كيف تتمكن المراكب الشراعية من الإبحار عكس الريح؟ القوى المؤثرة على بدن اليخت وأشرعته كيف تسبح المراكب الشراعية في مواجهة الريح.

الرياح التي في الجزء الجنوبي المحيط الهاديتهب في اتجاه غربي. هذا هو السبب في أن خط سير الرحلة تم تصميمه بهذه الطريقة يخت شراعي"جولييت" تتحرك من الشرق إلى الغرب ، أي أن الرياح تهب في الخلف.

ومع ذلك ، إذا نظرت إلى طريقنا ، ستلاحظ أنه في كثير من الأحيان ، على سبيل المثال ، عند الانتقال من الجنوب إلى الشمال من ساموا إلى توكيلاو ، كان علينا التحرك بشكل عمودي مع الريح. وأحيانًا يتغير اتجاه الريح تمامًا وكان عليك أن تسير عكس اتجاه الريح.

طريق جولييت

ماذا تفعل في هذه الحالة؟

لطالما تمكنت السفن الشراعية من الإبحار عكس الريح. كتب ياكوف بيرلمان الكلاسيكي عن هذا الأمر لفترة طويلة وببساطة في كتابه الثاني من سلسلة الفيزياء الترفيهية. هذه القطعة التي أقتبسها هنا حرفيًا بالصور.

"الإبحار عكس الريح

من الصعب أن نتخيل كيف يمكن للسفن الشراعية أن تسير "عكس اتجاه الريح" - أو ، على حد تعبير البحارة ، "تجرها". صحيح أن البحار سيخبرك أنه لا يمكنك الإبحار مباشرة في اتجاه الريح ، لكن لا يمكنك التحرك إلا بزاوية حادة في اتجاه الريح. لكن هذه الزاوية صغيرة - حوالي ربع الزاوية القائمة - ويبدو ، ربما ، غير مفهوم بنفس القدر: ما إذا كان يجب الإبحار مباشرة عكس الريح أو بزاوية 22 درجة.

في الواقع ، هذا ليس غير مبال ، وسنشرح الآن كيف يمكن التحرك نحوه بزاوية طفيفة بواسطة قوة الريح. دعونا نفكر أولاً في كيفية تأثير الريح على الشراع بشكل عام ، أي حيث تدفع الشراع عندما تهب عليه. ربما تعتقد أن الرياح تدفع الشراع دائمًا في اتجاه هبوبه. لكن الأمر ليس كذلك: فأينما تهب الرياح ، تدفع الشراع بشكل عمودي على مستوى الشراع. في الواقع: دع الريح تهب في الاتجاه الذي تشير إليه الأسهم في الشكل أدناه ؛ يمثل الخط AB الشراع.

تدفع الرياح الشراع دائمًا بزوايا قائمة على مستواه.

نظرًا لأن الرياح تدفع بالتساوي على كامل سطح الشراع ، فإننا نستبدل ضغط الرياح بالقوة R المطبقة على منتصف الشراع. نحلل هذه القوة إلى قسمين: القوة Q ، العمودية على الشراع ، والقوة P ، الموجهة على طولها (انظر الشكل أعلاه ، على اليمين). القوة الأخيرة تدفع الشراع إلى أي مكان ، لأن احتكاك الريح على القماش ضئيل. تبقى هناك قوة Q تدفع الشراع بزوايا قائمة عليه.

بمعرفة ذلك ، يمكننا أن نفهم بسهولة كيف يمكن للسفينة الشراعية أن تتحرك بزاوية حادة في اتجاه الريح. دع خط KK يمثل خط عارضة السفينة.

كيف يمكنك أن تبحر عكس الريح.

تهب الرياح بزاوية حادة لهذا الخط في الاتجاه الذي يشير إليه صف الأسهم. يمثل الخط AB الشراع ؛ يتم وضعها بحيث تقسم مستواها الزاوية بين اتجاه العارضة واتجاه الريح. اتبع الرسم البياني لتوزيع القوى. نحن نمثل ضغط الريح على الشراع بالقوة Q ، والتي ، كما نعلم ، يجب أن تكون عمودية على الشراع. نحلل هذه القوة إلى قسمين: القوة R ، العمودية على العارضة ، والقوة S ، الموجهة للأمام على طول خط عارضة السفينة. نظرًا لأن حركة الوعاء في الاتجاه R تقابل مقاومة قوية للماء (الانقلاب السفن الشراعيةيصبح عميقًا جدًا) ، ثم يتم موازنة القوة R تمامًا تقريبًا بمقاومة الماء. تبقى القوة S فقط ، والتي ، كما ترى ، موجهة للأمام ، وبالتالي ، تحرك السفينة بزاوية ، كما لو كانت في اتجاه الريح. [يمكن إثبات أن القوة S تكون أكبر عندما يقسم مستوى الشراع الزاوية بين اتجاهي العارضة والرياح.]. عادة ما يتم تنفيذ هذه الحركة في شكل متعرج ، كما هو موضح في الشكل أدناه. في لغة البحارة ، تسمى مثل هذه الحركة للسفينة "التزحلق" بالمعنى الضيق للكلمة.

دعنا الآن نلقي نظرة على كل شيء الاتجاهات الممكنةالرياح بالنسبة لمسار القارب.

رسم تخطيطي لدورات السفينة بالنسبة للرياح ، أي الزاوية بين اتجاه الريح والمتجه من المؤخرة إلى القوس (المسار).

عندما تهب الرياح في الوجه (ريح الرأس) ، تتدلى الأشرعة من جانب إلى آخر ومن المستحيل التحرك مع الشراع. بالطبع ، يمكنك دائمًا خفض الأشرعة وتشغيل المحرك ، لكن هذا لم يعد مناسبًا للإبحار.

