Російський поет Михайло Юрійович Лермонтов любив мореі у своїх творах часто згадував про нього. Він написав чудовий вірш про білий вітрилащо мчить серед хвиль у далеких морських просторах. Напевно, тобі знайомий лермонтовський вірш, адже це найвідоміші віршовані рядки про вітрильників. Читаючи їх, можна уявити бурхливе море та красиві кораблі серед його хвиль. Вітер надує вітрила. І завдяки силі вітру кораблі рухаються вперед. Але як вітрильникам вдається плисти проти вітру?

Для того щоб на це відповісти, тобі спочатку доведеться вивчити незнайоме слово «галс».Галсомназивається напрямок руху судна щодо вітру. Галс може бути лівим, коли вітер дме зліва, або правим, якщо вітер дме справа. Важливо знати і друге значення слова "галс" - це частина шляху, вірніше, його відрізок, який проходить вітрильник, коли рухається проти вітру. Запам'ятав?

Тепер, щоб зрозуміти, як вітрильникам вдається плисти проти вітру, розберемося з вітрилами. Вони на вітрильнику бувають різних форм та розмірів – прямі та косі. І кожний виконує свою роботу. Коли дме зустрічний вітер, корабель керується за допомогою косих вітрил, які повертаються то в один бік, то в інший.

Слідом за ними і судно повертається у той чи інший бік. Повертається і йде вперед. Моряки називають такий рух рухом змінними галсами. Його суть полягає в тому, що вітер тисне на косі вітрила і зносить судно трохи вбік і вперед. Кермо вітрильника не дає йому повністю повернутись, та й умілі матроси вчасно надають руху вітрила, змінюючи їх положення. Так, невеликими зигзагами і рухається вперед.

Звичайно, рух змінними галсами - дуже важка справа для всієї команди вітрильника. Але матроси – загартовані хлопці. Вони не бояться труднощів і дуже люблять море.

4.4. Дія вітру на вітрило

На шлюпку під вітрилом впливають два середовища: повітряний потік, що діє на вітрило і надводну частину шлюпки, і вода, що діє на підводну частину шлюпки.

Завдяки формі вітрила навіть при несприятливому вітрі (бейдевінд) шлюпка може рухатися вперед. Вітрило нагадує крило, найбільший прогин якого віддалений від передньої шкаторини на 1/3-1/4 ширини вітрила і має величину 8-10% ширини вітрила (рис. 44).

Якщо вітер, що має напрямок (рис. 45, а), зустрічає на шляху вітрило, він огинає його з двох сторін. З вітряної сторони вітрила створюється тиск вище (+), ніж з Подветренной (-). Рівнодіяльна сила тиску утворює силу Р, спрямовану перпендикулярно площині вітрила або хорді, що проходить через передню і задню шкаторини і прикладена до центру парусності ЦП (рис. 45, б).

Рис. 44. Профіль вітрила:
В - ширина вітрила по хорді

Рис. 45. Сили, що діють на вітрило та корпус шлюпки:
а - дія вітру на вітрило; б - дія вітру на вітрило і води на корпус шлюпки

Рис. 46. ​​Правильне положення вітрила за різних напрямків вітру: а - бейдевінд; б - галфвінд; в - фордевінд

Сила Р розкладається на силу тяги Т, спрямовану паралельно діаметральної площини (ДП) шлюпки, що змушує шлюпку рухатися вперед, і силу дрейфу Д, спрямовану перпендикулярно ДП, що викликає дрейф і крен шлюпки.

Сила Р залежить від швидкості та напрямку вітру щодо вітрила. Чим більше
Якщо
Дія води на шлюпку залежить від обводів її підводної частини.

Незважаючи на те, що при вітрі бейдевінд сила дрейфу Д перевищує силу тяги Т, шлюпка має хід уперед. Тут дається взнаки бічний опір R 1 підводної частини корпусу, яке в багато разів більше лобового опору R.

Рис. 47. Вимпильний вітер:
І - істинний вітер; У Ш – вітер від руху шлюпки; В В - вимпельний вітер

Сила Д, незважаючи на протидію корпусу, все ж таки зносить шлюпку з лінії курсу. Складений ДП та напрямком істинного руху шлюпки ІП
Таким чином, найбільша тяга та найменший дрейф шлюпки можуть бути отримані шляхом вибору найбільш вигідного положення діаметральної площини шлюпки та площини вітрила щодо вітру. Встановлено, що кут між ДП шлюпки та площиною вітрила повинен дорівнювати половині
При виборі положення вітрила щодо ДП і вітру старшина шлюпки керується не істинним, а вимпельним (здається) вітром, напрямок якого визначається рівнодією від швидкості шлюпки та швидкості істинного вітру (рис. 47).

