Hogyan tudnak a vitorlások széllel szemben vitorlázni? A jacht hajótestére és vitorlájára ható erők Hogyan úsznak a vitorlások a széllel szemben.

A déli szelek Csendes-óceán nyugati irányba fúj. Éppen ezért az útvonalunkat úgy alakítottuk ki, hogy vitorlás jacht A "Júlia" keletről nyugatra mozog, vagyis úgy, hogy hátul fúj a szél.

Ha azonban ránézünk az útvonalunkra, akkor észrevehetjük, hogy gyakran, például amikor délről északra haladtunk Szamoáról Tokelauba, a szélre merőlegesen kellett haladnunk. És néha teljesen megváltozott a szél iránya, és szembe kellett menni.

Júlia útvonala

Mi a teendő ebben az esetben?

A vitorlás hajók már régóta képesek széllel szemben is vitorlázni. A klasszikus Yakov Perelman hosszú ideig jól és egyszerűen írt erről az Entertaining Physics sorozat második könyvében. Ezt a darabot szó szerint idézem itt képekkel.

"Vitorlázni a széllel szemben

Nehéz elképzelni, hogy a vitorlás hajók hogyan tudnak "szemben menni a széllel" - vagy a tengerészek szavaival élve "vontatni". Igaz, a tengerész azt fogja mondani, hogy nem vitorlázhatsz közvetlenül a szélbe, de csak a szél irányával éles szögben mozoghatsz. De ez a szög kicsi - körülbelül negyed derékszög -, és talán ugyanolyan érthetetlennek tűnik: közvetlenül a széllel szemben kell-e vitorlázni, vagy 22 ° -os szögben.

Valójában azonban ez nem közömbös, és most elmagyarázzuk, hogyan lehet a szél erejével enyhe szögben haladni felé. Először nézzük meg, hogyan hat a szél általában a vitorlára, vagyis hova tolja a vitorlát, amikor ráfúj. Valószínűleg azt gondolod, hogy a szél mindig abba az irányba tolja a vitorlát, amerre fúj. De ez nem így van: amerre fúj a szél, merőlegesen tolja a vitorlát a vitorla síkjára. Valóban: fújjon a szél az alábbi ábrán a nyilak által jelzett irányba; az AB vonal a vitorlát jelöli.

A szél mindig merőlegesen nyomja a vitorlát a síkjára.

Mivel a szél egyenletesen nyomja a vitorla teljes felületét, a szélnyomást a vitorla közepére kifejtett R erővel helyettesítjük. Ezt az erőt két részre bontjuk: a vitorlára merőleges Q erőre és a mentén ható P erőre (lásd a fenti ábrát, jobb oldalon). Az utolsó erő sehol sem löki a vitorlát, hiszen a szél súrlódása a vásznon elhanyagolható. Marad egy Q erő, amely merőlegesen nyomja a vitorlát.

Ennek ismeretében könnyen megérthetjük, hogyan tud egy vitorlás hegyesszögben belemenni a szélbe. Jelölje a KK vonal a hajó gerincvonalát.

Hogyan tudsz széllel szemben vitorlázni.

A szél ezzel a vonallal hegyesszögben fúj a nyílsor által jelzett irányba. Az AB vonal a vitorlát jelöli; úgy van elhelyezve, hogy síkja felezi a gerinc iránya és a szél iránya közötti szöget. Kövesse az erőeloszlás diagramját. A szél vitorlára gyakorolt ​​nyomását a Q erővel ábrázoljuk, amelynek – tudjuk – merőlegesnek kell lennie a vitorlára. Ezt az erőt két részre bontjuk: a gerincre merőleges R erőre és a hajó gerincvonala mentén előre irányuló S erőre. Mivel az edény R irányú mozgása erős vízállósággal találkozik (behúzás vitorláshajók nagyon mélyvé válik), akkor az R erőt szinte teljesen kiegyenlíti a víz ellenállása. Csak az S erő marad meg, amely, amint látja, előre irányul, és ezért szögben mozgatja a hajót, mintha a szél felé haladna. [Megmutatható, hogy az S erő akkor a legnagyobb, ha a vitorla síkja felezi a gerinc és a szél irányai közötti szöget.]. Általában ezt a mozgást cikkcakkokban hajtják végre, amint az az alábbi ábrán látható. A tengerészek nyelvén a hajó ilyen mozgását a szó szűk értelmében "tacking"-nek nevezik.

Most nézzünk meg mindent lehetséges irányok szél a csónak irányához képest.

A hajó szélhez viszonyított irányának diagramja, vagyis a szél iránya és a tattól az orrig terjedő vektor (pálya) közötti szög.

Ha szembe fúj a szél (szembeszél), a vitorlák egyik oldalról a másikra lógnak, és nem lehet a vitorlával együtt mozogni. Természetesen mindig leengedheti a vitorlákat és bekapcsolhatja a motort, de ez már nem releváns a vitorlázás szempontjából.