عندما تهب الرياح في الخلف بالضبط (jibe ، الريح الخلفية) ، تضغط جزيئات الهواء المشتتة على الشراع من جانب واحد ويتحرك القارب. في هذه الحالة ، لا يمكن للسفينة أن تتحرك إلا بسرعة أبطأ من سرعة الرياح. تشبيه ركوب الدراجة في مهب الريح يعمل هنا - تهب الرياح في الخلف ومن السهل أن تقوم بالدواسة.

عند التحرك عكس اتجاه الريح (جر) ، يتحرك الشراع ليس بسبب ضغط جزيئات الهواء على الشراع من الخلف ، كما في حالة jibe ، ولكن بسبب قوة الرفع التي يتم إنشاؤها بسبب سرعات الهواء المختلفة على كليهما الجانبين على طول الشراع. في الوقت نفسه ، بسبب العارضة ، لا يتحرك القارب في اتجاه عمودي على مسار القارب ، بل يتحرك للأمام فقط. أي أن الشراع في هذه الحالة ليس مظلة ، كما في حالة الرياح السيئة ، ولكنه جناح طائرة.

خلال ممراتنا ، أبحرنا في الغالب مع الركائز الخلفية ورياح الخليج بمتوسط ​​سرعة 7-8 عقدة مع سرعة رياح تبلغ 15 عقدة. أحيانًا كنا نسير عكس اتجاه الريح ، نصف ريح ونقارب. وعندما خمدت الريح ، قاموا بتشغيل المحرك.

بشكل عام ، القارب ذو الشراع المعاكس للريح ليس معجزة ، ولكنه حقيقة واقعة.

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن القوارب لا يمكنها السير في مواجهة الريح فحسب ، بل حتى أسرع من الرياح. يحدث هذا عندما يعود القارب إلى الوراء ، ويخلق رياحه الخاصة.

"ريح عادلة!" - أتمنى لجميع البحارة ، وعبثًا تمامًا: عندما تهب الرياح من المؤخرة ، لا يستطيع اليخت تطوير السرعة القصوى. لقد ساعدت في عمل هذا الرسم التخطيطي. فاديم زدان، ربان محترف ، متسابق ، منظم ومضيف لسباقات اليخوت. اقرأ التلميحات على الرسم التخطيطي لمعرفة ذلك.

2. دفع الشراع يرجع إلى عاملين. أولاً ، تضغط الرياح ببساطة على الأشرعة. ثانيًا ، الأشرعة المائلة ، المثبتة في معظم اليخوت الحديثة ، تعمل كجناح طائرة ، عندما تتدفق بالهواء ، ولا يتم توجيهها للأعلى فقط ، بل للأمام. بسبب الديناميكيات الهوائية ، يتحرك الهواء بشكل أسرع على الجانب المحدب من الشراع منه على الجانب المقعر ، ويكون الضغط على الجزء الخارجي من الشراع أقل منه في الداخل.

3. يتم توجيه القوة الكاملة الناتجة عن الشراع بشكل عمودي على القماش. وفقًا لقاعدة إضافة المتجه ، من الممكن التمييز بين قوة الانجراف (السهم الأحمر) وقوة الدفع (السهم الأخضر) فيه.

5. لمقاومة الريح بشكل صارم ، يدق اليخت: يتجه إلى الريح مع أحد الجانبين أو الآخر ، يتحرك للأمام في قطاعات - مسامير. كم من الوقت يجب أن تكون المسامير وبأي زاوية لتذهب الريح - أسئلة مهمة لتكتيكات الربان.

9. جلفويند- تهب الرياح بشكل عمودي على اتجاه السفر.

11. jibe- نفس الرياح الخلفية تهب من المؤخرة. على عكس التوقعات ، ليس المسار الأسرع: هنا لا يتم استخدام رفع الشراع ، ولا يتجاوز حد السرعة النظري سرعة الرياح. يمكن للقائد المتمرس أن يتنبأ بالتيارات الهوائية غير المرئية بنفس الطريقة

قبل الشروع في التفكير في تشغيل الشراع ، من الضروري الخوض في نقطتين قصيرتين لكن مهمتين:
1. حدد نوع الرياح التي تؤثر على الأشرعة.
2. تحدث عن المصطلحات البحرية المحددة المرتبطة بالدورات التدريبية المتعلقة بالرياح.

رياح حقيقية ومعلمة في اليخوت.

الريح التي تعمل على سفينة متحركة وكل شيء عليها يختلف عن ذلك الذي يعمل على أي جسم ثابت.
في الواقع ، تهب الرياح كظاهرة جوية نسبة إلى الأرض أو الماء ، نسميها الريح الحقيقية.
في اليخوت ، تسمى الرياح بالنسبة إلى اليخت المتحرك بـ pennant wind وهي المجموع الريح الحقيقيةوتدفق الهواء القادم بسبب حركة السفينة.
تهب الرياح الظاهرة دائمًا على القارب بزاوية أكثر حدة من الريح الحقيقية.
يمكن أن تكون سرعة الرياح الظاهرة أكبر (إذا كانت الرياح الحقيقية هي رياح معاكسة أو جانبية) ، أو أقل من الريح الحقيقية (إذا كانت من الاتجاهات الصحيحة).

الاتجاهات المتعلقة بالرياح.

في مهب الريحيعني من اتجاه تهب الرياح.
تحت الريحعلى الجانب الذي تهب فيه الريح.
هذه المصطلحات ، بالإضافة إلى المشتقات منها ، مثل "windward" ، "leeward" ، تُستخدم على نطاق واسع جدًا ، وليس فقط في اليخوت.
عندما يتم تطبيق هذه الشروط على السفينة ، فمن المعتاد أيضًا التحدث عن جوانب الريح والرياح.
إذا هبت الرياح من الجانب الأيمن لليخت ، فسيتم استدعاء هذا الجانب مهب الريح، الجهه اليسرى - المواجه للريحعلى التوالى.
المسار الأيسر والأيمن هما مصطلحان مرتبطان ارتباطًا مباشرًا بالمصطلحات السابقة: إذا هبت الرياح إلى الجانب الأيمن من السفينة ، فيقولون أنه على الجانب الأيمن ، إذا كان على اليسار ، ثم على اليسار.
في المصطلحات البحرية الإنجليزية ، يختلف ما يرتبط بجانب الميمنة وجانب الميناء عن اليمين واليسار المعتاد. حول الجانب الأيمن وكل ما يتعلق به ، يقولون Starboard ، حول الجانب الأيسر - Port.

