda turish- shamol orqa tomondan va yon tomondan esadi. Bu eng ko'p tez kurs. Orqa tomonda suzib yuradigan tez poyga qayiqlari yelkanning ko'tarish kuchi tufayli shamol tezligidan oshib ketadigan tezlikka tezlashishi mumkin.

11. Oldindan shamol- orqa tomondan xuddi shunday quyruq shamoli esmoqda. Kutilgandan farqli o'laroq, bu eng tez yo'nalish emas: bu erda yelkanning ko'tarish kuchi ishlatilmaydi va nazariy tezlik chegarasi shamol tezligidan oshmaydi. Tajribali skipper ko'rinmas havo oqimlarini xuddi samolyot uchuvchisi yuqoriga va pastga tushishni bashorat qilganidek bashorat qila oladi.

Diagrammaning interaktiv versiyasini "Ikki daqiqada tushuntiraman" blogida ko'rishingiz mumkin.

Janubda esayotgan shamollar tinch okeani g'arbiy yo'nalishda esadi. Shuning uchun bizning marshrutimiz shunday tuzilganki, "Juliet" yelkanli yaxtasida biz sharqdan g'arbga harakat qilamiz, ya'ni shamol orqamizdan esadi.

Ammo, agar siz bizning marshrutimizga qarasangiz, ko'pincha, masalan, janubdan shimolga Samoadan Tokelauga o'tayotganda, biz shamolga perpendikulyar harakat qilishimiz kerak edi. Va ba'zida shamol yo'nalishi butunlay o'zgarib, shamolga qarshi borishga majbur bo'ldik.

Julietning marshruti

Bu holatda nima qilish kerak?

Yelkanli kemalar qadimdan shamolga qarshi suzib yura olgan. Klassik Yakov Perelman bu haqda uzoq vaqt oldin o'zining ikkinchi kitobida yozgan edi " Qiziqarli fizika" Men ushbu asarni rasmlar bilan so'zma-so'z taqdim etaman.

"Shamolga qarshi suzish

Yelkanli kemalar qanday qilib "shamolga qarshi" ketishini yoki dengizchilar aytganidek, "yaqin masofaga" borishini tasavvur qilish qiyin. To'g'ri, dengizchi sizga to'g'ridan-to'g'ri shamolga qarshi suza olmasligingizni aytadi, lekin siz faqat shamol yo'nalishiga o'tkir burchak ostida harakat qilishingiz mumkin. Ammo bu burchak kichik - taxminan chorak to'g'ri burchak, - va bu, ehtimol, bir xil darajada tushunarsiz ko'rinadi: to'g'ridan-to'g'ri shamolga qarshi yoki unga 22 ° burchak ostida suzib yurish kerakmi.

Biroq, aslida, bu befarq emas va biz endi shamol kuchi bilan unga qanday qilib engil burchak ostida harakat qilish mumkinligini tushuntiramiz. Birinchidan, shamol umuman yelkanda qanday ta'sir qilishini, ya'ni yelkanni esganda qayerga surishini ko'rib chiqaylik. Shamol har doim yelkanni o'zi esgan tomonga suradi deb o'ylagandirsiz. Ammo bu unday emas: shamol qayerga essa, yelkanni yelkan tekisligiga perpendikulyar suradi. Haqiqatan ham: shamol quyidagi rasmdagi o'qlar bilan ko'rsatilgan yo'nalishda essin; AB chizig'i yelkanni ifodalaydi.

Shamol har doim yelkanni o'z tekisligiga to'g'ri burchak ostida itaradi.

Shamol yelkanning butun yuzasiga bir tekis bosganligi sababli, biz shamol bosimini yelkanning o'rtasiga qo'llaniladigan R kuchi bilan almashtiramiz. Biz bu kuchni ikkiga bo'lamiz: yelkanga perpendikulyar bo'lgan Q kuchi va uning bo'ylab yo'naltirilgan P kuchi (yuqoridagi rasmga qarang). Oxirgi kuch yelkanni hech qaerga surmaydi, chunki tuvaldagi shamolning ishqalanishi ahamiyatsiz. Yelkani unga to'g'ri burchak ostida itaruvchi Q kuchi qoladi.

Buni bilib, biz yelkanli kemaning shamolga nisbatan keskin burchak ostida qanday suzib ketishini osongina tushunishimiz mumkin. KK chizig'i kemaning kiel chizig'ini ifodalasin.

Qanday qilib shamolga qarshi suzishingiz mumkin?