Amikor a szél pontosan hátul fúj (jibe, hátszél), a szétszórt levegőmolekulák egyik oldalról nyomást gyakorolnak a vitorlára, és a hajó megmozdul. Ilyenkor a hajó csak a szélsebességnél lassabban tud haladni. Itt működik a szélben kerékpározás analógia - a szél hátul fúj, és könnyebb pedálozni.

A széllel szembeni mozgásnál (vontatásnál) a vitorla nem a légmolekulák hátulról nehezedő nyomása miatt mozog, mint a jibe esetében, hanem a felhajtóerő miatt, amely a két különböző légsebesség miatt jön létre. oldalán a vitorla mentén. Ugyanakkor a gerinc miatt a csónak nem a csónak irányára merőleges irányba mozog, hanem csak előre. Vagyis a vitorla ebben az esetben nem esernyő, mint a rossz szél esetében, hanem egy repülőgép szárnya.

Áthaladásaink során többnyire hátsó támaszokkal és öblös széllel vitorláztunk 7-8 csomós átlagsebességgel 15 csomós szélsebességgel. Néha széllel szemben mentünk, félszélben és közelről. És amikor elült a szél, beindították a motort.

Általánosságban elmondható, hogy egy vitorlás széllel szembeni hajó nem csoda, hanem valóság.

A legérdekesebb az, hogy a csónakok nem csak széllel szemben tudnak menni, hanem még szélnél is gyorsabban. Ez akkor történik, amikor a csónak hátrafelé megy, létrehozva a saját szelét.

"Tiszta szél!" - kívánja minden vitorlázó, és teljesen hiába: ha a szél a tat felől fúj, a jacht nem képes maximális sebességet kifejleszteni. Segítettem elkészíteni ezt a diagramot. Vadim Zhdan, profi kapitány, versenyző, yacht regatták szervezője és házigazdája. Olvassa el a diagramon található eszköztippeket, hogy megtudja.

2. A vitorla tolóereje két tényezőnek köszönhető. Először is, a szél egyszerűen nyomja a vitorlákat. Másodszor, a legtöbb modern jachtra felszerelt ferde vitorlák úgy működnek, mint egy repülőgép szárnya, amikor levegővel áramlik, és csak nem felfelé, hanem előre irányul. Az aerodinamika miatt a levegő gyorsabban mozog a vitorla domború oldalán, mint a homorú oldalán, és a vitorla külső oldalán kisebb a nyomás, mint a belsejében.

3. A vitorla által keltett teljes erőt a vászonra merőlegesen irányítjuk. A vektorösszeadás szabálya szerint meg lehet különböztetni benne a sodródási erőt (piros nyíl) és a tolóerőt (zöld nyíl).

5. Szigorúan a széllel szembeni haladáshoz a jacht tekercsel: egyik vagy másik oldalával a szél felé fordul, szakaszonként halad előre - tapadás. Milyen hosszúak legyenek a tackok és milyen szögben haladjanak a széllel – a kapitány taktika fontos kérdései.

9. szakadékszél- a szél a menetirányra merőlegesen fúj.

11. gúnyolódik- ugyanaz a hátszél a tat felől fúj. A várakozásokkal ellentétben nem a leggyorsabb pálya: itt nem használják a vitorla emelését, és az elméleti sebességhatár sem haladja meg a szél sebességét. Egy tapasztalt kapitány ugyanúgy meg tudja jósolni a láthatatlan légáramlatot

Mielőtt megvizsgálná a vitorla működését, két rövid, de fontos ponton kell elidőzni:
1. Határozza meg, milyen szél befolyásolja a vitorlákat!
2. Mondja el a széllel kapcsolatos pályákhoz kapcsolódó speciális tengeri terminológiát.

Igazi és zászlós szelek a vitorlázásban.

A szél, amely egy mozgó hajóra hat, és minden, ami rajta van, különbözik attól, amely bármely álló tárgyra hat.
Valójában a szelet, mint a földhöz vagy vízhez képest fújó légköri jelenséget igazi szélnek nevezzük.
A vitorlázásban a mozgó jachthoz viszonyított szelet zászlószélnek nevezik, és ez az összeg igazi szélés a hajó mozgása által okozott szembejövő légáramlás.
A látszólagos szél mindig élesebb szögben fúj a hajóhoz képest, mint a valódi szél.
A látszólagos szél sebessége lehet nagyobb (ha az igazi szemszél vagy oldalszél), vagy kisebb, mint a valódi szél (ha jó irányból jön).

A szélhez viszonyított irányok.

a szélben azt jelenti, hogy a szél irányából fúj.
a szél alatt azon az oldalon, amerre a szél fúj.
Ezeket a kifejezéseket, valamint a belőlük származó származékokat, mint például a "szélre", "hátszélre" nagyon széles körben használják, és nem csak a vitorlássportban.
Amikor ezeket a kifejezéseket egy hajóra alkalmazzák, akkor a szél felőli és a hátszél oldaláról is szokás beszélni.
Ha a szél a jacht jobb oldaláról fúj, akkor ezt az oldalt hívják szél felőli, bal oldal - szél alatti illetőleg.
A bal és a jobb csapás két kifejezés közvetlenül kapcsolódik az előzőekhez: ha a szél a hajó jobb oldalára fúj, akkor azt mondják, hogy a jobb, ha a bal, akkor a bal oldalon.
Az angol tengerészeti terminológiában, amit a jobb és bal oldalhoz társítanak, az eltér a szokásos jobb és bal oldaltól. A jobb oldalról és mindenről, ami ezzel kapcsolatos, azt mondják, jobb oldalról, a bal oldalról - Port.