دورات الرياح.

تختلف الدورات عبر الريح تبعًا للزاوية بين اتجاه الرياح الظاهرة واتجاه السفينة. يمكن تقسيمها إلى حادة وكاملة.

الريح السيئ - مسار حاد بالنسبة للريح. عندما تهب الرياح بزاوية أقل من 80 درجة. يمكن نقلها عن كثب (حتى 50 درجة) وكاملة (50 إلى 80 درجة).
دورات الرياح الكاملة هي دورات عندما تهب الرياح بزاوية 90 درجة أو أكثر في اتجاه القارب.
تشمل هذه الدورات:
Gulfwind - تهب الرياح بزاوية 80 إلى 100 درجة.
Backstay - تهب الرياح بزاوية 100 إلى 150 درجة (دعامة شديدة الانحدار) و 150 إلى 170 درجة (دعامة كاملة).
جيب - تهب الرياح للخلف بزاوية تزيد عن 170 درجة.
Leventik - الريح قادمة أو قريبة منها. نظرًا لأن السفينة الشراعية لا يمكنها التحرك ضد مثل هذه الرياح ، فغالبًا ما يطلق عليها ليس مسارًا ، بل موقعًا متعلقًا بالرياح.

مناورات الرياح.

عندما يغير يخت تحت الشراع مساره بحيث تقل الزاوية بين الرياح والاتجاه ، يقال إن السفينة معطى. بمعنى آخر ، العنوان يعني الذهاب بزاوية أكثر حدة مع الريح.
إذا حدثت العملية العكسية ، أي يغير اليخت مساره في اتجاه زيادة الزاوية بينه وبين الريح ، فإن السفينة يتحمل .
دعونا نوضح أن المصطلحين ("يتم قيادتها" و "إخراجها" يتم استخدامها عندما يغير القارب مساره بالنسبة إلى الريح داخل نفس المسار.
إذا غيرت السفينة مسارها ، فعندئذ (وعندها فقط!) تسمى هذه المناورة في اليخوت بالدوران.
هناك طريقتان مختلفتان لتغيير المسار ، وبالتالي ، هناك منعطفان: تكو jibe .
المسار هو منعطف ضد الريح. يتم دفع السفينة ، ويعبر قوس القارب خط الريح ، وفي مرحلة ما تمر السفينة عبر موقع الميناء ، وبعد ذلك تقع على الجانب الآخر.
اليخوت عندما يحدث jibing في الاتجاه المعاكس: السفينة تبتعد ، المؤخرة تعبر خط الرياح ، الأشرعة يتم نقلها إلى الجانب الآخر ، اليخت يقع على الجانب الآخر. غالبًا ما يكون هذا تحولًا من دورة كاملة إلى أخرى.

الإبحار في اليخوت.

تتمثل إحدى المهام الرئيسية للبحار عند العمل مع الأشرعة في توجيه الشراع بالزاوية المثلى بالنسبة إلى الريح من أجل التقدم بشكل أفضل. للقيام بذلك ، تحتاج إلى فهم كيفية تفاعل الشراع مع الريح.
يشبه عمل الشراع من نواحٍ كثيرة عمل جناح الطائرة ويحدث وفقًا لقوانين الديناميكا الهوائية. بالنسبة لرجال اليخوت الفضوليين بشكل خاص ، يمكنك معرفة المزيد حول الديناميكا الهوائية للشراع كجناح في سلسلة من المقالات:. لكن من الأفضل القيام بذلك بعد قراءة هذا المقال ، والانتقال تدريجياً من المواد السهلة إلى المواد الأكثر تعقيدًا. لكن لمن أقول هذا؟ أصحاب اليخوت الحقيقيين لا يخافون من الصعوبات. ويمكنك أن تفعل كل شيء عكس ذلك تمامًا.

الفرق الرئيسي بين الشراع وجناح الطائرة هو أنه لظهور قوة هوائية على الشراع ، يلزم وجود زاوية معينة غير صفرية بينه وبين الريح ، وتسمى هذه الزاوية بزاوية الهجوم. جناح الطائرة له شكل غير متماثل ويمكن أن يعمل بشكل طبيعي بزاوية صفر للهجوم ، الشراع لا يعمل.
في عملية تدفق الرياح حول الشراع ، تنشأ قوة ديناميكية هوائية تدفع اليخت في النهاية إلى الأمام.
ضع في اعتبارك عمل شراع في اليخوت في دورات مختلفة تتعلق بالرياح. أولاً ، من أجل التبسيط ، تخيل أن الصاري بشراع واحد محفور في الأرض ويمكننا توجيه الريح بزوايا مختلفة إلى الشراع.

زاوية الهجوم 0 درجة. تهب الرياح على طول الشراع ، والشراع يرفرف مثل العلم. لا توجد قوة ديناميكية هوائية على الشراع ، يوجد فقط قوة سحب.
زاوية الهجوم 7 درجات. تبدأ القوة الديناميكية الهوائية في الظهور. يتم توجيهه بشكل عمودي على الشراع ولا يزال صغير الحجم.
زاوية الهجوم حوالي 20 درجة. وصلت القوة الديناميكية الهوائية إلى أقصى قيمتها من حيث الحجم ، موجهة بشكل عمودي على الشراع.
زاوية الهجوم 90 درجة. فيما يتعلق بالحالة السابقة ، لم تتغير القوة الديناميكية الهوائية بشكل كبير سواء في الحجم أو في الاتجاه.
وهكذا ، نرى أن القوة الديناميكية الهوائية يتم توجيهها دائمًا بشكل عمودي على الشراع وأن حجمها لا يتغير عمليًا في نطاق الزوايا من 20 إلى 90 درجة.
زوايا الهجوم الأكبر من 90 درجة لا معنى لها ، لأن الأشرعة على اليخت لا يتم وضعها عادة في مثل هذه الزوايا بالنسبة للرياح.