Shamol bu chiziqqa o'tkir burchak ostida bir qator o'qlar bilan ko'rsatilgan yo'nalishda esadi. AB chizig'i yelkanni ifodalaydi; uning tekisligi keel yo'nalishi va shamol yo'nalishi orasidagi burchakni ikkiga bo'ladigan tarzda joylashtiriladi. Rasmdagi kuchlarning taqsimlanishiga rioya qiling. Biz yelkandagi shamol bosimini Q kuchi bilan ifodalaymiz, biz bilamizki, yelkanga perpendikulyar bo'lishi kerak. Bu kuchni ikkiga ajratamiz: kilga perpendikulyar bo'lgan R kuch va tomirning kil chizig'i bo'ylab oldinga yo'naltirilgan S kuch. Kemaning R yo'nalishi bo'yicha harakati suvdan kuchli qarshilikka duch kelganligi sababli (yelkanli kemalarda kiel juda chuqur), R kuchi suvning qarshiligi bilan deyarli to'liq muvozanatlangan. Ko'rib turganingizdek, oldinga yo'naltirilgan va shuning uchun kemani shamolga qarab burchak ostida harakatga keltiradigan yagona S kuch qoladi. [Yelkan tekisligi kiel va shamol yo'nalishlari orasidagi burchakni ikkiga bo'lganida S kuchi eng katta ekanligini isbotlash mumkin.]. Odatda bu harakat quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, zigzaglarda amalga oshiriladi. Dengizchilar tilida kemaning bunday harakati so'zning qat'iy ma'nosida "tacking" deb ataladi."

Endi hamma narsani ko'rib chiqaylik mumkin bo'lgan yo'nalishlar qayiqning yo'nalishiga nisbatan shamol.

Shamolga nisbatan kema yo'nalishining diagrammasi, ya'ni shamol yo'nalishi va vektor o'rtasidagi burchak (kurs).

Yuzingizga (leventik) shamol essa, yelkanlar u yoqdan bu yoqqa osilib turadi va yelkan bilan harakat qilish mumkin emas. Albatta, siz har doim yelkanlarni pastga tushirishingiz va dvigatelni yoqishingiz mumkin, ammo bu endi suzib yurish bilan hech qanday aloqasi yo'q.

Shamol to'g'ridan-to'g'ri orqangizdan esganda (jibe, tailwind), tezlashtirilgan havo molekulalari bir tomondan yelkanga bosim o'tkazadi va qayiq harakatlanadi. Bunday holda, kema faqat shamol tezligidan sekinroq harakat qilishi mumkin. Velosipedni shamolda haydash analogi bu erda ishlaydi - shamol sizning orqangizdan esadi va pedallarni aylantirish osonroq bo'ladi.

Shamolga qarshi (shamol orqasida) harakatlanayotganda, yelkan havo molekulalarining yelkandagi bosimi tufayli emas, balki jib holatida bo'lgani kabi, havo ko'taruvchi kuch tufayli ham harakat qiladi. turli tezliklar yelkan bo'ylab har ikki tomondan havo. Bundan tashqari, keel tufayli qayiq qayiqning yo'nalishiga perpendikulyar yo'nalishda emas, balki faqat oldinga siljiydi. Ya'ni, bu holda yelkan yaqin yelkandagi kabi soyabon emas, balki samolyot qanotidir.

O'tishlarimiz davomida biz asosan o'rtacha 7-8 tugun tezligida 15 knot tezlikda orqa va ko'rfaz shamollari bilan suzib yurdik. Ba'zan biz shamolga qarshi, yarim shamol va yaqin masofada suzib yurardik. Va shamol to'xtagach, ular dvigatelni yoqishdi.

Umuman olganda, shamolga qarshi yelkanli qayiq mo''jiza emas, balki haqiqatdir.

Eng qizig'i shundaki, qayiqlar nafaqat shamolga qarshi, balki shamoldan ham tezroq suzishi mumkin. Bu qayiq orqada turib, o'z shamolini yaratganda sodir bo'ladi.

Harakat yelkanli yaxta shamol aslida aniqlanadi oddiy bosim yelkanida shamol kemani oldinga siljitadi. Biroq, shamol tunnelidagi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, shamolga qarshi suzib yurish yelkanni yanada murakkab kuchlar to'plamiga ta'sir qiladi.

Kiruvchi havo yelkanning botiq orqa yuzasi bo'ylab oqib o'tganda havo tezligi pasayadi, yelkanning qavariq old yuzasi atrofida o'tganda esa bu tezlik ortadi. Natijada, yelkanning orqa yuzasida yuqori bosim maydoni va old yuzasida past bosim maydoni hosil bo'ladi. Yelkanning ikki tomonidagi bosim farqi yaxtani shamolga burchak ostida oldinga siljituvchi tortish (surish) kuchini hosil qiladi.