Клівер, розташований перед фоком, виконує роль передкрилка. Потік повітря, що проходить між клівером та фоком, зменшує тиск на підвітряному боці фоку і, отже, збільшує його тягову силу. Це відбувається лише за умови, що кут між клівером та ДП шлюпки дещо більший за кут між фоком та ДП (рис. 48, а).

"Попутного вітру!" - бажають усім морякам, і даремно: коли вітер дме з корми, яхта не здатна розвинути максимальну швидкість. Цю схему допоміг зробити Вадим Ждан, професійний шкіпер, гонщик, організатор та провідний яхтовий регат. Читайте підказки на схемі, щоб розібратися.

2. Тяга вітрила утворюється завдяки двом факторам. По-перше, вітер просто тисне на вітрила. По-друге, косі вітрила, встановлені на більшості сучасних яхт, при обтіканні повітрям працюють, як крило літака, і тільки спрямована вона не вгору, а вперед. Через особливості аеродинаміки повітря з опуклої сторони вітрила рухається швидше, ніж з увігнутої, і тиск із зовнішнього боку вітрила менше, ніж з внутрішньої.

3. Повна сила, створювана вітрилом, спрямована перпендикулярно до полотна. За правилом складання векторів у ній можна виділити силу дрейфу (червона стрілка) та силу тяги (зелена стрілка).

5. Щоб йти суворо проти вітру, яхта лавірує: повертається до вітру то одним, то іншим бортом, просуваючись вперед відрізками – галсами. Наскільки довгими мають бути галси і під яким кутом до вітру йти важливі питання шкіперської тактики.

9. Галфвінд− вітер дме перпендикулярно до напрямку руху.

11. Фордевінд- Той самий попутний вітер, що дме з корми. Попри очікування, не найшвидший курс: тут підйомна сила вітрила не використовується, і теоретична межа швидкості не перевищує швидкості вітру. Досвідчений шкіпер вміє передбачати невидимі повітряні течії так само,

РУХОВА СИЛА ВІТРУ

На сайті NASA опубліковані дуже цікаві матеріали про різні фактори, що впливають на формування крилом літака підйомної сили. Там же представлені інтерактивні графічні моделі, які демонструють, що підйомна сила може формуватися симетричним крилом за рахунок відхилення потоку.

Вітрило, перебуваючи під кутом до повітряного потоку, відхиляє його (рис. 1г). Повітряний потік, що йде через «верхню», підвітряну сторону вітрила, проходить більш довгий шлях і, відповідно до принципу нерозривності потоку, рухається швидше, ніж з навітряної, «нижньої» сторони. Результат - тиск з вітряного боку вітрила менше, ніж з вітряного боку.

При русі курсом фордевінд, коли вітрило встановлено перпендикулярно до напрямку вітру, рівень підвищення тиск з вітряної сторони більше, ніж рівень зниження тиску з вітряного боку, тобто вітер більше штовхає яхту, ніж тягне. У міру того, як яхта повертатиме гостріше до вітру, це співвідношення змінюватиметься. Так, якщо вітер дме перпендикулярно курсу яхти, збільшення тиску на вітрило з вітряної сторони має менший вплив на швидкість, ніж зниження тиску з вітряного боку. Тобто вітрило більше тягне яхту, ніж штовхає.

Рух яхти відбувається завдяки тому, що вітер взаємодіє з вітрилом. Аналіз цієї взаємодії призводить до несподіваних для багатьох новачків результатів. Виявляється, що максимальна швидкість досягається, зовсім не коли вітер дме ззаду, а побажання «попутного вітру» несе в собі зовсім несподіваний сенс.

Як вітрило, і кіль, при взаємодії з потоком, відповідно, повітря чи води, створюють підйомну силу, отже, для оптимізації їх можна застосувати теорію крила.