إن تبعيات القوة الديناميكية الهوائية على زاوية الهجوم المذكورة أعلاه مبسطة ومتوسطة إلى حد كبير.
في الواقع ، تختلف هذه الخصائص بشكل ملحوظ اعتمادًا على شكل الشراع. على سبيل المثال ، فإن الشراع الرئيسي الطويل والضيق والمسطح من يخوت السباق سيكون له أقصى قوة ديناميكية هوائية بزاوية هجوم تبلغ حوالي 15 درجة ، وعند الزوايا الأعلى تكون القوة أقل إلى حد ما. إذا كان الشراع ممتلئًا بالبطون ولا يحتوي على استطالة كبيرة جدًا ، فيمكن أن تكون القوة الديناميكية الهوائية عليه بحد أقصى بزاوية هجوم تبلغ حوالي 25-30 درجة.

الآن فكر في تشغيل الشراع على اليخت.

من أجل التبسيط ، دعنا نتخيل أن هناك شراعًا واحدًا فقط على اليخت. فليكن الكهف.
أول شيء يجب النظر إليه هو كيف يتصرف نظام اليخوت + الشراع عند الإبحار في أكثر الدورات حدة بالنسبة للرياح ، حيث يثير هذا عادةً معظم الأسئلة.

لنفترض أن الرياح تعمل على اليخت بزاوية 30-35 درجة على بدن اليخت. من خلال توجيه الشراع على المسار بزاوية 20 درجة تقريبًا مع الريح ، سنحصل على القوة الهوائية الكافية A عليه.
نظرًا لأن هذه القوة تعمل بزاوية قائمة على الشراع ، فإننا نرى أنها تسحب اليخت بقوة إلى الجانب. من خلال تحليل القوة A إلى مكونين ، يمكنك أن ترى أن قوة الدفع الأمامي T أقل عدة مرات من القوة التي تدفع القارب جانبياً (D ، قوة الانجراف).
لماذا يتحرك اليخت في هذه الحالة للأمام؟
والحقيقة هي أن تصميم الجزء الموجود تحت الماء من الهيكل يجعل مقاومة الهيكل للحركة إلى الجانب (ما يسمى بالمقاومة الجانبية) أكبر بعدة مرات من مقاومة الحركة للأمام. يتم تسهيل ذلك من خلال العارضة (أو اللوح المركزي) والدفة وشكل الهيكل.
ومع ذلك ، تحدث المقاومة الجانبية عندما يكون هناك شيء ما لمقاومته ، أي لكي تبدأ في العمل ، فإن بعض الإزاحة من الجسم إلى الجانب ضرورية ، ما يسمى بانجراف الرياح.

ينشأ هذا الإزاحة بشكل طبيعي تحت تأثير المكون الجانبي للقوة الديناميكية الهوائية ، وكاستجابة ، تنشأ قوة السحب الجانبي S على الفور ، موجهة في الاتجاه المعاكس. كقاعدة ، يوازنون بعضهم البعض بزاوية انجراف تبلغ حوالي 10-15 درجة.
لذلك ، من الواضح أن المكون الجانبي للقوة الديناميكية الهوائية ، والذي يكون أكثر وضوحًا في الدورات الحادة بالنسبة للرياح ، يتسبب في ظاهرتين غير مرغوب فيهما: انجراف الرياح وانحرافها.

يعني انجراف الرياح أن مسار اليخت لا يتطابق مع مستواه القطري (مستوى القطر ، أو DP ، هو مصطلح "ذكي" لخط القوس والمؤخرة). هناك إزاحة ثابتة لليخت تحت الرياح ، والحركة ، كما كانت ، جانبية قليلاً.
من المعروف أنه عند ركوب اليخوت في مسار النقل بمعدل متوسط احوال الطقسانجراف الرياح كزاوية بين DP والمسار الحقيقي حوالي 10-15 درجة.

التحرك عكس الريح. العبث.

نظرًا لأن ركوب اليخوت تحت الأشرعة مستحيل تمامًا في مهب الريح ، ولا يمكنك التحرك إلا بزاوية معينة ، سيكون من الجيد أن يكون لديك فكرة عن مدى حدة تحرك اليخت في اتجاه الريح بالدرجات. وبالتالي ، فإن هذا القطاع البطيء من الدورات بالنسبة للرياح ، حيث تكون الحركة ضد الريح مستحيلة.
أظهرت التجربة أن اليخت العادي المبحر (وليس يخت سباقات) يمكنه الإبحار بزاوية 50-55 درجة مع الريح الحقيقية.

وبالتالي ، إذا كان الهدف المراد الوصول إليه هو عكس الريح تمامًا ، فلن يحدث اليخوت في خط مستقيم ، ولكن في خط متعرج ، ثم مسار ، ثم مسار آخر. في نفس الوقت ، في كل مسار ، بالطبع ، سوف تحتاج إلى محاولة السير بأقصى حد ممكن في مهب الريح. هذه العملية تسمى التصفيح.

تسمى الزاوية بين مسارات اليخوت على مسامير متجاورة أثناء التدحرج. من الواضح أنه عندما تكون حدة الحركة في اتجاه الريح 50-55 درجة ، فإن زاوية التوجيه ستكون 100-110 درجة.