Fúvós tanfolyamok.

A szél iránya a látszólagos szél iránya és a hajó iránya közötti szögtől függően eltérő. Élesre és teljesre oszthatók.

Badewind - éles irány a szélhez képest. amikor a szél 80°-nál kisebb szögben fúj. Lehet közel vontatású (50°-ig) és teljes vontatású (50-80°).
A teljes szélirányok olyan pályák, amikor a szél a hajó irányához képest legalább 90°-os szögben fúj.
Ezek a tanfolyamok a következőket tartalmazzák:
Gulfwind - a szél 80-100°-os szögben fúj.
Backstay – a szél 100–150°-os (meredek hátsó) és 150–170°-os (teljes hátsó támasz) szögben fúj.
jibe - a szél 170 ° -nál nagyobb szögben fúj hátra.
Leventik - a szél szigorúan közeledik vagy közel van hozzá. Mivel egy vitorlás nem tud ilyen széllel szemben mozogni, gyakrabban nem iránynak, hanem a szélhez viszonyított helyzetnek nevezik.

Szél manőverek.

Amikor egy vitorlás jacht úgy változtatja meg az irányát, hogy a szél és az irány közötti szög csökken, a hajóról azt mondják, hogy adott. Más szóval, az irány azt jelenti, hogy élesebb szögben haladunk a széllel.
Ha fordított folyamat következik be, vagyis a jacht irányt változtat a közte és a szél közötti szög növelésének irányába, a hajó elviseli .
Tisztázzuk, hogy a „hajt” és a „bear off” kifejezések akkor használatosak, amikor a csónak irányt változtat a szélhez képest ugyanazon a fogáson belül.
Ha a hajó tapadást vált, akkor (és csak akkor!) Az ilyen manővert a vitorlázásban fordulásnak nevezzük.
Kétféle módon változtatható a tapadás, és ennek megfelelően két fordulat: tackés gúnyolódik .
A tapadás széllel szembeni fordulás. A hajót hajtják, a csónak orra keresztezi a szél vonalát, egy ponton a hajó áthalad a kikötő pozícióján, majd a másik fülre fekszik.
A jachtozás, amikor a jibing ellentétes módon történik: a hajó elgurul, a tat keresztezi a szélvonalat, a vitorlák átkerülnek a másik oldalra, a jacht a másik takonyra fekszik. Leggyakrabban ez egy fordulat egyik teljes pályáról a másikra.

Vitorlázás vitorlással.

A vitorlákkal végzett munka során a vitorlázó egyik fő feladata, hogy a vitorlát a szélhez képest optimális szögben állítsa be, hogy a lehető legjobban haladjon előre. Ehhez meg kell értenie, hogyan kölcsönhatásba lép a vitorla a széllel.
A vitorla munkája sok tekintetben hasonlít egy repülőgép szárnyának munkájához, és az aerodinamika törvényei szerint történik. A különösen érdeklődő vitorláshajósok számára egy cikksorozatból többet megtudhat a vitorla, mint szárny aerodinamikájáról:. De jobb ezt megtenni a cikk elolvasása után, fokozatosan áttérve a könnyű anyagról a bonyolultabbra. De kinek mondom ezt? Az igazi vitorláshajósok nem félnek a nehézségektől. És mindent megtehetsz az ellenkezőjével is.

A fő különbség a vitorla és a repülőgép szárnya között az, hogy egy aerodinamikai erő megjelenéséhez a vitorlán bizonyos nullától eltérő szögre van szükség a vitorla és a szél között, ezt a szöget támadási szögnek nevezik. A repülőgép szárnyának aszimmetrikus profilja van, és normálisan tud működni nulla támadási szögben, de egy vitorla nem.
A vitorla körüli széláramlás során aerodinamikai erő keletkezik, amely végül előremozdítja a jachtot.
Tekintsük egy vitorlás munkáját vitorlás vitorlás szélhez viszonyított különböző irányvonalai mellett. Először is, az egyszerűség kedvéért képzeljük el, hogy az árboc egy vitorlával a földbe van ásva, és a szelet különböző szögekben irányíthatjuk a vitorlára.

