Як вітрильникам вдається плисти проти вітру? Як плавають вітрильники проти вітру.

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

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

Маршрут "Джульєтти"

Що робити у такому разі?

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

"Під вітрилами проти вітру

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

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

Вітер штовхає вітрило завжди під прямим кутом до його площини.

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

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

Як можна йти вітрилами проти вітру.

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

Давайте тепер розглянемо все можливі напрямкивітру щодо курсу човна.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Галфвінд− вітер дме перпендикулярно до напрямку руху.

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

Перш ніж приступати до розгляду роботи вітрила, слід зупинитись на двох коротких, але важливих моментах:
1.Визначити, який саме вітер впливає на вітрила.
2. Розповісти про специфічну морську термінологію, пов'язану з курсами щодо вітру.

Справжній і вимпел вітру в яхтингу.

Вітер, який діє на судно, що рухається, і все, що знаходиться на ньому, відрізняється від того, який діє на який-небудь нерухомий об'єкт.
Власне вітер як атмосферне явище, що дме щодо землі чи води, ми називаємо справжнім вітром.
В яхтингу вітер щодо яхти, що рухається, називається вимпельним і є сумою справжнього вітрута зустрічного потоку повітря, викликаного рухом судна.
Вимпильний вітер завжди дме під гострішим кутом до човна, ніж істинний.
Швидкість вимпельного вітру може бути більшою (якщо істинний вітер зустрічний або бічний), або меншою від істинного (якщо він з попутних напрямків).

Напрямки щодо вітру.

На вітріотже, звідки дме вітер.
Під вітром- З того боку, куди дме вітер.
Ці терміни, а також похідні від них, такі як "навітряний", "підвітряний", вживаються дуже широко, і не тільки в яхтингу.
Коли ці терміни застосовують до судна, прийнято також говорити про навітряний та підвітряний борти.
Якщо вітер дме з боку правого борту яхти, цей борт називають навітряним, лівий борт - підвітрянимвідповідно.
Лівий і правий галс — два терміни, які безпосередньо пов'язані з попередніми: якщо вітер дме в правий борт судна, то кажуть, що воно йде правим галсом, якщо в лівий – то лівим.
В англійській морській термінології те, що пов'язане з правим та лівим бортом, відрізняється від звичайних Right та Left. Про правий борт і все, що до нього належить, кажуть Starboard, про лівий – Port.

Курси щодо вітру.

Курси щодо вітру різняться залежно від кута між напрямком вимпельного вітру та напрямом руху судна. Їх можна розділити на гострі та повні.

Бейдевінд - гострий курс щодо вітру. коли вітер дме під кутом менше 80 °. Може бути крутий бейдевінд (до 50 °) і повний (від 50 до 80 °).
Повними курсами щодо вітру називаються курси, коли вітер дме під кутом 90° і більше до напрямку руху яхти.
До таких курсів відносяться:
Галфвінд - вітер дме під кутом від 80 до 100 °.
Бакштаг - вітер дме під кутом від 100 до 150 ° (крутий бакштаг) і від 150 до 170 ° (повний бакштаг).
Фордевінд - вітер дме в корму під кутом понад 170 °.
Левентик - вітер строго зустрічний або близький до такого. Оскільки проти такого вітру вітрильне судно рухатися не може, його найчастіше називають не курсом, а положенням щодо вітру.

Маневри щодо вітру.

Коли яхта, що йде під вітрилами, змінює свій курс так, що кут між вітром та напрямом руху зменшується, то кажуть, що судно наводиться. Іншими словами, привестися значить піти під гострішим кутом до вітру.
Якщо відбувається зворотний процес, тобто яхта змінює курс у бік збільшення кута між ним та вітром, судно звалюється .
Уточнимо, що терміни («наводитися» та «увалюватися») використовуються тоді, коли човен змінює курс щодо вітру в межах одного й того ж галсу.
Якщо ж судно змінює галс, то тоді (і лише тоді!) такий маневр у яхтингу називається поворотом.
Існує два різні способи зміни галсу і, відповідно, два повороти: оверштагі фордевінд .
Поворот оверштаг – це поворот проти вітру. Судно наводиться, ніс човна перетинає лінію вітру, рано чи пізно судно проходить через положення левентик, після чого лягає на інший галс.
Яхтинг при повороті фордевінд відбувається протилежним чином: судно упадає, корма перетинає лінію вітру, вітрила переносять на інший борт, яхта лягає на інший галс. Найчастіше це поворот з одного повного курсу на інший.

Робота вітрила під час яхтингу.