توضح لنا قيمة زاوية الاتجاه مدى فعاليتنا في التحرك نحو الهدف إذا كان عكس اتجاه الريح مباشرة. بالنسبة لزاوية 110 درجة ، على سبيل المثال ، يزيد المسار إلى الهدف بمقدار 1.75 مرة مقارنة بالتحرك في خط مستقيم.

أداء الشراع في الدورات الأخرى المتعلقة بالرياح

من الواضح ، بالفعل في مسار Gulfwind ، أن قوة الدفع T تتجاوز بشكل كبير قوة الانجراف D ، بحيث يكون الانجراف واللف صغيرًا.

مع الدعامة الخلفية ، كما نرى ، لم يتغير الكثير مقارنة بمسار Gulfwind. يتم وضع الشراع الرئيسي في وضع عمودي تقريبًا على DP ، وهذا الوضع هو الحد الأقصى لمعظم اليخوت ، ومن المستحيل تقنيًا نشره إلى أبعد من ذلك.

لا يختلف موضع الشراع الرئيسي على مسار jibe عن الموقف الموجود في مسار الركيزة الخلفية.
هنا ، من أجل التبسيط ، عند النظر في فيزياء العملية في اليخوت ، نأخذ في الاعتبار شراعًا واحدًا فقط - الشراع الرئيسي. عادةً ما يكون لليخت شراعان - شراع رئيسي وشراع إقامة (شراع أمامي). لذلك ، في مسار jibe ، يكون الشراع المعلق (إذا كان موجودًا على نفس الجانب مثل الشراع الرئيسي) في ظل الرياح من الشراع الرئيسي ولا يعمل عمليًا. هذا هو أحد الأسباب العديدة التي تجعل رجال اليخوت يكرهون الجيب.

القوة الدافعة للرياح

تم نشر مواد مثيرة للاهتمام للغاية على موقع وكالة ناسا حول العوامل المختلفة التي تؤثر على تشكيل الرفع بواسطة جناح الطائرة. هناك أيضًا نماذج رسومية تفاعلية تُظهر أنه يمكن أيضًا إنشاء الرفع بواسطة جناح متماثل بسبب انحراف التدفق.

الشراع ، بزاوية مع تدفق الهواء ، يحرفه (الشكل 1 د). يمر تدفق الهواء عبر الجانب "العلوي" من الشراع ، ويقطع مسارًا أطول ، ووفقًا لمبدأ استمرارية التدفق ، يتحرك أسرع من الجانب "السفلي" المتجه للريح. والنتيجة هي ضغط أقل على الجانب اللي من الشراع مقارنة بالجانب المواجه للريح.

عند ممارسة رياضة المشي ، مع ضبط الشراع بشكل عمودي على اتجاه الريح ، يكون الضغط على الجانب المواجه للريح أكبر من انخفاض الضغط على جانب لي ، بمعنى آخر ، تدفع الرياح اليخت أكثر مما يسحبه. عندما يصبح القارب أكثر حدة في اتجاه الريح ، ستتغير هذه النسبة. وبالتالي ، إذا كانت الرياح تهب بشكل عمودي على مسار القارب ، فإن زيادة ضغط الشراع باتجاه الريح يكون لها تأثير أقل على السرعة من انخفاض الضغط باتجاه الريح. بمعنى آخر ، الشراع يسحب اليخت أكثر مما يدفع.

تحدث حركة اليخت بسبب حقيقة أن الرياح تتفاعل مع الشراع. يؤدي تحليل هذا التفاعل إلى نتائج غير متوقعة للعديد من المبتدئين. اتضح أن السرعة القصوى تتحقق ، ليس على الإطلاق عندما تهب الرياح خلفها تمامًا ، لكن الرغبة في "رياح عادلة" تحمل معنى غير متوقع تمامًا.

كل من الشراع والعارضة ، عند التفاعل مع تدفق الهواء أو الماء ، على التوالي ، يخلقان قوة رفع ، وبالتالي ، لتحسين عملهما ، يمكن تطبيق نظرية الجناح.

القوة الدافعة للرياح

يحتوي تدفق الهواء على طاقة حركية ، وبالتفاعل مع الأشرعة ، يمكنه تحريك اليخت. يوصف قانون برنولي عمل كل من الشراع وجناح الطائرة ، حيث تؤدي زيادة سرعة التدفق إلى انخفاض الضغط. عند التحرك في الهواء ، يفصل الجناح التدفق. جزء منه يتجاوز الجناح من الأعلى ، وجزء من الأسفل. تم تصميم جناح الطائرة بحيث يتحرك تدفق الهواء فوق الجزء العلوي من الجناح بشكل أسرع من تدفق الهواء أسفل الجانب السفلي للجناح. والنتيجة هي أن الضغط فوق الجناح أقل بكثير من الضغط أدناه. فرق الضغط هو قوة الرفع للجناح (الشكل 1 أ). نظرًا للشكل المعقد ، يمكن للجناح أن يولد قوة رفع حتى عندما يقطع التدفق ، والذي يتحرك بالتوازي مع مستوى الجناح.

يمكن للشراع تحريك اليخت فقط إذا كان بزاوية معينة للتدفق وحرفه. يبقى السؤال حول أي جزء من قوة الرفع يرتبط بتأثير برنولي ، وأي جزء من قوة الرفع ناتج عن انحراف التدفق. وفقًا للنظرية الكلاسيكية للجناح ، تنشأ قوة الرفع فقط نتيجة للاختلاف في سرعات التدفق أعلى وأسفل الجناح غير المتماثل. في الوقت نفسه ، من المعروف جيدًا أن الجناح المتماثل قادر أيضًا على خلق قوة الرفع إذا تم تثبيته بزاوية معينة للتدفق (الشكل 1 ب). في كلتا الحالتين ، تسمى الزاوية بين الخط الذي يربط بين النقطتين الأمامية والخلفية للجناح واتجاه تدفق الهواء بزاوية الهجوم.

