Курсы относительно ветра. Современные яхты и парусные лодки в большинстве случаев оснащаются косыми парусами. Отличительной их особенностью является то, что основная часть паруса или весь он располагается позади мачты или штага. Благодаря тому, что передняя кромка паруса туго натянута вдоль мачты (или сама по себе), парус обтекается потоком воздуха без заполаскивания при его расположении под довольно острым углом к ветру. Благодаря этому (и при соответствующих обводах корпуса) судно приобретает способность двигаться под острым углом к направлению ветра.

На рис. 190 представлено положение парусника при различных курсах по отношению к ветру. Прямо против ветра обычный парусник идти не может - парус в этом случае не создает силы тяги, способной преодолеть сопротивление воды и воздуха. Лучшие гоночные яхты в средний ветер могут идти в бейдевинд под углом 35-40° к направлению ветра; обычно же этот угол не меньше 45°. Поэтому к цели, расположенной прямо против ветра, парусник вынужден добираться в лавировку - попеременно правым и левым галсом. Угол между курсами судна на том и другом галсе называется лавировочным углом , а положение судна носом прямо против ветра - левентиком . Способность судна лавировать и с максимальной скоростью продвигаться в направлении прямо против ветра является одним из основных качеств парусника.

Курсы от крутого бейдевинда до галфвинда, когда ветер дует под 90° к ДП судна, называются острыми ; от галфвинда до фордевинда (ветер дует прямо в корму) - полными . Различают крутой (курс относительно ветра 90-135°) и полный (135-180°) бакштаги, так же как и бейдевинд (соответственно 40-60° и 60-80° к ветру).

Рис. 190. Курсы парусного судна относительно ветра.

1 - крутой бейдевинд; 2 - полный бейдевинд; 3 - галфвинд; 4 - бакштаг; 5 - фордевинд; 6 - левентик.

Вымпельный ветер. Поток воздуха, который обтекает паруса яхты, не совпадает с направлением истинного ветра (относительно суши). Если судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха, скорость которого равна скорости судна. При наличии ветра его направление относительно судна за счет встречного потока воздуха отклоняется определенным образом; изменяется и величина скорости. Таким образом, на паруса попадает суммарный поток, называемый вымпельным ветром . Направление и скорость его можно получить, сложив векторы истинного ветра и встречного потока (рис. 191).

Рис. 191. Вымпельный ветер на различных курсах яхты относительно ветра.

1 - бейдевинд; 2 - галфвинд; 3 - бакштаг; 4 - фордевинд.

v - скорость движения яхты; v и - истинная скорость ветра; v в - скорость вымпельного ветра.

Очевидно, что на курсе бейдевинд скорость вымпельного ветра имеет наибольшую величину, а на фордевинде - наименьшую, так как в последнем случае скорости обоих потоков направлены в прямо противоположные стороны.

Паруса на яхте всегда устанавливают, ориентируясь по направлению вымпельного ветра. Заметим, что скорость яхты растет не в прямой пропорциональности от скорости ветра, а гораздо медленнее. Поэтому при усилении ветра угол между направлением истинного и вымпельного ветра уменьшается, а в слабый ветер скорость и направление вымпельного ветра более заметно отличается от истинного.

Поскольку силы, действующие на парус как на крыло, растут пропорционально квадрату скорости обтекающего потока, у парусников с минимальным сопротивлением движению возможно явление «саморазгона», при котором их скорость превышает скорость ветра. К таким типам парусников относятся ледовые яхты - буера, яхты на подводных крыльях, колесные (пляжные) яхты и проа - узкие однокорпусные суда с поплавком-аутригером. На некоторых из этих типов судов зафиксированы скорости, втрое превышающие скорость ветра. Так, наш национальный рекорд скорости на буере равен 140 км/ч, а установлен он при ветре, скорость которого не превышала 50 км/ч. Попутно отметим, что абсолютный рекорд скорости под парусом на воде существенно ниже: он установлен в 1981 г. на специально построенном двухмачтовом катамаране «Кроссбау-II» и равен 67,3 км/ч.

Обычные парусные суда, если они не рассчитаны на глиссирование, в редких случаях превышают предел скорости водоизмещающего плавания, равный v = 5,6 √L км/ч (см. главу I).