РУХОВА СИЛА ВІТРУ

Повітряний потік має кінетичну енергію і, взаємодіючи з вітрилами, здатний рухати яхту. Робота, як вітрила, і крила літака, описується законом Бернуллі, за яким збільшення швидкості потоку призводить до зменшення тиску. При переміщенні в повітряному середовищі крило розділяє потік. Частина його обходить крило зверху, частину знизу. Крило літака спроектовано так, що повітряний потік, що проходить над верхньою стороною крила, рухається швидше, ніж потік, який проходить під нижньою частиною крила. Результат - тиск над крилом значно нижчий, ніж під. Різниця тиску є підйомна сила крила (рис. 1а). Завдяки складній формі крило здатне генерувати підйомну силу навіть у тому випадку, коли розсікає потік, який рухається паралельно площині крила.

Вітрило може рухати яхту тільки в тому випадку, якщо знаходиться під деяким кутом до потоку та відхиляє його. Дискусійним залишається питання, яка частина підйомної сили пов'язана з ефектом Бернуллі, а яка є результатом відхилення потоку. Згідно з класичною теорією крила підйомна сила виникає виключно в результаті різниці швидкостей потоку над і під асиметричним крилом. Разом про те добре відомо, як і симетричне крило здатне створювати підйомну силу, якщо встановлено під певним кутом до потоку (рис. 1б). В обох випадках кут між лінією, що з'єднує передню і задню точки крила і напрямком потоку, називається кутом атаки.

Підйомна сила збільшується зі збільшенням кута атаки, проте ця залежність працює лише за невеликих значеннях цього кута. Як тільки кут атаки перевищує критичний рівень і відбувається зрив потоку, на верхній поверхні крила утворюються численні вихори, а підйомна сила різко зменшується (рис. 1в).

Яхтсмени знають, що фордевінд далеко не найшвидший курс. Якщо вітер тієї ж сили дме під кутом 90 градусів до курсу, яхта рухається набагато швидше. На курсі фордевінд сила, з якою вітер тисне на вітрило, залежить від швидкості яхти. З максимальною силою вітер тисне на вітрило яхти, що стоїть без руху (рис. 2а). У міру збільшення швидкості тиск на вітрило падає і стає мінімальним, коли яхта досягає максимальної швидкості (рис. 2б). Максимальна швидкість на курсі фордевінд завжди менша за швидкість вітру. Причин тому, кілька: по-перше, тертя, за будь-якого руху деяка частина енергії витрачається на подолання різних сил, що перешкоджають руху. Але головне те, що сила, з якою вітер тисне на вітрило, пропорційна квадрату швидкості вимпельного вітру, а швидкість вимпельного вітру на курсі фордевінд дорівнює різниці швидкості істинного вітру та швидкості яхти.

Курсом галфвінд (під 90º до вітру) вітрильні яхти здатні рухаються швидше за вітер. У рамках цієї статті ми не обговорюватимемо особливості вимпельного вітру, зазначимо тільки, що на курсі галфвінд, сила, з якою вітер тисне на вітрила, меншою мірою залежить від швидкості яхти (мал. 2в).

Основним фактором, що перешкоджає збільшенню швидкості, є тертя. Тому вітрильники з невеликим опором руху здатні досягати швидкості, що набагато перевищує швидкість вітру, але не на курсі фордевінд. Наприклад, буєр, за рахунок того, що ковзани мають мізерний опір ковзання, здатний розігнатися до швидкості 150 км/год при швидкості вітру 50 км/год і навіть менше.

The Physics of Sailing Explained: An Introduction

ISBN 1574091700, 9781574091700

Вітру, які у Південній частині Тихого океану дмуть у західному напрямку. Саме тому наш маршрут був складений так, щоб на вітрильній яхті "Джульєтта" рухатися зі сходу на захід, тобто так, що вітер дме у спину.

Однак якщо подивитися на наш маршрут, ви помітите, що часто, наприклад, при русі з півдня на північ від Самоа до Токелау, нам доводилося рухатися перпендикулярно до вітру. А іноді напрям вітру зовсім змінювався і доводилося йти проти вітру.

Маршрут "Джульєтти"

Що робити у такому разі?

Вітрильні судна вже давно вміють ходити проти вітру. Про це давно добре і просто написав класик Яків Перельман у своїй Другій книзі із циклу «Цікава фізика». Цей шматочок я тут наводжу буквально з картинками.

"Під вітрилами проти вітру

Важко уявити собі, як можуть вітрильні судна йти «проти вітру» - або, за словами моряків, йти «в бейдевінд». Правда, моряк скаже вам, що проти вітру йти під вітрилами не можна, а можна рухатися лише під гострим кутом до напрямку вітру. Але кут цей малий - близько чверті прямого кута, - і видається, мабуть, однаково незрозумілим: чи плисти прямо проти вітру або під кутом до нього в 22 °.