تزداد قوة الرفع مع زيادة زاوية الهجوم ، ومع ذلك ، فإن هذا الاعتماد يعمل فقط مع القيم الصغيرة لهذه الزاوية. بمجرد أن تتجاوز زاوية الهجوم مستوى حرجًا معينًا ويحدث توقف التدفق ، تتشكل دوامات عديدة على السطح العلوي للجناح ، وتنخفض قوة الرفع بشكل حاد (الشكل 1 ج).

يعرف الطواقيون أن القفز ليس هو الأسرع. إذا كانت الرياح من نفس القوة تهب بزاوية 90 درجة على المسار ، فإن القارب يتحرك بشكل أسرع. تعتمد القوة التي تدفع بها الرياح في اتجاه الشراع على سرعة اليخت. بأقصى قوة ، تضغط الرياح على شراع اليخت الذي لا يزال قائماً (الشكل 2 أ). مع زيادة السرعة ، ينخفض ​​الضغط على الشراع ويصبح عند أدنى حد عندما يصل اليخت إلى أقصى سرعة له (الشكل 2 ب). السرعة القصوى jibe على المسار دائمًا أقل من سرعة الرياح. وهذا لعدة أسباب: أولاً ، الاحتكاك ، في أي حركة ، يتم إنفاق بعض الطاقة على التغلب على القوى المختلفة التي تعيق الحركة. لكن الشيء الرئيسي هو أن القوة التي تضغط بها الرياح على الشراع تتناسب مع مربع سرعة الرياح الظاهرة ، وأن سرعة الرياح الظاهرة على الجيب تساوي الفرق بين سرعة الرياح الحقيقية والسرعة اليخت.

في مسار الريح الخليجية (عند 90 درجة للريح) ، يمكن لليخوت الشراعية التحرك أسرع من الريح. في إطار هذا المقال ، لن نناقش ميزات رياح الراية ، سنلاحظ فقط أنه في مسار الرياح الخليجية ، تعتمد القوة التي تضغط بها الرياح على الأشرعة بدرجة أقل على سرعة اليخت ( الشكل 2 ج).

العامل الأساسي الذي يمنع زيادة السرعة هو الاحتكاك. لذلك ، يمكن أن تصل المراكب الشراعية ذات السحب القليل إلى سرعات أسرع بكثير من سرعة الرياح ، ولكن ليس في حالة jibe. على سبيل المثال ، يمكن للباور ، نظرًا لحقيقة أن الزلاجات لديها مقاومة انزلاق ضئيلة ، أن تتسارع إلى سرعة 150 كم / ساعة مع سرعة رياح تبلغ 50 كم / ساعة أو حتى أقل.

شرح فيزياء الإبحار: مقدمة

ردمك 1574091700 ، 9781574091700

لا تقل أهمية مقاومة الهيكل عن قوة الجر التي تطورها الأشرعة. من أجل تخيل عمل الأشرعة بشكل أكثر وضوحًا ، دعنا نتعرف على المفاهيم الأساسية لنظرية الشراع.

لقد تحدثنا بالفعل عن القوى الرئيسية التي تعمل على أشرعة اليخت مع الرياح الخلفية (jibe) والرياح المعاكسة (السحب). لقد وجد أن القوة المؤثرة على الأشرعة يمكن أن تتحلل إلى القوة التي تجعل اليخت يتدحرج وينجرف في اتجاه الريح ، وقوة الانجراف وقوة الدفع (انظر الشكل 2 و 3).

الآن دعونا نرى كيف يتم تحديده القوة الكاملةضغط الرياح على الأشرعة وعلى ما تعتمد عليه قوى الجر والانجراف.

لتخيل عمل شراع في مسارات حادة ، من الملائم التفكير أولاً في الشراع المسطح (الشكل 94) ، الذي يتعرض لضغط الرياح عند زاوية معينة للهجوم. في هذه الحالة ، تتشكل الدوامات خلف الشراع ، وتنشأ قوى الضغط على الجانب المواجه للريح منه ، وتظهر قوى الخلخلة على الجانب المواجه للريح. يتم توجيه R الناتج عموديًا تقريبًا على مستوى الشراع. من أجل فهم صحيح لعمل الشراع ، من الملائم تقديمه كنتيجة لمكونين من القوى: موجه X موازٍ لتدفق الهواء (الرياح) و Y- عمودي عليه.

تسمى القوة X ، الموجهة بالتوازي مع تدفق الهواء ، بقوة السحب ؛ تم إنشاؤه ، بالإضافة إلى الشراع ، أيضًا بواسطة بدن اليخت والتزوير والساريات وطاقم اليخت.

القوة Y ، الموجهة عموديًا على تدفق الهواء ، تسمى قوة الرفع في الديناميكا الهوائية. هي التي ، في مسارات حادة ، تخلق قوة دفع في اتجاه حركة اليخت.

إذا زادت قوة الرفع ، مع نفس السحب للشراع X (الشكل 95) ، إلى القيمة Y1 ، ثم ، كما هو موضح في الشكل ، سيتغير الرفع والسحب الناتج بمقدار R ، وبالتالي ، ستزيد قوة الدفع T إلى T1.

مثل هذا البناء يجعل من السهل التحقق من أنه مع زيادة السحب X (لنفس قوة الرفع) ، يتناقص الدفع T.

وبالتالي ، هناك طريقتان لزيادة قوة الجر ، وبالتالي السرعة في المسارات الحادة: زيادة قوة رفع الشراع وتقليل سحب الشراع واليخت.

في الإبحار الحديث ، تزداد قوة رفع الشراع بإعطائه شكلًا مقعرًا مع بعض "البطون" (الشكل 96): الحجم من الصاري إلى الحجم الأكبر مكان عميقعادة ما يكون "البطن" 0.3-0.4 من عرض الشراع ، وعمق "البطن" حوالي 6-10٪ من العرض. قوة الرفع لمثل هذا الشراع أكبر بنسبة 20-25٪ من قوة الرفع لشراع مسطح تمامًا بنفس قوة السحب تقريبًا. صحيح أن اليخت ذو الأشرعة المسطحة ينحدر قليلاً نحو الريح. ومع ذلك ، مع الأشرعة "ذات البطون" ، فإن سرعة التقدم في المسار تكون أكبر بسبب قوة الدفع الأكبر.