Támadási szög 0°. A szél végigfúj a vitorlán, a vitorla lobog, mint egy zászló. A vitorlára nincs aerodinamikai erő, csak húzóerő van.
Támadási szög 7°. Az aerodinamikai erő kezd megjelenni. A vitorlára merőlegesen irányul, és még mindig kicsi.
A támadási szög körülbelül 20°. Az aerodinamikai erő a vitorlára merőlegesen nagyságrendileg elérte a legnagyobb értékét.
Támadási szög 90°. Az előző esethez képest az aerodinamikai erő nem változott jelentősen sem nagyságrendben, sem irányban.
Így azt látjuk, hogy az aerodinamikai erő mindig a vitorlára merőlegesen irányul, és értéke gyakorlatilag nem változik a 20-90°-os szögtartományban.
A 90°-nál nagyobb támadási szögnek nincs értelme, mivel a jachton a vitorlák általában nincsenek ilyen szögben beállítva a szélhez képest.

Az aerodinamikai erő fentebb megadott dőlési szögtől való függése leegyszerűsített és nagymértékben átlagolt.
Valójában ezek a tulajdonságok jelentősen eltérnek a vitorla alakjától függően. Például a versenyjachtok hosszú, keskeny és meglehetősen lapos fővitorlájának maximális aerodinamikai ereje körülbelül 15°-os támadási szögnél, nagyobb szögeknél valamivel kisebb lesz. Ha a vitorla pocakosabb és nem túl nagy a nyúlása, akkor a rá ható aerodinamikai erő körülbelül 25-30°-os támadási szögben lehet maximális.

Most fontolja meg a vitorla működését a jachton.

Az egyszerűség kedvéért képzeljük el, hogy csak egy vitorla van a jachton. Legyen barlang.
Először is érdemes megnézni, hogyan viselkedik a jacht+vitorla rendszer a szélhez viszonyított legélesebb pályákon vitorlázva, mivel általában ez okozza a legtöbb kérdést.

Tegyük fel, hogy a szél a hajótesthez képest 30-35°-os szögben hat a jachtra. Ha a vitorlát a pályán a széllel kb. 20°-os szögben irányítjuk, akkor elegendő A aerodinamikai erőt érünk el rajta.
Mivel ez az erő merőlegesen hat a vitorlára, látjuk, hogy erősen oldalra húzza a jachtot. Az A erőt két komponensre bontva láthatja, hogy a T előre tolóerő többszöröse a csónakot oldalra nyomó erőnek (D, sodródási erő).
Ebben az esetben minek köszönhetően halad előre a jacht?
A helyzet az, hogy a hajótest víz alatti részének kialakítása olyan, hogy a hajótest oldalirányú mozgással szembeni ellenállása (úgynevezett oldalirányú ellenállás) is sokszorosa az előremozgás ellenállásának. Ezt elősegíti a gerinc (vagy középső tábla), a kormánylapát és a hajótest formája.
Oldalirányú ellenállás azonban akkor lép fel, amikor van valaminek ellenállni, vagyis ahhoz, hogy működni tudjon, a test valamilyen oldalra történő elmozdulása szükséges, az úgynevezett szélsodródás.

Ez az elmozdulás természetesen az aerodinamikai erő oldalsó komponensének hatására jön létre, és válaszként azonnal fellép az S oldalirányú ellenállási erő, ellentétes irányban. Általában körülbelül 10-15°-os sodródási szögben egyensúlyozzák egymást.
Nyilvánvaló tehát, hogy az aerodinamikai erő oldalsó összetevője, amely a szélhez viszonyított éles pályákon a legkifejezettebb, két nemkívánatos jelenséget okoz: a szél elsodródását és gördülését.

A szélsodródás azt jelenti, hogy a jacht röppályája nem esik egybe annak átmérős síkjával (az átmérős sík vagy a DP egy "okos" kifejezés az orr-tat vonalra). A szél alatt állandóan elmozdul a jacht, a mozgás mintha kicsit oldalra fordulna.
Köztudott, hogy ha egy vontatott pályán vitorlázunk átlagosan időjárási viszonyok a szélsodródás, mint a DP és a valós pálya közötti szög körülbelül 10-15°.

Mozgás a széllel szemben. Tacking.

Mivel a vitorlák alatt vitorlázás szigorúan szélben lehetetlen, és csak egy bizonyos szögben lehet mozogni, jó lenne egy elképzelés arról, hogy egy jacht milyen élesen tud a szél felé mozogni fokokban. És mi ennek megfelelően a szélhez képest nem mozgó pályák szektora, amelyben a széllel szembeni mozgás lehetetlen.
A tapasztalat azt mutatja, hogy egy normál cirkáló jacht (nem versenyjacht) hatékonyan képes a valódi széllel 50-55°-os szögben vitorlázni.

Így, ha az elérendő cél szigorúan a széllel szemben van, akkor a vitorlázás hozzá nem egyenes vonalban, hanem cikkcakkos, majd egy tapadás, majd egy másik ívben történik. Ugyanakkor természetesen minden tacknál meg kell próbálnia a lehető legélesebben menni a szél felé. Ezt a folyamatot laminálásnak nevezik.

A jachtok röppályái közötti szöget két szomszédos guruláson gurulás közben gurulásnak nevezzük. Nyilvánvaló, hogy ha a széllel szembeni mozgás élessége 50-55°, akkor a tapadási szög 100-110° lesz.