Одне з основних завдань для яхтсмена під час роботи з вітрилами полягає в тому, щоб орієнтувати вітрило під оптимальним кутом щодо вітру, щоб якнайкраще просуватися вперед. Для цього потрібно розуміти, як вітрило взаємодіє із вітром.
Робота вітрила багато в чому аналогічна роботі крила літака та відбувається за законами аеродинаміки. Для особливо цікавих яхтсменів більш детально ознайомитися з аеродинамікою вітрила як крила можна в серії статей: . Але краще це зробити після прочитання цієї статті, поступово переходячи від легені до складнішого матеріалу. Хоча, кому я це говорю? Справжніх яхтсменів проблеми не лякають. І можна зробити все з точністю навпаки.

Основна відмінність вітрила від літакового крила в тому, що для появи на вітрилі аеродинамічної сили потрібен якийсь ненульовий кут між ним та вітром, цей кут називають кутом атаки. Крило літака має несиметричний профіль і може нормально працювати при нульовому куті атаки, вітрило немає.
У процесі обтікання вітрила вітром з'являється аеродинамічна сила, яка у результаті рухає яхту вперед.
Розглянемо роботу вітрила у яхтингу під різними курсами щодо вітру. Спочатку для простоти уявімо, що щогла з одним вітрилом укопана в землю і ми можемо спрямовувати вітер під різними кутами до вітрила.

Кут атаки 0 °. Вітер дме вздовж вітрила, вітрило майорить, як прапор. Жодної аеродинамічної сили на вітрилі немає, є тільки сила лобового опору.
Кут атаки 7 °. Починає виникати аеродинамічна сила. Вона спрямована перпендикулярно вітрила і поки що невелика за величиною.
Кут атаки близько 20 °. Аеродинамічна сила досягла свого максимального значення за величиною, спрямована перпендикулярно до вітрила.
Кут атаки 90 °. По відношенню до попереднього випадку аеродинамічна сила істотно не змінилася за величиною, ні за напрямом.
Таким чином, бачимо, що аеродинамічна сила завжди спрямована перпендикулярно вітрила і величина її практично не змінюється в діапазоні кутів від 20 до 90°.
Кути атаки більше 90° немає сенсу розглядати, оскільки вітрила на яхті зазвичай не ставляться під такими кутами щодо вітру.

Наведені вище залежності аеродинамічної сили від кута атаки є спрощеними і усередненими.
Насправді ці властивості помітно різняться залежно від форми вітрила. Наприклад, довгий, вузький і плоский грот гоночних яхт матиме максимум аеродинамічної сили при куті атаки близько 15°, на великих кутах сила буде дещо меншою. Якщо вітрило більш пузате і має невелике подовження, то аеродинамічна сила на ньому може бути максимальною при вугіллі атаки близько 25-30°.

Тепер розглянемо роботу вітрила на яхті.

Для простоти уявімо, що вітрило на яхті одне. Нехай це буде грот.
Спочатку варто подивитися, як поводиться система яхта + вітрило при русі найгострішими курсами щодо вітру, так як це зазвичай викликає найбільше питань.

Допустимо, на яхту діє вітер під кутом 30-35 ° до корпусу. Орієнтувавши вітрило на курсі під кутом приблизно 20 ° до вітру, ми отримаємо на ньому достатню за величиною аеродинамічну силу А.
Оскільки ця сила діє під прямим кутом до вітрила, бачимо, що вона тягне яхту сильно убік. Розклавши силу А на дві складові, можна побачити, що сила тяги вперед Т у рази менша, ніж сила, що штовхає човен убік (D, сила дрейфу).
За рахунок чого в такому разі яхта рухається вперед?
Справа в тому, що конструкція підводної частини корпусу така, що опір корпусу руху в бік (так зване бічне опір) також у рази більше, ніж опір руху вперед. Цьому сприяють кіль (або шверт), кермо та сама форма корпусу.
Однак бічний опір виникає тоді, коли є чому опиратися, тобто, щоб воно почало працювати, обов'язково потрібне деяке усунення корпусу вбік, так званий вітровий дрейф.

Це зміщення природним чином виникає під дією бічної складової аеродинамічної сили, і як реакція у відповідь відразу виникає сила бічного опору S, спрямована в протилежний бік. Як правило, вони врівноважують один одного при куті дрейфу близько 10-15 °.
Отже, очевидно, що бічна складова аеродинамічної сили, найбільш яскраво виражена на гострих курсах щодо вітру, викликає два небажані явища: вітровий дрейф та крен.