أرز. 96. ملف تعريف الشراع

لاحظ أنه بالنسبة للأشرعة ذات البطانات ، لا يزداد الجر فحسب ، بل يزيد أيضًا من قوة الانجراف ، مما يعني أن لفة وانجراف اليخوت ذات الأشرعة ذات البطانات أكبر من تلك الموجودة في الأشرعة المسطحة نسبيًا. لذلك ، فإن الإبحار "ذو البطون" بنسبة تزيد عن 6-7٪ في الرياح القوية غير مربح ، حيث تؤدي الزيادة في التدحرج والانجراف إلى زيادة كبيرة في مقاومة الهيكل وانخفاض كفاءة الأشرعة التي "تأكل" يصل "تأثير زيادة الدفع. في الرياح الخفيفة ، يتم سحب الأشرعة ذات "البطن" بنسبة 9-10٪ بشكل أفضل ، نظرًا لانخفاض ضغط الرياح الكلي على الشراع ، فإن اللفة تكون صغيرة.

يسمح لك أي شراع بزوايا هجوم أكبر من 15-20 درجة ، أي في مسارات اليخوت التي تتراوح من 40 إلى 50 درجة مع الريح وأكثر ، بتقليل الرفع وزيادة السحب ، حيث تتشكل الاضطرابات الكبيرة على الجانب المواجه للريح. ونظرًا لأن الجزء الرئيسي من قوة الرفع يتم إنشاؤه عن طريق التدفق السلس ، بدون اضطراب ، حول الجانب اللي من الشراع ، فإن تدمير هذه الاضطرابات يجب أن يكون له تأثير كبير.

إنهم يدمرون الاضطرابات التي تتشكل خلف الشراع الرئيسي عن طريق تثبيت الشراع (الشكل 97). تدفق الهواء الذي يدخل الفجوة بين الشراع الرئيسي والشراع الثابت يزيد من سرعته (ما يسمى بتأثير الفوهة) ، ومع الضبط الصحيح للشراع الثابت ، "يلعق" الزوابع من الشراع الرئيسي.

أرز. 97. staysail العمل

من الصعب الاحتفاظ بمظهر الشراع الناعم عند زوايا مختلفة للهجوم. في السابق ، كانت القوارب مزودة بدروع تمر عبر الشراع بأكمله - حيث كانت تُجعل أرق داخل "البطن" وأكثر سمكًا باتجاه العلقة ، حيث يكون الشراع أكثر انبساطًا. الآن يتم تثبيت الدرع بشكل أساسي على الزوارق الجليدية والطوافات ، حيث من المهم بشكل خاص الحفاظ على المظهر الجانبي والصلابة للشراع في زوايا منخفضة للهجوم ، عندما يكون الشراع العادي قد تم شطفه بالفعل على طول الذراع.

إذا كان الشراع هو مصدر الرفع فقط ، فعندئذ يتم إنشاء السحب بواسطة كل شيء يحدث في تدفق الهواء حول اليخت. لذلك ، يمكن أيضًا تحسين خصائص الجر للشراع من خلال تقليل سحب بدن اليخت ، وقطع الصواميل ، والتزوير والطاقم. لهذا الغرض ، يتم استخدام أنواع مختلفة من fairings على الساريات والتزوير.

يعتمد مقدار السحب على الشراع على شكله. وفقًا لقوانين الديناميكا الهوائية ، يكون سحب جناح الطائرة هو الأصغر ، والأضيق والأطول مع نفس المنطقة. هذا هو السبب وراء محاولة جعل الشراع (نفس الجناح بشكل أساسي ، ولكن يتم وضعه بشكل عمودي) مرتفعًا وضيقًا. يسمح لك هذا أيضًا باستخدام رياح الركوب.

يعتمد سحب الشراع إلى حد كبير على حالة حافته الأمامية. يجب أن يتم لف كل الأشرعة بإحكام لمنع احتمال حدوث اهتزازات.

من الضروري ذكر ظرف آخر مهم للغاية - ما يسمى بتوسيط الأشرعة.

من المعروف من الميكانيكا أن أي قوة يتم تحديدها من خلال حجمها واتجاهها ونقطة التطبيق. حتى الآن ، تحدثنا فقط عن حجم واتجاه القوى المطبقة على الشراع. كما سنرى لاحقًا ، فإن معرفة نقاط التطبيق أمر ضروري لفهم كيفية عمل الأشرعة.

يتم توزيع ضغط الرياح بشكل غير متساو على سطح الشراع (الجزء الأمامي يتعرض لضغط أكبر) ، ومع ذلك ، لتبسيط الحسابات المقارنة ، يُعتبر أنه موزع بالتساوي. بالنسبة للحسابات التقريبية ، يُفترض تطبيق القوة الناتجة لضغط الرياح على الأشرعة على نقطة واحدة ؛ يعتبر مركز الثقل لسطح الأشرعة عند وضعها في المستوى القطري لليخت. هذه النقطة تسمى مركز انحراف القذيفه بفعل الهواء (CP).