A tapadási szög értéke megmutatja, milyen hatékonyan tudunk a cél felé haladni, ha az közvetlenül a széllel szemben van. Például 110°-os szög esetén a célhoz vezető út 1,75-szörösére nő az egyenes vonalban való mozgáshoz képest.

Vitorlás teljesítmény más pályákon a szélhez képest

Nyilvánvalóan már a Gulfwind pályán a T tolóerő jelentősen meghaladja a D sodródási erőt, így kicsi lesz a sodródás és a gurulás.

A backstay esetében, mint látjuk, nem sokat változott a Gulfwind pályához képest. A nagyvitorla a DP-re szinte merőleges helyzetbe kerül, és ez a helyzet a legtöbb jachtnál a határ, technikailag lehetetlen még tovább telepíteni.

A fővitorla helyzete a jibe pályán nem különbözik a hátsó pályán lévő helyzettől.
Itt az egyszerűség kedvéért, ha figyelembe vesszük a vitorlás folyamat fizikáját, csak egy vitorlát veszünk figyelembe - a nagyvitorlát. Általában egy jachtnak két vitorlája van - egy fővitorla és egy maradóvitorla (elülső vitorla). Tehát a jibe pályán a staysail (ha a nagyvitorlával egy oldalon van) a szélárnyékban van a nagyvitorlától és gyakorlatilag nem működik. Ez az egyik oka annak, hogy miért nem szeretik a jibe-t a vitorláshajósok.

SZÉLVEZETŐ ERŐ

Nagyon érdekes anyagokat tettek közzé a NASA honlapján a repülőgépszárnyak felhajtóerejét befolyásoló különböző tényezőkről. Vannak olyan interaktív grafikus modellek is, amelyek bemutatják, hogy az áramlás eltérítése miatt szimmetrikus szárny is képes emelést generálni.

A vitorla, mivel a légáramláshoz képest szöget zár be, eltéríti azt (1d. ábra). A vitorla "felső", hátoldalán áthaladva a légáramlás hosszabb utat tesz meg, és az áramlás folytonossági elvének megfelelően gyorsabban halad, mint a szél felőli, "alsó" oldalról. Az eredmény kisebb nyomás a vitorla hátoldalán, mint a szél felőli oldalon.

A szélirányra merőlegesen beállított vitorlával gibeingnél a széloldali nyomásnövekedés nagyobb, mint a hátoldali nyomáscsökkenés, vagyis a szél jobban löki a jachtot, mint amennyit húz. Ahogy a csónak élesebbre fordul a szélbe, ez az arány megváltozik. Tehát, ha a szél merőlegesen fúj a csónak irányára, a vitorla nyomásának szél felé történő növelése kevésbé befolyásolja a sebességet, mint a szélirányba irányuló nyomás csökkenése. Más szóval, a vitorla jobban húzza a jachtot, mint tolja.

A jacht mozgása annak a ténynek köszönhető, hogy a szél kölcsönhatásba lép a vitorlával. Ennek a kölcsönhatásnak az elemzése sok kezdő számára váratlan eredményekhez vezet. Kiderült, hogy a maximális sebességet egyáltalán nem akkor érik el, amikor a szél pontosan mögötte fúj, de a „hátszél” vágyának teljesen váratlan jelentése van.

Mind a vitorla, mind a gerinc a levegő, illetve a víz áramlásával kölcsönhatásba lépve emelőerőt hoz létre, ezért munkájuk optimalizálására a szárnyelmélet alkalmazható.

SZÉLVEZETŐ ERŐ

A légáramlásnak kinetikus energiája van, és a vitorlákkal kölcsönhatásba lépve képes mozgatni a jachtot. A repülőgép vitorlájának és szárnyának is a munkáját Bernoulli törvény írja le, mely szerint az áramlási sebesség növekedése a nyomás csökkenéséhez vezet. Amikor a levegőben mozog, a szárny elválasztja az áramlást. Egy része felülről, egy része alulról kerüli meg a szárnyat. A repülőgép szárnyát úgy tervezték, hogy a szárny teteje feletti légáramlás gyorsabban mozog, mint a szárny alsó része alatti légáramlás. Ennek eredményeként a szárny feletti nyomás sokkal alacsonyabb, mint alatta. A nyomáskülönbség a szárny emelőereje (1a. ábra). A szárny összetett alakjának köszönhetően a szárny síkjával párhuzamosan mozgó áramláson átvágva is képes emelést generálni.

A vitorla csak akkor tudja mozgatni a jachtot, ha bizonyos szöget zár be az áramlással és eltéríti azt. Továbbra is kérdés, hogy az emelőerő melyik része kapcsolódik a Bernoulli-effektushoz, és melyik az áramlás eltérítésének eredménye. A szárny klasszikus elmélete szerint az emelőerő kizárólag az aszimmetrikus szárny feletti és alatti áramlási sebességek különbségéből adódik. Ugyanakkor köztudott, hogy a szimmetrikus szárny is képes emelőerő létrehozására, ha az áramláshoz képest bizonyos szögben van beépítve (1b. ábra). Mindkét esetben a szárny elülső és hátsó pontját összekötő vonal és a légáramlás iránya közötti szöget támadási szögnek nevezzük.