Силы, действующие на парусное судно. Существует принципиальное различие между системой внешних сил, действующих на парусное судно, и судно, приводимое в движение механическим двигателем. На моторном судне упор движителя - гребного винта или водомета - и сила сопротивления воды его движению действуют в подводной части, располагаясь в диаметральной плоскости и на незначительном расстоянии друг от друга по вертикали.

На паруснике движущая сила приложена высоко над поверхностью воды и, следовательно, над линией действия силы сопротивления. Если судно движется под углом к направлению ветра - в бейдевинд, то его паруса работают по принципу аэродинамического крыла, рассмотренному в главе II. При обтекании паруса потоком воздуха на его подветренной (выпуклой) стороне создается разрежение, на наветренной - повышенное давление. Сумму этих давлений можно привести к результирующей аэродинамической силе A (см. рис. 192), направленной примерно перпендикулярно хорде профиля паруса и приложенной в центре парусности (ЦП) высоко над поверхностью воды.

Рис. 192. Силы, действующие на корпус и паруса.

Согласно третьему закону механики, при установившемся движении тела по прямой каждой силе, приложенной к телу (в данном случае - к парусам, связанным с корпусом яхты через мачту, стоячий такелаж и шкоты), должна противодействовать равная ей по величине и противоположно направленная сила. На паруснике этой силой является результирующая гидродинамическая сила H , приложенная к подводной части корпуса (рис. 192). Таким образом, между силами A и H существует известное расстояние - плечо, вследствие чего образуется момент пары сил, стремящийся привести во вращение судно относительно оси, определенным образом ориентированной в пространстве.

Для упрощения явлений, возникающих при движении парусных судов, гидро- и аэродинамическую силы и их моменты раскладывают на составляющие, параллельные главным координатным осям. Руководствуясь третьим законом Ньютона, можно выписать попарно все составляющие этих сил и моментов:

A	- аэродинамическая результирующая сила;
T	- сила тяги парусов, движущая судно вперед:
D	- кренящая сила или сила дрейфа;
A v	- вертикальная (дифферентующая на нос) сила;
P	- сила массы (водоизмещение) судна;
M д	- дифферентующий момент;
M кр	- кренящий момент;
M п	- приводящий к ветру момент;
H	- гидродинамическая результирующая сила;
R	- сила сопротивления воды движению судна;
R д	- боковая сила или сила сопротивления дрейфу;
H v	- вертикальная гидродинамическая сила;
γ·V	- сила плавучести;
M l	- момент сопротивления дифференту;
M в	- восстанавливающий момент;
M у	- уваливающий момент.

Для того чтобы судно устойчиво шло по курсу, каждая пара сил и каждая пара моментов должны быть равны друг другу. Например, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу R д создают кренящий момент M кр, который должен быть уравновешен восстанавливающим моментом M в или моментом поперечной остойчивости. Этот момент образуется благодаря действию сил массы P и плавучести судна γ·V , действующих на плече l . Эти же силы образуют момент сопротивления дифференту или момент продольной остойчивости M l , равный по величине и противодействующий дифферентующему моменту M д. Слагаемыми последнего являются моменты пар сил T - R и A v - H v .

Таким образом, движение парусного судна косым курсом к ветру сопряжено с креном и дифферентом, а боковая сила D , кроме крена, вызывает еще и дрейф - боковой снос, поэтому любое парусное судно движется не строго в направлении ДП, как судно с механическим двигателем, а с небольшим углом дрейфа β. Корпус парусника, его киль и руль становятся подводным крылом, на которое набегает встречный поток воды под углом атаки, равным углу дрейфа. Именно это обстоятельство обусловливает образование на киле яхты силы сопротивления дрейфу R д, которая является компонентом подъемной силы.

Устойчивость движения и центровка парусного судна. Вследствие крена сила тяги парусов T и сила сопротивления R оказываются действующими в разных вертикальных плоскостях. Они образуют пару сил, приводящих судно к ветру - сбивающих с прямолинейного курса, которым оно следует. Этому препятствуют момент второй пары сил - кренящей D и силы сопротивления дрейфу R д, а также небольшая по величине сила N на руле, которую необходимо прикладывать для того, чтобы корректировать движение яхты по курсу.

Очевидно, что реакция судна на действие всех этих сил зависит как от их величины, так и от соотношения плеч a и b , на которые они действуют. При увеличении крена плечо приводящей пары b также увеличивается, а величина плеча уваливающей пары a зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП - точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам) и центра бокового сопротивления (ЦБС - точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты).