Вітровий дрейф означає, що траєкторія руху яхти не збігається з її діаметральною площиною (діаметральна площина, або ДП, - "розумний" термін, що позначає лінію ніс - корми). Відбувається постійне усунення яхти під вітер, рух ніби трохи боком.
Відомо, що при яхтингу на курсі бейдевінд при середніх погодних умовахвітровий дрейф як кут між ДП та реальною траєкторією руху дорівнює приблизно 10-15°.

Просування проти вітру. Лавірування.

Оскільки яхтинг під вітрилами неможливий суворо проти вітру, а можна рухатися тільки під деяким кутом, добре мати уявлення про те, наскільки гостро до вітру в градусах може рухатися яхта. І який, відповідно, той неходовий сектор курсів щодо вітру, в якому рух проти вітру неможливий.
Досвід показує, що звичайна круїзна яхта (не гоночна) може ефективно рухатися під кутом 50-55 ° до справжнього вітру.

Таким чином, якщо мета, яку необхідно досягти, знаходиться суворо проти вітру, то яхтинг до неї відбуватиметься не по прямій, а зигзагом одним галсом, то іншим. При цьому на кожному галсі, звичайно, потрібно буде намагатися йти максимально гостро до вітру. Такий процес називається лавіровкою.

Кут між траєкторіями руху яхт на двох сусідніх галсах при лавіруванні називається лавіровальним. Вочевидь, що з гостроти руху до вітру 50-55° лавірувальний кут становитиме 100-110°.

Величина куту куту показує нам, наскільки ефективно ми можемо просуватися до мети, якщо вона знаходиться суворо проти вітру. Для кута 110°, наприклад, шлях до мети порівняно з рухом прямий збільшується в 1.75 рази.

Робота вітрила на інших курсах щодо вітру

Очевидно, що на курсі галфвінд сила тяги Т істотно перевищує силу дрейфу D, отже дрейф і крен будуть невеликі.

При бакштаге як бачимо, у порівнянні з курсом галфвінд змінилося не так вже й багато. Грот поставлений у положення, майже перпендикулярне ДП, і це положення для більшості яхт є граничним, розгорнути його ще далі технічно неможливо.

Положення грота на курсі фордевінд нічим не відрізняється від положення на курсі бакштаг.
Тут для простоти при розгляді фізики процесу в яхтингу ми беремо до уваги лише одне вітрило — грот. Зазвичай на яхті поставлені два вітрила - грот і стаксель (переднє вітрило). Так ось, на курсі фордевінд стаксель (якщо він розташований з того ж боку, що й грот) знаходиться у вітровій тіні від грота і практично не працює. Це одна з кількох причин, з яких курс фордевінд нелюбимий яхтсменами.

РУХОВА СИЛА ВІТРУ

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

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

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

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

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

РУХОВА СИЛА ВІТРУ

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

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

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

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

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

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

The Physics of Sailing Explained: An Introduction

ISBN 1574091700, 9781574091700

Не менш важливе значення, ніж опір корпусу, має сила тяги, що розвивається вітрилами. Щоб ясніше уявити роботу вітрил, познайомимося з основними поняттями теорії вітрила.

Ми вже говорили про основні сили, що діють на вітрила яхти, що йде з попутним (курсом фордевінд) та з зустрічним вітром (курсом бейдевінд). З'ясували, що сила, що діє на вітрила, може бути розкладена на силу, яка викликає крен і знос яхти під вітер, силу дрейфу і силу тяги (див. рис. 2 і 3).

Тепер подивимося, як визначається повна силатиску вітру на вітрила від чого залежать сили тяги і дрейфу.

Щоб уявити роботу вітрила на гострих курсах, зручно спочатку розглянути плоске вітрило (мал. 94), яке зазнає тиску вітру під певним кутом атаки. В цьому випадку за вітрилом утворюються завихрення, на вітряному боці його виникають сили тиску, на підвітряному - сили розрідження. Їхня результуюча R спрямована приблизно перпендикулярно до площини вітрила. Для правильного розуміння роботи вітрила її зручно подати у вигляді рівнодіючої двох складових сил: Х-спрямованої паралельно повітряному потоку (вітру) та Y-перпендикулярній йому.

Сила X, спрямована паралельно повітряному потоку, називається силою лобового опору; вона створюється, крім вітрила, ще й корпусом, такелажем, рангоутом та екіпажем яхти.

Сила Y, спрямована перпендикулярно до повітряного потоку, називається в аеродинаміці підйомною силою. Саме вона на гострих курсах створює тягу у напрямку руху яхти.