Az emelőerő a támadási szöggel növekszik, azonban ez a függés csak ennek a szögnek a kis értékeinél működik. Amint a becsapódási szög túllép egy bizonyos kritikus szintet, és az áramlás megakad, számos örvény képződik a szárny felső felületén, és az emelőerő meredeken csökken (1c. ábra).

A hajósok tudják, hogy a jibe nem a leggyorsabb pálya. Ha az azonos erősségű szél a pályához képest 90 fokos szögben fúj, a hajó sokkal gyorsabban halad. Jibe-en az erő, amellyel a szél a vitorlát nyomja, a jacht sebességétől függ. Maximális erővel nyomja a szél egy mozdulatlanul álló jacht vitorláját (2a. ábra). A sebesség növekedésével a vitorlára nehezedő nyomás csökken, és minimális lesz, amikor a jacht eléri a maximális sebességét (2b. ábra). Teljes sebesség A jibe egy pályán mindig kisebb, mint a szélsebesség. Ennek több oka is van: először is a súrlódás, minden mozgásnál az energia egy része a mozgást akadályozó különféle erők leküzdésére fordítódik. De a lényeg az, hogy az erő, amellyel a szél a vitorlát nyomja, arányos a látszólagos szélsebesség négyzetével, és a látszólagos szélsebesség a jibe-en egyenlő a valódi szél sebessége és a sebesség különbségével. a jachtról.

Gulfwind pályán (a széllel szemben 90°-os szögben) a vitorlás jachtok gyorsabban tudnak mozogni, mint a szél. A cikk keretein belül nem térünk ki a zászlószél sajátosságaira, csak annyit jegyzünk meg, hogy a Gulfwind pályán az, hogy a szél milyen erővel nyomja a vitorlákat, kisebb mértékben függ a jacht sebességétől ( 2c. ábra).

A sebesség növekedését megakadályozó fő tényező a súrlódás. Ezért a kis légellenállású vitorlások a szélnél sokkal gyorsabb sebességre képesek, de nem gyen. Például egy buer, mivel a korcsolyák elhanyagolható csúszásállósággal rendelkeznek, 150 km / h sebességre gyorsulhat 50 km / h vagy még ennél is kisebb szélsebességgel.

A vitorlázás fizikája magyarázatként: Bevezetés

ISBN 1574091700, 9781574091700

A hajótest ellenállásánál nem kevésbé fontos a vitorlák által kifejlesztett vonóerő. A vitorlák munkájának pontosabb elképzeléséhez ismerkedjünk meg a vitorlaelmélet alapfogalmaival.

A hátszéllel (gybe) és ellenszéllel (haul) vitorlázó jacht vitorláin ható főerőkről már volt szó. Megállapítást nyert, hogy a vitorlákra ható erő felbontható arra az erőre, amely a jacht gurulását és lefelé irányuló sodrását okozza, a sodródási erőre és a tolóerőre (lásd 2. és 3. ábra).

Most lássuk, hogyan határozzák meg teljes erővel a vitorlákra nehezedő szélnyomás és attól, hogy mitől függenek a vonó- és sodródási erők.

Ahhoz, hogy elképzeljük a vitorla munkáját éles pályákon, célszerű először egy lapos vitorlát figyelembe venni (94. ábra), amely bizonyos szögben szélnyomást tapasztal. Ilyenkor a vitorla mögött örvények keletkeznek, annak szél felőli oldalán nyomóerők, a hátszélben pedig ritkító erők. Az eredményül kapott R a vitorla síkjára körülbelül merőlegesen irányul. A vitorla működésének helyes megértéséhez célszerű két erőkomponens eredőjeként ábrázolni: a légáramlással (szél) párhuzamos X-irányban, és arra merőlegesen Y.

A légáramlással párhuzamosan irányított X erőt ellenállási erőnek nevezzük; ezt a vitorlán kívül a jacht hajóteste, kötélzete, szárai és legénysége is létrehozza.

A légáramlásra merőleges Y erőt az aerodinamikában emelésnek nevezzük. Ő az, aki éles pályákon tolóerőt hoz létre a jacht mozgási irányába.

Ha a vitorla X azonos ellenállása mellett (95. ábra) az emelőerő például Y1 értékre nő, akkor az ábrán látható módon az eredő emelés és légellenállás R-vel változik, és ennek megfelelően a T tolóerő T1-re nő.

Egy ilyen felépítéssel könnyen ellenőrizhető, hogy az X ellenállás növekedésével (ugyanolyan emelőerő mellett) a T tolóerő csökken.

Így kétféleképpen lehet növelni a vonóerőt, és így a sebességet éles pályákon: növelni a vitorla emelő erejét, és csökkenteni a vitorla és a jacht ellenállását.