Точное определение положения этих точек является довольно сложной задачей, особенно если учесть, что оно изменяется в зависимости от многих факторов: курса судна относительно ветра, покроя и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.

При проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которые представляют собой паруса, поставленные в ДП, и очертания подводной части ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 193). Центр тяжести треугольного паруса, например, находится на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов располагается на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Если парус имеет четырехугольную форму, то его площадь делят диагональю на два треугольника и получают ЦП как общий центр этих треугольников.

Рис. 193. Определение условного центра парусности яхты.

Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки шаблон подводного профиля ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон расположится горизонтально, игла будет находиться в точке условного ЦБС. Однако этот способ более или менее применим для судов с большой площадью подводной части ДП - для яхт традиционного типа с длинной килевой линией, судовых шлюпок и т. п. На современных яхтах, обводы которых проектируются на основе теории крыла, основную роль в создании силы сопротивления дрейфу играют плавниковый киль и руль, устанавливаемый обычно отдельно от киля. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно. Например, для профилей с относительной толщиной δ/b около 8 % эта точка находится на расстоянии около 26 % хорды b от входящей кромки.

Однако корпус яхты определенным образом влияет на характер обтекания киля и руля, причем это влияние изменяется в зависимости от крена, дифферента и скорости судна. В большинстве случаев на острых курсах к ветру истинный ЦБС перемещается вперед по отношению к центру давления, определенному для киля и руля как для изолированных профилей. Вследствие неопределенности в расчете положения ЦП и ЦБС конструкторы при разработке проекта парусных судов располагают ЦП на некотором расстоянии a - опережении - впереди ЦБС. Величина опережения определяется статистически, из сравнения с хорошо зарекомендовавшими себя яхтами, которые имеют близкие к проекту обводы подводной части, остойчивость и парусное вооружение. Опережение задается обычно в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для судна, оснащенного бермудским шлюпом, 15-18 % L . Чем меньше остойчивость яхты, тем больший крен она получит под действием ветра и тем большее необходимо опережение ЦП перед ЦБС.

Точная корректировка относительного положения ЦП и ЦБС возможна при испытаниях яхты на ходу. Если судно стремится увалиться под ветер, особенно в средний и свежий ветер, то это является большим дефектом центровки. Дело в том, что киль отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, то его профиль работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если же для компенсации тенденции яхты к уваливанию руль приходится перекладывать на ветер, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону - туда же, что и сила дрейфа D на парусах. Следовательно, судно будет иметь повышенный дрейф.

Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на 3-4° в подветренную сторону руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила H , возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме при одновременном уменьшении угла дрейфа. Однако, если для удержания яхты на курсе бейдевинд приходится постоянно перекладывать руль в подветренную сторону на больший чем 2-3° угол, необходимо перенести ЦП вперед или сместить назад ЦБС, что сложнее.

На построенной яхте перенести ЦП вперед можно, наклонив вперед мачту, сместив ее вперед (если позволяет конструкция степса), укоротив грот по нижней шкаторине, увеличив площадь основного стакселя. Для перемещения ЦБС назад требуется установить плавник перед рулем или же увеличить размеры пера руля.

Для устранения тенденции яхты к уваливанию необходимо применить противоположные меры: перенести ЦП назад или сместить вперед ЦБС.

Роль составляющих аэродинамической силы в создании тяги и дрейфа. Современная теория работы косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе II. При обтекании паруса, поставленного под углом атаки α к вымпельному ветру, потоком воздуха, на нем создается аэродинамическая сила A , которую можно представить в виде двух составляющих: подъемной силы Y , направленной перпендикулярно потоку воздуха (вымпельному ветру), и лобового сопротивления X - проекции силы A на направление потока воздуха. Эти силы используются при рассмотрении характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом.

Одновременно силу A можно представить в виде двух других составляющих: силы тяги T , направленной по оси движения яхты, и перпендикулярной ей силы дрейфа D . Напомним, что направление движения парусника (или путь) отличается от его курса на величину угла дрейфа β, однако при дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь.

Если на курсе бейдевинд удается увеличить подъемную силу на парусе до величины Y 1 , а лобовое сопротивление останется неизменным, то силы Y 1 и X , сложенные по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу A 1 (рис. 194, а ). Рассматривая ее новые составляющие T 1 и D 1 , можно заметить, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличиваются и сила тяги и сила дрейфа.