Якщо при тому ж лобовому опорі вітрила Х (рис. 95) підйомна сила збільшується, наприклад, до величини Y1, то, як показано на малюнку, рівнодіюча підйомна сила і лобового опору зміниться на R і відповідно сила тяги Т збільшиться до Т1.

Подібна побудова дозволяє легко переконатися, що зі збільшенням лобового опору Х (при тій самій підйомній силі) тяга Т зменшується.

Таким чином, є два шляхи збільшення сили тяги, а отже, і швидкості ходу на гострих курсах: збільшення підйомної сили вітрила та зменшення лобового опору вітрила та яхти.

У сучасному вітрильному спорті підйомну силу вітрила збільшують надаючи йому увігнуту форму з деякою «пузатістю» (мал. 96): розмір від щогли до найбільш глибокого місця"черепа" зазвичай становить 0,3-0,4 ширини вітрила, а глибина "черепа"-близько 6-10% ширини. Підйомна сила такого вітрила на 20-25% більша, ніж абсолютно плоского майже при тому ж лобовому опорі. Щоправда, яхта з плоскими вітрилами йде трохи крутіше до вітру. Проте з «пузатими» вітрилами швидкість просування в лавірування більша завдяки більшій тязі.

Рис. 96. Профіль вітрила

Зауважимо, що у пузатих вітрил збільшується не тільки тяга, а й сила дрейфу, а значить, крен і дрейф яхт з пузатими вітрилами більше, ніж порівняно з плоскими. Тому «пузатість» вітрила більше 6-7% при сильному вітрі невигідна, оскільки збільшення крену та дрейфу призводить до значного підвищення опору корпусу та зниження ефективності роботи вітрил, які «з'їдають» ефект збільшення тяги. При слабких вітрах краще тягнуть вітрила з «пузом» 9-10%, оскільки через малий загальний тиск вітру на вітрило крен невеликий.

Будь-яке вітрило при кутах атаки більше 15-20 °, тобто при курсах яхти 40-50 ° до вітру і більше, дозволяє зменшити підйомну силу і збільшити лобовий опір, оскільки на підвітряному боці утворюються значні завихрення. Оскільки основну частину підйомної сили створює плавне, без завихрень, обтікання підвітряної боку вітрила, знищення цих завихрень має дати великий ефект.

Знищують завихрення, що утворюються за гротом, постановкою стакселя (рис. 97). Потік повітря, що потрапляє в щілину між гротом і стакселем, збільшує свою швидкість (так званий ефект сопла) і при правильному регулюванні стакселя "злизує" вихори з грота.

Рис. 97. Робота стакселя

Профіль м'якого вітрила важко зберегти незмінним при різних кутах атаки. Раніше на швертботах ставили наскрізні лати, що проходять через все вітрило, - їх робили більш тонкими в межах «черепа» і товстішими до задньої шкаторини, де вітрило набагато площе. Зараз наскрізні лат ставлять головним чином на буерах і катамаранах, де особливо важливо зберегти профіль і жорсткість вітрила при малих кутах атаки, коли звичайне вітрило вже полоще по передній шкаторині.

Якщо джерелом підйомної сили є лише вітрило, то лобовий опір створює все, що виявляється у потоці повітря, що обтікає яхту. Тому поліпшення тягових властивостей вітрила може бути досягнуто також за рахунок зниження лобового опору корпусу яхти, рангоуту, такелажу та екіпажу. Для цієї мети використовують різноманітні обтічники на рангоуті та такелажі.

Величина лобового опору вітрила залежить від його контурів. За законами аеродинаміки лобовий опір крила літака тим менший, чим він уже й довший за тієї ж площі. Ось чому вітрило (по суті те саме крило, але поставлене вертикально) намагаються робити високим та вузьким. Це також дозволяє використовувати верховий вітер.

Лобове опір вітрила дуже залежить від стану його передньої кромки. Передні шкаторини всіх вітрил повинні бути туго обтягнуті, щоб уникнути можливості вібрацій.

Необхідно згадати ще про одну дуже важливу обставину - так зване центрування вітрил.

З механіки відомо, що будь-яка сила визначається її величиною, напрямом та точкою докладання. Досі ми говорили лише про величину та напрямок сил, прикладених до вітрила. Як ми побачимо далі, знання точок додатка має велике значення для розуміння роботи вітрил.

Тиск вітру розподіляється поверхнею вітрила нерівномірно (більший тиск відчуває його передня частина), проте спрощення порівняльних розрахунків вважають, що його розподіляється рівномірно. Для наближених розрахунків рівнодію силу тиску вітру на вітрила вважають прикладеної до однієї точки; за неї приймають центр тяжкості поверхні вітрил, коли вони вміщені в діаметральній площині яхти. Цю точку називають центром парусності (ЦП).