A modern vitorlázás során a vitorla emelőerejét úgy növelik, hogy homorú formát adnak, némi „pocakossággal” (96. ábra): a méret az árboctól a legfelsőig. mély hely A "has" általában a vitorla szélességének 0,3-0,4, a "has" mélysége a szélesség körülbelül 6-10%-a. Egy ilyen vitorla emelőereje 20-25%-kal nagyobb, mint egy teljesen sík vitorláé, közel azonos ellenállással. Igaz, egy lapos vitorlájú jacht kicsit meredekebben megy a szél felé. A "pocakos" vitorláknál azonban a nagyobb tolóerő miatt nagyobb a tapadásba való előrehaladás sebessége.

Rizs. 96. Vitorla profil

Vegye figyelembe, hogy a pocakos vitorláknál nemcsak a tapadás növekszik, hanem a sodródási erő is, ami azt jelenti, hogy a pocakos vitorlával rendelkező jachtok gurulása és sodródása nagyobb, mint a viszonylag lapos vitorláké. Ezért az erős szélben 6-7%-ot meghaladó „pocakos” vitorla veszteséges, mivel a gurulás és a sodródás növekedése a hajótest ellenállásának jelentős növekedéséhez és a vitorlák hatékonyságának csökkenéséhez vezet, amelyek „esznek”. fel” a megnövekedett tolóerő hatása. Enyhe szélben a 9-10%-os „hasú” vitorlák jobban húzódnak, mivel a vitorlát érő összes szélnyomás miatt kicsi a tekerés.

Bármely vitorla, amelynek támadási szöge nagyobb, mint 15-20 °, azaz a széllel szemben 40-50 °-os vagy nagyobb yachtpályákon, lehetővé teszi az emelés csökkentését és a légellenállás növelését, mivel jelentős turbulenciák alakulnak ki a hátulsó oldalon. És mivel az emelőerő nagy részét egy sima, turbulencia nélküli áramlás hozza létre a vitorla hátoldala körül, ezeknek a turbulenciáknak a megsemmisítésének nagy hatást kell kifejtenie.

Megsemmisítik a nagyvitorla mögött kialakuló turbulenciákat a maradóvitorla beállításával (97. ábra). A nagyvitorla és a tartóvitorla közötti résbe belépő légáram növeli a sebességét (ún. fúvóka effektus), és a tartóvitorla helyes beállításával „lenyalja” a nagyvitorla felől a forgószeleket.

Rizs. 97. Staysail munka

A puha vitorla profilját nehéz megtartani különböző támadási szögeknél. Korábban a gumicsónakokat a teljes vitorlán átmenő átmenő páncélzattal látták el - a „hason” belül vékonyabbra, a pióca felé pedig vastagabbra tették, ahol a vitorla sokkal laposabb. Most a páncélzatot főleg jégcsónakokra és katamaránokra szerelik fel, ahol különösen fontos a vitorla profiljának és merevségének megőrzése alacsony támadási szögeknél, amikor egy közönséges vitorla már öblíti a luffot.

Ha csak a vitorla a felhajtóerő forrása, akkor a légellenállást minden, ami a jacht körüli légáramlásban van, hozza létre. Ezért a vitorla vontatási tulajdonságainak javítása a jacht törzsének, szárainak, kötélzetének és legénységének ellenállásának csökkentésével is elérhető. Ebből a célból különféle burkolatokat használnak a gerendákon és a kötélzeten.

A vitorla ellenállásának mértéke annak alakjától függ. Az aerodinamika törvényei szerint egy repülőgépszárny légellenállása minél kisebb, annál keskenyebb és hosszabb azonos területtel. Éppen ezért a vitorlát (lényegében ugyanaz a szárny, de függőlegesen állítva) próbálják magasra és keskenyre tenni. Ez lehetővé teszi a lovaglás szél használatát is.

A vitorla ellenállása nagymértékben függ a vezetőél állapotától. Minden vitorla szárát szorosan be kell csavarni, hogy elkerüljük a vibráció lehetőségét.

Meg kell említeni még egy nagyon fontos körülményt - a vitorlák úgynevezett központosítását.

A mechanikából ismert, hogy minden erőt annak nagysága, iránya és alkalmazási pontja határoz meg. Eddig csak a vitorlára ható erők nagyságáról és irányáról beszéltünk. Mint később látni fogjuk, az alkalmazási pontok ismerete elengedhetetlen a vitorlák működésének megértéséhez.

A szélnyomás egyenetlenül oszlik el a vitorla felületén (az elülső része nagyobb nyomást tapasztal), azonban az összehasonlító számítások egyszerűsítése érdekében úgy tekintjük, hogy egyenletesen oszlik el. A hozzávetőleges számításokhoz a vitorlákra ható szélnyomás eredő erejét egy pontra kell alkalmazni; a vitorlák felületének súlypontjának számít, ha a jacht átmérőjébe helyezik őket. Ezt a pontot a szél középpontjának (CP) nevezik.