Рис. 194. Роль подъемной силы и лобового сопротивления в создании движущей силы.

При аналогичном построении можно убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в бейдевинд решающую роль в создании тяги парусов играет подъемная сила паруса; лобовое сопротивление должно быть минимальным.

Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер имеет наивысшую скорость, поэтому обе составляющие аэродинамической силы Y и X имеют достаточно большую величину.

На курсе галфвинд (рис. 194, б ) подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление - силой дрейфа. Увеличение лобового сопротивления паруса на величине силы тяги не сказывается: увеличивается только сила дрейфа. Однако поскольку скорость вымпельного ветра на галфвинде снижается по сравнению с бейдевиндом, дрейф на ходовых качествах судна сказывается уже в меньшей степени.

На курсе бакштаг (рис. 194, в ) парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа также увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга увеличивается, а сила дрейфа уменьшается (рис. 194, г ). Следовательно, на курсе бакштаг увеличение и подъемной силы и (или) лобового сопротивления повышают тягу.

При курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения судна и является силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения тяги парусов желательно увеличивать их лобовое сопротивление. На гоночных яхтах это делается путем постановки дополнительных парусов - спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму. Отметим, что на курсе фордевинд на паруса яхты действует вымпельный ветер минимальной скорости, что обусловливает сравнительно умеренные силы на парусах.

Сопротивление дрейфу. Как было показано выше, сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она примерно втрое превышает силу тяги T , движущую судно вперед; на галфвинде обе силы примерно равны; на крутом бакштаге тяга паруса оказывается в 2-3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа отсутствует вообще. Следовательно, для того чтобы парусник успешно продвигался вперед курсами от бейдевинда до галфвинда (под углом 40-90° к ветру), оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.

Функцию создания силы сопротивления дрейфу на современных парусных судах выполняют в основном плавниковые кили или шверты и рули. Механика возникновения подъемной силы на крыле симметричного профиля, каковыми являются кили, шверты и рули, была рассмотрена в главе II (см. стр. 67). Отметим, что величина угла дрейфа современных яхт - угол атаки профиля киля или шверта - редко превышает 5°, поэтому, проектируя киль или шверт, необходимо выбрать его оптимальные размеры, форму и профиль сечения в расчете на получение максимальной подъемной силы при минимальном лобовом сопротивлении именно на малых углах атаки.

Испытания аэродинамических симметричных профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде b ) дают бо́льшую подъемную силу, чем тонкие. Однако на малых скоростях движения такие профили обладают более высоким лобовым сопротивлением. Оптимальные результаты на парусных яхтах можно получить при толщине киля t /b = 0,09÷0,12, так как подъемная сила на таких профилях мало зависит от скорости судна.

Максимальная толщина профиля должна располагаться на расстоянии от 30 до 40 % хорды от передней кромки профиля киля. Хорошими качествами обладает также профиль NACA 664‑0 с максимальной толщиной, расположенной на расстоянии 50 % хорды от носика (рис. 195).

Рис. 195. Профилированный киль-плавник яхты.

Ординаты рекомендуемых профилей сечений яхтенных килей и швертов

	Отстояние от носика x , % b
	2,5	5	10	20	30	40
	Ординаты y , % b
NACA-66; δ = 0,05	2,18	2,96	3,90	4,78	5,00	4,83
	2,00	2,60	3,50	4,20	4,40	4,26
	-	3,40	5,23	8,72	10,74	11,85
Профиль; относительная толщина δ	Отстояние от носика x , % b
	50	60	70	80	90	100
	Ординаты y , % b
NACA-66; δ = 0,05	4,41	3,80	3,05	2,19	1,21	0,11
Профиль для швертов; δ = 0,04	3,88	3,34	2,68	1,92	1,06	0,10
Киль яхты NACA 664-0; δ = 0,12	12,00	10,94	8,35	4,99	2,59	0

Для легких гоночных швертботов, способных выходить на режим глиссирования и развивать высокие скорости, используют шверты и рули с более тонким профилем (t /b = 0,044÷0,05) и геометрическим удлинением (отношением углубления d к средней хорде b ср) до 4.