Shamolga taxminan to'g'ri burchak ostida joylashgan yelkanli yaxta (dengiz terminologiyasida yaxta bog'langan) tezda oldinga siljiydi. Yelkan tortish va lateral kuchlarga bo'ysunadi. Agar yelkanli yaxta shamolga keskin burchak ostida suzib ketsa, tortish kuchining kamayishi va yon kuchning kuchayishi tufayli uning tezligi sekinlashadi. Yelkanlar orqa tomonga qanchalik ko'p burilsa, yaxta shunchalik sekin oldinga siljiydi, ayniqsa katta lateral kuch tufayli.

Yelkanli yaxta to'g'ridan-to'g'ri shamolga suzib keta olmaydi, lekin u shamolga burchak ostida bir qator qisqa zigzag harakatlarini amalga oshirish orqali oldinga siljishi mumkin, bu "tacks" deb ataladi. Agar shamol chap tomonga (1) essa, yaxta o'ng tomoniga (2) essa, u o'ng tomonida suzib yurgan deb aytiladi. Masofani tezroq bosib o'tish uchun yaxtachi pastdagi chap rasmda ko'rsatilganidek, yelkanining holatini moslashtirib, yaxta tezligini chegaraga oshirishga harakat qiladi. To'g'ri chiziqdan chetga burilishni minimallashtirish uchun yaxta o'ng burchakdan portga va aksincha harakat qiladi. Yaxta yo'nalishini o'zgartirganda, yelkan boshqa tomonga tashlanadi va uning tekisligi shamol chizig'iga to'g'ri kelganda, u biroz vaqt tebranib turadi, ya'ni. faol emas (matn ostidagi o'rtadagi rasm). Yaxta o'zini o'lik zonada topadi va shamol yelkanni qarama-qarshi tomondan yana shishirguncha tezligini yo'qotadi.

Rus shoiri Mixail Yurievich Lermontov sevardi dengiz va uning asarlarida tez-tez tilga olingan. Oqartirish haqida ajoyib she’r yozgan suzib, dengizning olis kengliklarida to'lqinlar orasidan yuguradi. Ehtimol, siz Lermontovning she'ri bilan tanishsiz, chunki bu yelkanli kemalar haqidagi eng mashhur she'rlardir. Ularni o'qib, siz g'azablangan dengiz va uning to'lqinlari orasida go'zal kemalarni tasavvur qilishingiz mumkin. Shamol yelkanlarni to'ldiradi. Va shamol kuchi tufayli kemalar oldinga siljiydi. Ammo yelkanli qayiqlar qanday qilib shamolga qarshi suzib yurishadi?

Bunga javob berish uchun avvalo notanish so'zni o'rganishingiz kerak bo'ladi "tack".Galsom Kemaning shamolga nisbatan harakat yo'nalishi deyiladi. To'siq shamol chapdan esganda port bo'lishi mumkin yoki shamol o'ngdan esganda o'ng tomoni bo'lishi mumkin. "Tak" so'zining ikkinchi ma'nosini bilish juda muhim - bu yo'lning bir qismi, aniqrog'i, yelkanli qayiq harakatlanayotganda uning qismidir. shamolga qarshi. Esingizdami?

Endi yelkanli qayiqlar shamolga qarshi qanday suzib borishini tushunish uchun yelkanlarga qaraylik. Ular yelkanli qayiqda turli shakllar va o'lchamlari - tekis va qiyshiq. Va har kim o'z ishini qiladi. Oldindan shamol esayotganda, kema avval bir tomonga, keyin esa boshqa tomonga buriladigan qiya yelkanlar yordamida boshqariladi.

Ularning ortidan kema u yoki bu tomonga buriladi. U o'girilib, oldinga yuradi. Dengizchilar bu harakatni chaqirishadi - muqobil tayoqlarda harakat qilish. Uning mohiyati shundaki, shamol qiya yelkanlarni bosib, kemani bir oz yon tomonga va oldinga siljitadi. Yelkanli qayiqning ruli uning toʻliq burilishiga imkon bermaydi va mohir dengizchilar oʻz oʻrnini oʻzgartirib, yelkanlarni oʻz vaqtida harakatga keltiradilar. Shunday qilib, kichik zigzaglarda u oldinga siljiydi.

Albatta, yelkanli qayiqning butun ekipaji uchun o'zgaruvchan toklarga o'tish juda qiyin vazifadir. Ammo dengizchilar tajribali yigitlar. Ular qiyinchiliklardan qo'rqmaydilar va dengizni juda yaxshi ko'radilar.