Maradjunk a CPU helyzetének meghatározásának legegyszerűbb grafikus módszerénél (98. ábra). Rajzolja meg a jacht vitorláját a megfelelő léptékben. Ezután a mediánok metszéspontjában - a háromszög csúcsait a szemközti oldalak felezőpontjaival összekötő vonalak - keresse meg minden vitorla középpontját. Miután így a rajzon megkaptuk a fővitorlát és a vitorlát alkotó két háromszög O és O1 középpontját, két párhuzamos OA és O1B vonalat húzunk át ezeken a középpontokon, és ellentétes irányban fektetjük le, de ugyanabban a léptékben, mint sok lineáris egység. négyzetméterként a háromszögben; a barlang közepétől a barlang területe, a barlang közepétől pedig a barlang területe feküdt. Az A és B végpontokat AB egyenes köti össze. Egy másik egyenes vonal - O1O köti össze a háromszögek középpontját. Az A B és O1O egyenesek metszéspontjában közös középpont lesz.

Rizs. 98. Grafikus módszer a szél középpontjának megtalálására

Mint már említettük, a sodródási erőt (a szél közepén alkalmazzuk) a jachttest oldalirányú ellenállásának ereje ellensúlyozza. Az oldalirányú ellenállási erőt az oldalirányú ellenállás (CLC) középpontjában kell alkalmazni. Az oldalirányú ellenállás középpontja a jacht víz alatti részének átmérős síkra való vetületének súlypontja.

Az oldalirányú ellenállás középpontját úgy találhatja meg, hogy vastag papírból kivágja a jacht víz alatti részének körvonalát, és ezt a modellt egy késre helyezi. Ha a modell kiegyensúlyozott, enyhén nyomja meg, majd fordítsa el 90°-kal, és ismét egyensúlyozza ki. Ezen vonalak metszéspontja adja az oldalirányú ellenállás középpontját.

Amikor a jacht gurulás nélkül megy, a CPU-nak ugyanazon a függőleges vonalon kell lennie, mint a CBS-nek (99. ábra). Ha a CPU a CBS előtt helyezkedik el (99. ábra, b), akkor az oldalirányú ellenállási erőhöz képest előretolt sodródási erő a hajó orrát szélbe fordítja – a jacht elszáll. Ha a CPU a CBS mögött van, akkor a jacht orrával a szél felé fordul, vagy hajtják (99. ábra, c).

Rizs. 99. Yacht beállítás

Mind a túlzott széllökés, mind pedig különösen az elhajlás (nem megfelelő központosítás) káros a jacht irányára, mivel a kormányost állandóan a kormányra kényszerítik a mozgás egyenességének megőrzése érdekében. növeli a hajótest ellenállását és csökkenti a hajó sebességét. Ezenkívül a helytelen központosítás az irányíthatóság romlásához, egyes esetekben annak teljes elvesztéséhez vezet.

Ha a jachtot az ábrán látható módon központosítjuk. 99, a, vagyis a CPU és a CBS ugyanabban a függőlegesben lesz, akkor a hajót nagyon erősen hajtják, és nagyon nehéz lesz irányítani. Mi a helyzet? Ennek két fő oka van. Először is, a CPU és a CLS valós elhelyezkedése nem esik egybe az elméletivel (mindkét középpont előre van tolva, de nem egyformán).

Másodszor, és ez a fő dolog, dőléskor a vitorlák vonóereje és a hajótest hosszirányú ellenállásának ereje eltérő. függőleges síkok(100. ábra), kiderül, mintha egy kar, amely a jacht vezetésére kényszeríti. Minél nagyobb a dőlésszög, annál nagyobb a hajlam a hajó vezetésére.

Az ilyen kaszt kiküszöbölése érdekében a CPU-t a CBS elé kell helyezni. A jachtot vezetésre kényszerítő gördüléssel fellépő vonóerő és hosszirányú ellenállás nyomatékát kompenzálja a sodródási erők megfogó nyomatéka és az oldalirányú ellenállás a CPU elülső helyzetével. A jó központosítás érdekében a CPU-t a CLS elé kell helyezni, a jacht hosszának 10-18%-ának megfelelő távolságra a vízvonal mentén. Minél kevésbé stabil a jacht, és minél magasabbra van emelve a CPU a CLS fölé, annál inkább előre kell mozdítani.

Ahhoz, hogy a jacht jól mozogjon, középre kell helyezni, vagyis a CPU-t és a CLS-t olyan helyzetbe hozni, hogy a hajót enyhe szélben a vontatott pályán a vitorlák teljesen kiegyensúlyozzák, vagyis , DP-ben dobott vagy rögzített kormánylapáttal stabil volt a pályán (nagyon gyenge szélnél megengedett az enyhe elviselési hajlam), erősebb szélnél pedig hajlamos volt elgurulni. Minden kormányosnak tudnia kell megfelelően központosítani a jachtot. A legtöbb jachton a luffadási hajlam fokozódik, ha a hátsó vitorlákat lehúzzák és az elülső vitorlákat leengedik. Ha az elülső vitorlák túlhúzódnak és a hátsó vitorlák túlhúzódnak, a hajó elbír. A "pocakos" fővitorla növekedésével, valamint a rosszul álló vitorlákkal a jachtot nagyobb mértékben hajtják.

Rizs. 100. A gurulás hatása a jacht szélnek hozására