Зупинимося на найпростішому графічному способі визначення положення ЦП (рис. 98). Викреслюють парусність яхти у потрібному масштабі. Потім на перетині медіан – ліній, що з'єднують вершини трикутника із серединами протилежних сторін, – знаходять центр кожного вітрила. Отримавши таким чином на кресленні центри О і O1 двох трикутників, що становлять грот і стаксель, проводять через ці центри дві паралельні лінії ОА та O1Б і на них відкладають у протилежних напрямках у будь-якому, але однаковому масштабі стільки лінійних одиниць, скільки квадратних метрів у трикутнику; від центру грота відкладають площу стакселя, як від центру стакселя - площа грота. Кінцеві точки А і з'єднують прямий АБ. Інший прямий – O1O з'єднують центри трикутників. На перетині прямих AB і O1O буде перебувати загальний центр.

Рис. 98. Графічний спосіб знаходження центру парусності

Як ми вже говорили, силі дрейфу (вважатимемо її прикладеною в центрі парусності) протидіє сила бічного опору корпусу яхти. Силу бокового опору вважають прикладеною у центрі бокового опору (ЦБС). Центром бокового опору називається центр ваги проекції підводної частини яхти на діаметральну площину.

Центр бокового опору можна знайти, вирізавши контур підводної частини яхти із щільного паперу та помістивши цю модель на лезо ножа. Коли модель врівноважується, легко натискають на неї, потім повертають на 90 ° і знову врівноважують. Перетин цих ліній дає нам центр бічного опору.

Коли яхта йде без крену, ЦП повинен лежати на одній вертикальній прямій із ЦБС (рис. 99). Якщо ЦП лежить попереду ЦБС (рис. 99 б), то сила дрейфу, зміщена вперед щодо сили бічного опору, повертає ніс судна під вітер - яхта звалюється. Якщо ЦП опиниться позаду ЦБС, яхта повертатиметься носом до вітру, або наводиться (рис. 99, в).

Рис. 99. Центрівка яхти

І надмірне приведення до вітру, і особливо увалювання (неправильне центрування) шкідливі для ходу яхти, тому що змушують рульового постійно працювати кермом, щоб зберегти прямолінійність руху, а це підвищує опір корпусу і знижує швидкість судна. Крім того, неправильне центрування призводить до погіршення керованості, а в деяких випадках - до її повної втрати.

Якщо ми відцентруємо яхту так, як показано на рис. 99 а, тобто ЦП і ЦБС виявляться на одній вертикалі, то судно буде дуже сильно наводитися і управляти ним стане дуже важко. В чому справа? Тут дві основні причини. По-перше, справжнє розташування ЦП і ЦБС не збігається з теоретичним (обидва центри зсунуті вперед, але неоднаково).

По-друге, і це головне, при крені сила тяги вітрил і сила поздовжнього опору корпусу виявляються лежачими в різних вертикальних площинах(Рис. 100), виходить як би важіль, що змушує яхту наводитися. Чим більше крен, тим більше схильність судна наводиться.

Щоб ліквідувати таку приведення, ЦП поміщають попереду ЦБС. Виникає з креном момент сили тяги і поздовжнього опору, що змушує яхту наводитися, компенсується моментом сил дрейфу і бічного опору, що вловлює, при передньому розташуванні ЦП. Для хорошого центрування доводиться ЦП поміщати попереду ЦБС на відстані, що дорівнює 10-18% довжини яхти по ватерлінії. Чим менш стійка яхта і що вище піднятий ЦП над ЦБС, то більше в ніс треба його пересувати.

Щоб яхта мала хороший хід, її треба відцентрувати, тобто поставити ЦП та ЦБС у таке положення, при якому судно на курсі бейдевінд у слабкий вітер було повністю врівноважене вітрилами, іншими словами – було стійко на курсі з кинутим або закріпленим у ДП кермом (допускається легка схильність до увалювання при дуже слабкому вітрі), а за сильнішому вітрі мало схильність наводитися. Кожен кермовий повинен уміти правильно центрувати яхту. На більшості яхт схильність наводиться збільшується, якщо перебрано задні вітрила і потравлено передні. Якщо ж перебрано передні та перетравлено задні вітрила, судно буде увалюватися. При збільшенні «пузатості» грота, а також вітрилах, що погано стоять, яхта схильна наводитися більшою мірою.

Рис. 100. Вплив крену на приведення яхти до вітру