Удлинение килей современных килевых яхт составляет от 1 до 3, рулей - до 4. Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой, причем угол наклона оказывает определенное влияние на величину подъемной силы и лобового сопротивления киля. При удлинении киля около λ = 0,6 может быть допущен наклон передней кромки до 50°; при λ = 1 - около 20°; при λ > 1,5 оптимальным является киль с вертикальной передней кромкой.

Суммарная площадь киля и руля для эффективного противодействия дрейфу принимается обычно равной от 1 / 25 до 1 / 17 площади основных парусов.

Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.

Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.

Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.

Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.

На шлюпку под парусом оказывают влияние две среды: воздушный поток, действующий на парус и надводную часть шлюпки, и вода, действующая на подводную часть шлюпки.

Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед.

Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1 / 3 - 1 / 4 ширины паруса и имеет величину 8 - 10% ширины паруса (рис 18).

Рис. 18. Профиль паруса: В - ширина паруса по хорде (по И.И. Хомякову, 1976).

Если ветер, имеющий направление В (рис 19, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р , направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис 19, б).

Рис. 19 Силы, действующие на парус и корпус шлюпки (по И.И. Хомякову, 1976):

а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки.

Сила Р раскладывается на силу тяги Т , направленную параллельно диаметральной плоскости (ДП ) шлюпки, заставляющую шлюпку двигаться вперед, и силу дрейфа Д , направленную перпендикулярно ДП , вызывающую дрейф и крен шлюпки.

Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше Ðb между направлением ветра В и плоскостью паруса ПП , тем больше сила Р . Если Ðb=90° , сила Р достигает максимальной величины.

Силы Т и Д зависят от Ðg между ДП шлюпки и плоскостью паруса. С увеличением Ðg сила Т увеличивается, а сила Д уменьшается.

Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.

Рис 20. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра (по И.И. Хомякову, 1976): а - бейдевинд; б - галфвинд, в - фордевинд.

Несмотря на то, что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т , шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R .

Сила Д , несмотря на противодействие корпуса, все же сносит шлюпку с линии курса. Составленный ДП и направлением истинного движения шлюпки ИП Ða называется углом дрейфа. Чем острее угол между ДП и направлением ветра, тем больше угол дрейфа, так как при острых углах сила тяги Т незначительна и шлюпка, не имея достаточного поступательного движения вперед, сносится под ветер. При ветре бейдевинд круче 40-45° шлюпка вперед двигаться не может.

Таким образом, наибольшая тяга и наименьший дрейф шлюпки могут быть получены путем выбора наиболее выгодного положения диаметральной плоскости шлюпки и плоскости паруса относительно ветра. Установлено, что угол между ДП шлюпки и плоскостью паруса должен быть равен половине ÐA между диаметральной плоскостью и направлением ветра. На рис 20 показано правильное положение паруса при ветрах бейдевинд (а), галфвинд (б) и фордевинд (в).

При выборе положения паруса относительно ДП и ветра старшина шлюпки руководствуется не истинным, а вымпельным (кажущимся) ветром, направление которого определяется равнодействующей от скорости шлюпки и скорости истинного ветра (рис 21).

Рис 21. Вымпельный ветер.

b и - истинный ветер; В ш - ветер от движения шлюпки;

В в - вымпельный ветер.

Рис. 22. Установка кливера относительно фока (по И.И. Хомякову, 1976):

а - правильно; б - неправильно.

Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливерам и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис 22, а). Если же кливер прижать к ДП , то поток воздуха будет ударять в подветренную сторону фока, ухудшит его форму и уменьшит тяговую силу (рис 22, б). Такое же действие производит кливер, имеющий слишком выгнутую форму.

4.4. Действие ветра на парус

На шлюпку под парусом оказывают влияние две среды: воздушный поток, действующий на парус и надводную часть шлюпки, и вода, действующая на подводную часть шлюпки.

Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед. Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1/3-1/4 ширины паруса и имеет величину 8-10% ширины паруса (рис. 44).

Если ветер, имеющий направление В (рис. 45, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с Подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р,направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис. 45, б).

Рис. 44. Профиль паруса:
В - ширина паруса по хорде

Рис. 45. Силы, действующие на парус и корпус шлюпки:
а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки

Рис. 46. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра: а - бейдевинд; б - галфвинд; в - фордевинд

Сила Р раскладывается на силу тяги Т, направленную параллельно диаметральной плоскости (ДП) шлюпки, заставляющую шлюпку двигаться вперед, и силу дрейфа Д, направленную перпендикулярно ДП, вызывающую дрейф и крен шлюпки.

Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше
Если
Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.

Несмотря на то что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т, шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R.

Рис. 47. Вымпельный ветер:
В И - истинный ветер; В Ш - ветер от движения шлюпки; В В - вымпельный ветер

Сила Д, несмотря на противодействие корпуса, все же сносит шлюпку с линии курса. Составленный ДП и направлением истинного движения шлюпки ИП
Таким образом, наибольшая тяга и наименьший дрейф шлюпки могут быть получены путем выбора наиболее выгодного положения диаметральной плоскости шлюпки и плоскости паруса относительно ветра. Установлено, что угол между ДП шлюпки и плоскостью паруса должен быть равен половине
При выборе положения паруса относительно ДП и ветра старшина шлюпки руководствуется не истинным, а вымпельным (кажущимся) ветром, направление которого определяется равнодействующей от скорости шлюпки и скорости истинного ветра (рис. 47).

Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливером и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис. 48, а).

Не менее важное значение, чем сопротивление корпуса, имеет сила тяги, развиваемая парусами. Чтобы яснее представить себе работу парусов, познакомимся с основными понятиями теории паруса.

Мы уже говорили об основных силах, действующих на паруса яхты, идущей с попутным (курсом фордевинд) и со встречным ветром (курсом бейдевинд). Выяснили, что сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер,-силу дрейфа и силу тяги (см. рис. 2 и 3).

Теперь посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса я от чего зависят силы тяги и дрейфа.

Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус (рис. 94), который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.

Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.

Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Именно она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.

Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х (рис. 95) подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.

Подобное построение позволяет легко убедиться, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.

Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.

В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью» (рис. 96): размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге.

Рис. 96. Профиль паруса

Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.

Любой парус при углах атаки больше 15-20°, то есть при курсах яхты 40-50° к ветру и больше, позволяет уменьшить подъемную силу и увеличить лобовое сопротивление, поскольку на подветренной стороне образуются значительные завихрения. А так как основную часть подъемной силы создает плавное, без завихрений, обтекание подветренной стороны паруса, то уничтожение этих завихрений должно дать большой эффект.

Уничтожают завихрения, образующиеся за гротом, постановкой стакселя (рис. 97). Поток воздуха, попадающий в щель между гротом и стакселем, увеличивает свою скорость (так называемый эффект сопла) и при правильной регулировке стакселя «слизывает» вихри с грота.

Рис. 97. Работа стакселя

Профиль мягкого паруса трудно сохранить неизменным при различных углах атаки. Раньше на швертботах ставили сквозные латы, проходящие через весь парус, - их делали более тонкими в пределах «пуза» и более толстыми к задней шкаторине, где парус гораздо площе. Сейчас сквозные латы ставят главным образом на буерах и катамаранах, где особенно важно сохранить профиль и жесткость паруса при малых углах атаки, когда обычный парус уже полощет по передней шкаторине.

Если источником подъемной силы является только парус, то лобовое сопротивление создает все, что оказывается в потоке воздуха, обтекающем яхту. Поэтому улучшение тяговых свойств паруса может быть достигнуто также и за счет снижения лобового сопротивления корпуса яхты, рангоута, такелажа и экипажа. Для этой цели используют различного рода обтекатели на рангоуте и такелаже.

Величина лобового сопротивления паруса зависит от его очертаний. По законам аэродинамики лобовое сопротивление крыла самолета тем меньше, чем оно уже и длиннее при той же площади. Вот почему парус (по существу то же крыло, но поставленное вертикально) стараются делать высоким и узким. Это позволяет также использовать верховой ветер.

Лобовое сопротивление паруса в очень большой степени зависит от состояния его передней кромки. Передние шкаторины всех парусов должны быть туго обтянуты, чтобы не допускать возможности вибраций.

Необходимо упомянуть еще об одном весьма важном обстоятельстве - так называемой центровке парусов.

Из механики известно, что всякая сила определяется ее величиной, направлением и точкой приложения. До сих пор мы говорили только о величине и направлении сил, приложенных к парусу. Как мы увидим дальше, знание точек приложения имеет большое значение для понимания работы парусов.