دعنا نتحدث عن أبسط طريقة رسومية لتحديد موضع وحدة المعالجة المركزية (الشكل 98). ارسم شراع اليخت بالمقياس الصحيح. بعد ذلك ، عند تقاطع الخطوط الوسطى - الخطوط التي تربط رؤوس المثلث بنقاط المنتصف في الأضلاع المتقابلة - ابحث عن مركز كل شراع. بعد الحصول على هذا النحو في الرسم على المركزين O و O1 للمثلثين اللذين يشكلان الشراع الرئيسي والشراع الثابت ، يتم رسم خطين متوازيين OA و O1B من خلال هذه المراكز ويوضعان في اتجاهين متعاكسين في أي ولكن نفس المقياس مثل العديد من الخطي الوحدات بالمتر المربع في المثلث ؛ من وسط الكهف تقع منطقة شراع الإقامة ، ومن وسط الشراع - منطقة الكهف. نقطتا النهاية A و B متصلتان بخط مستقيم AB. خط مستقيم آخر - O1O يربط بين مراكز المثلثات. عند تقاطع الخطين A B و O1O سيكون هناك مركز مشترك.

أرز. 98. طريقة رسومية لإيجاد مركز انحراف القذيفه بفعل الهواء

كما قلنا من قبل ، فإن قوة الانجراف (التي نعتبرها مطبقة في مركز انحراف القذيفه بفعل الهواء) يتم مواجهتها بقوة المقاومة الجانبية لهيكل اليخت. تعتبر قوة المقاومة الجانبية مطبقة في مركز المقاومة الجانبية (CLC). مركز المقاومة الجانبية هو مركز الثقل لإسقاط الجزء الموجود تحت الماء من اليخت على المستوى القطري.

يمكن العثور على مركز المقاومة الجانبية عن طريق قطع الخطوط العريضة للجزء الموجود تحت الماء لليخت من الورق السميك ووضع هذا النموذج على شفرة سكين. عندما يكون النموذج متوازنًا ، اضغط عليه برفق ، ثم أدره 90 درجة وقم بتوازنه مرة أخرى. يمنحنا تقاطع هذه الخطوط مركز المقاومة الجانبية.

عندما يسير اليخت بدون لفة ، يجب أن تقع وحدة المعالجة المركزية على نفس الخط الرأسي مع شبكة سي بي إس (الشكل 99). إذا كانت وحدة المعالجة المركزية أمام CBS (الشكل 99 ، ب) ، فإن قوة الانجراف ، التي تحولت للأمام بالنسبة لقوة المقاومة الجانبية ، تحول قوس السفينة إلى الريح - اليخت يبتعد. إذا كانت وحدة المعالجة المركزية خلف CBS ، فسوف يستدير اليخت مع انحناءة للريح ، أو يتم قيادته (الشكل 99 ، ج).

أرز. 99. محاذاة اليخوت

كل من التحريك المفرط للريح ، ولا سيما الدفع بعيدًا (التمركز غير المناسب) يضر بمسار اليخت ، حيث يجبر قائد الدفة على تشغيل عجلة القيادة طوال الوقت من أجل الحفاظ على استقامة الحركة ، وهذا يزيد من مقاومة الهيكل ويقلل من سرعة السفينة. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي التمركز غير الصحيح إلى تدهور القدرة على التحكم ، وفي بعض الحالات إلى فقدانها التام.

إذا قمنا بتوسيط اليخت كما هو موضح في الشكل. 99، a ، أي أن CPU و CBS سيكونان على نفس الوضع الرأسي ، ثم ستتم قيادة السفينة بقوة كبيرة وسيصبح من الصعب للغاية التحكم فيها. ما الأمر؟ هناك سببان رئيسيان هنا. أولاً ، لا يتطابق الموقع الحقيقي لوحدة المعالجة المركزية (CPU) و CLS مع الموقع النظري (يتم تحويل كلا المركزين إلى الأمام ، ولكن ليس بالتساوي).

ثانيًا ، وهذا هو الشيء الرئيسي ، عند الكعب ، تتحول قوة جر الأشرعة وقوة المقاومة الطولية للبدن إلى أماكن مختلفة. الطائرات العمودية(الشكل 100) ، اتضح ، إذا جاز التعبير ، أنه رافعة تجبر اليخت على القيادة. كلما زادت القائمة ، زاد ميل السفينة للقيادة.

للقضاء على مثل هذا الزهر ، يتم وضع وحدة المعالجة المركزية أمام شبكة سي بي إس. يتم تعويض لحظة قوة الدفع والمقاومة الطولية الناشئة عن لفة ، والتي تؤدي إلى قيادة اليخت ، من خلال لحظة محاصرة قوى الانجراف والمقاومة الجانبية مع الموقع الأمامي لوحدة المعالجة المركزية. للتمركز بشكل جيد ، يجب وضع وحدة المعالجة المركزية أمام CLS على مسافة تساوي 10-18٪ من طول اليخت على طول خط الماء. كلما كان اليخت أقل استقرارًا وكلما ارتفعت وحدة المعالجة المركزية فوق CBS ، زادت الحاجة إلى تحريكها للأمام.

من أجل أن يتحرك اليخت جيدًا ، يجب أن يتم توسيطه ، أي وضع وحدة المعالجة المركزية و CLS في مثل هذا الوضع الذي تكون فيه السفينة في مسار السحب في هبوب رياح خفيفة متوازنة تمامًا بواسطة الأشرعة ، بمعنى آخر ، كان مستقرًا على المسار مع الدفة التي تم إلقاؤها أو تثبيتها في DP (يُسمح بميل طفيف لتحمل رياح ضعيفة جدًا) ، ومع رياح أقوى كان يميل إلى التدحرج. يجب أن يكون كل قائد دفة قادرًا على توسيط اليخت بشكل صحيح. في معظم اليخوت ، يزداد الميل إلى الانحناء إذا تم سحب أظافرك الخلفية وإنزال الأجنحة الأمامية. إذا كانت الأشرعة الأمامية مكشوفة وكانت الأشرعة الخلفية مكشوفة ، فسوف تبتعد السفينة. مع زيادة الشراع الرئيسي "ذو البطون" ، وكذلك الأشرعة الضعيفة الوقوف ، يميل اليخت إلى القيادة إلى حد أكبر.

أرز. 100. تأثير التدحرج على إحضار اليخت في مهب الريح