Насправді це, однак, не байдуже, і ми зараз пояснимо, яким чином силою вітру можна йти назустріч йому під невеликим кутом. Спочатку розглянемо, як діє вітер на вітрило, т. е. куди він штовхає вітрило, коли дме на нього. Ви, мабуть, думаєте, що вітер завжди штовхає вітрило в той бік, куди сам дме. Але це не так: куди б вітер не дув, він штовхає вітрило перпендикулярно до площини вітрила. Справді: нехай вітер дме у напрямі, вказаному стрілками на малюнку нижче; лінія АВ позначає вітрило.

Вітер штовхає вітрило завжди під прямим кутом до його площини.

Так як вітер напирає рівномірно на всю поверхню вітрила, замінюємо тиск вітру силою R, прикладеної до середини вітрила. Цю силу розкладемо на дві: силу Q, перпендикулярну до вітрила, і силу Р, спрямовану вздовж нього (див. рис. вгорі, праворуч). Остання сила нікуди але штовхає вітрило, тому що тертя вітру об полотно незначне. Залишається сила Q, яка штовхає вітрило під прямим кутом до нього.

Знаючи це, ми легко зрозуміємо, як вітрильне судно може йти під гострим кутом назустріч вітру. Нехай лінія КК зображує кільову лінію судна.

Як можна йти вітрилами проти вітру.

Вітер дме під гострим кутом до цієї лінії у напрямку, вказаному поруч стрілок. Лінія АВ зображує вітрило; його поміщають так, щоб площина його ділила навпіл кут між напрямком кіля та напрямом вітру. Простежте малюнку за розкладанням сил. Натиск вітру на вітрило ми зображаємо силою Q, яка, ми знаємо, має бути перпендикулярна до вітрила. Цю силу розкладемо на дві: силу R, перпендикулярну до кіля, і силу S, спрямовану вперед, вздовж кільової лінії судна. Оскільки рух судна у бік R зустрічає сильний опір води (кіль у вітрильних суднах робиться дуже глибоким), то сила R майже повністю врівноважується опором води. Залишається лише сила S, яка, як бачите, спрямована вперед і, отже, посуває судно під кутом, ніби назустріч вітру. [Можна довести, що сила S набуває найбільшого значення тоді, коли площина вітрила ділить навпіл кут між напрямками кіля та вітру.]. Зазвичай цей рух виконується зигзагами, як показує малюнок нижче. Мовою моряків такий рух судна називається «лавіровкою» у тісному значенні слова."

Давайте розглянемо всі можливі напрямки вітру щодо курсу човна.

Схема курсів судна щодо вітру, тобто кутом між напрямком вітру та вектором від корми до носа (курсом).

Коли вітер дме в обличчя (левентик), вітрила бовтаються з боку на бік і рухатися з вітрилом неможливо. Зрозуміло, завжди можна спустити вітрила і включити мотор, але це вже не має відношення до ходіння під вітрилом.

Коли вітер дме точно в спину (фордевінд, попутний вітер), розігнані молекули повітря чинять вітрило з одного боку і човен рухається. У цьому випадку судно може рухатися лише повільніше за швидкість вітру. Тут працює аналогія катання на велосипеді за вітром – вітер дме в спину та педалі крутити легше.

При русі проти вітру (бейдевінд) вітрило рухається не через тиск молекул повітря на вітрило ззаду, як у випадку фордевінду, а через підйомну силу, яка створюється за рахунок різних швидкостей повітря з двох сторін уздовж вітрила. У цьому через кіля, човен рухається над перпендикулярному до курсу човна напрямі, лише вперед. Тобто вітрило в цьому випадку – це не парасолька, як у випадку бейдевінду, а крило літака.

Під час наших переходів ми здебільшого йшли бакштагами та галфвіндами із середньою швидкістю в 7-8 вузлів при швидкості вітру від 15 вузлів. Іноді ми йшли проти вітру, галфвіндом та бейдевіндом. А коли вітер загасав – вмикали мотор.

Загалом, човен з вітрилом, що йде проти вітру – це не диво, а реальність.

Найцікавіше, що човни вміють ходити не тільки проти вітру, але навіть швидше за вітер. Відбувається це, коли човен іде бакштагом, створюючи "власний вітер".