Давление ветра распределяется по поверхности паруса неравномерно (большее давление испытывает его передняя часть), однако для упрощения сравнительных расчетов считают, что оно распределяется равномерно. Для приближенных расчетов равнодействующую силу давления ветра на паруса полагают приложенной к одной точке; за нее принимают центр тяжести поверхности парусов, когда они помещены в диаметральной плоскости яхты. Эту точку называют центром парусности (ЦП).

Остановимся на самом простом графическом способе определения положения ЦП (рис. 98). Вычерчивают парусность яхты в нужном масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр каждого паруса. Получив таким образом на чертеже центры О и O1 двух треугольников, составляющих грот и стаксель, проводят через эти центры две параллельные линии ОА и O1Б и на них откладывают в противоположных направлениях в любом, но одинаковом масштабе столько линейных единиц, сколько квадратных метров в треугольнике; от центра грота откладывают площадь стакселя, а от центра стакселя - площадь грота. Концевые точки А и В соединяют прямой АБ. Другой прямой - O1O соединяют центры треугольников. На пересечении прямых А Б и O1O будет находиться общий центр.

Рис. 98. Графический способ нахождения центра парусности

Как мы уже говорили, силе дрейфа (будем считать ее приложенной в центре парусности) противодействует сила бокового сопротивления корпуса яхты. Силу бокового сопротивления считают приложенной в центре бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления называется центр тяжести проекции подводной части яхты на диаметральную плоскость.

Центр бокового сопротивления можно найти, вырезав контур подводной части яхты из плотной бумаги и поместив эту модель на лезвие ножа. Когда модель уравновесится, легко нажимают на нее, затем поворачивают на 90° и снова уравновешивают. Пересечение этих линий дает нам центр бокового сопротивления.

Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной прямой с ЦБС (рис. 99). Если ЦП лежит впереди ЦБС (рис. 99, б), то сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового сопротивления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к ветру, или приводиться (рис. 99, в).

Рис. 99. Центровка яхты

И чрезмерное приведение к ветру, и в особенности уваливание (неправильная центровка) вредны для хода яхты, так как заставляют рулевого все время работать рулем, чтобы сохранить прямолинейность движения, а это увеличивает сопротивление корпуса и снижает скорость судна. Кроме того, неправильная центровка приводит к ухудшению управляемости, а в некоторых случаях - к ее полной потере.

Если мы отцентруем яхту так, как показано на рис. 99, а, то есть ЦП и ЦБС окажутся на одной вертикали, то судно будет очень сильно приводиться и управлять им станет весьма трудно. В чем дело? Здесь две главные причины. Во-первых, истинное расположение ЦП и ЦБС не совпадает с теоретическим (оба центра сдвинуты вперед, но неодинаково).

Во-вторых, и это главное, при крене сила тяги парусов и сила продольного сопротивления корпуса оказываются лежащими в разных вертикальных плоскостях (рис. 100), получается как бы рычаг, заставляющий яхту приводиться. Чем больше крен, тем больше склонность судна приводиться.

Чтобы ликвидировать такое приведение, ЦП помещают впереди ЦБС. Возникающий с креном момент силы тяги и продольного сопротивления, заставляющий яхту приводиться, компенсируется улавливающим моментом сил дрейфа и бокового сопротивления при переднем расположении ЦП. Для хорошей центровки приходится ЦП помещать впереди ЦБС на расстоянии, равном 10-18% длины яхты по ватерлинии. Чем менее остойчива яхта и чем выше поднят ЦП над ЦБС, тем больше в нос надо его передвигать.

Чтобы яхта имела хороший ход, ее надо отцентровать, то есть поставить ЦП и ЦБС в такое положение, при котором судно на курсе бейдевинд в слабый ветер было полностью уравновешено парусами, иными словами - было устойчиво на курсе с брошенным или закрепленным в ДП рулем (допускается легкая склонность к уваливанию при совсем слабом ветре), а при более сильном ветре имело склонность приводиться. Каждый рулевой должен уметь правильно центровать яхту. На большинстве яхт склонность приводиться увеличивается, если перебраны задние паруса и потравлены передние. Если же перебраны передние и перетравлены задние паруса, судно будет уваливаться. При увеличении «пузатости» грота, а также плохо стоящих парусах яхта склонна приводиться в большей степени.

Рис. 100. Влияние крена на приведение яхты к ветру