что ветер делает с парусами

eponim2008

Жизнь замечательных имен

Короткие истории о вещах и о людях, давших им свое имя

Как работает парус?

Парус – гениальное изобретение, сравнимое по своему значению с колесом. Если колесо позволило людям передвигаться по суше, то благодаря парусам люди научились ходить по морю. (Моряки не любят слово «плавать» и заменяют его словом «ходить». Они считают, что плавает в воде только всякая дрянь. Корабли же ходят по морям, по волнам.)

Парус – это кусок прочного полотна, верхняя часть которого закреплена на поперечной мачте, рее, а нижняя часть прикрепляется к палубе. Такие паруса называются прямыми. Если ветер дует в прямой парус, этот парус тянет корабль вперед.

А вот теперь разберемся, как возникает тянущая сила. Полотно паруса образует препятствие на пути ветра. Воздушный поток пытается обойти это препятствие, разделяется на потоки и огибает парусину. При этом за парусом воздушные потоки превращаются в вихри. В вихревой зоне воздух движется быстрее. Согласно одному из главных законов гидро- и аэродинамики, открытом в 1738 году Даниилом Бернулли, чем быстрее скорость движения потока, тем ниже в нем внутреннее давление. Таким образом, за парусом, там, где образуется вихревая зона, возникает область пониженного давления. Под влиянием разницы давлений парус выгибается вперед и как бы втягивается в зону разряжения сам и втягивает туда вслед за собой весь корабль.

Ясно, что если ветер крепкий и попутный, корабль будет нестись вперед в согласии с описанием А.С.Пушкина:

Ветер по морю гуляет
И кораблик подгоняет.
Он летит себе в волнах
На раздутых парусах.

Ну, а если ветер не «гуляет»? Или «гуляет», да не в ту сторону? Сидеть у моря и ждать погоды? Нет, конечно.

Во-первых, парусные суда часто используют движение под углом к попутному ветру, или как говорят моряки «ходят галсами». Движение галсами возможно благодаря тому, что у любого уважающего себя морского судна имеется киль, подводная часть, препятствующая боковому смещению корабля. Поэтому когда ветер дует в паруса немного сбоку, его силу тяги можно разделить на две силы – по оси корабля и перпендикулярно этой оси. Первая тянет корабль вперед (под некоторым углом к направлению ветра), вторая толкала бы корабль в сторону, но этому движению препятствует сопротивление киля корабля.

Моряки различают движение левым галсом, когда ветер дует в левый борт, и движение правым галсом, когда ветер дует в правый борт.

Но мореходные хитрости позволяют двигаться даже навстречу ветру. Для этого на кораблях, кроме прямых парусов ставят также паруса косые. Передняя часть косого паруса (передняя шкаторина) закрепляется на одной из мачт корабля, что позволяет парусу поворачиваться на некоторый угол по отношению к оси судна. При таком повороте встречный поток воздуха обдувает парус, который при этом выгибается наподобие самолетного крыла. Так же как и в крыле при обтекании его набегающим потоком воздуха возникает подъемная сила, направленная вверх, в косом парусе под воздействием встречного ветра возникает сила тяги направленная навстречу дующему ветру. Благодаря косым парусам корабль может двигаться против ветра! Такое движение называется движением «встречными галсами»

Благодаря высоким мачтам, оснащенным прямыми парусами, корабли стал быстрыми, а косые паруса позволили им стать более маневренными. Вплоть до 1870-х годов парусники царили на морях, а потом их сменили пароходы, суда более быстрые, более грузоподъемные, но, конечно, гораздо менее романтичные.

Источник

Как работает парус.

Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.

Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.

Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).

Направления относительно ветра.

Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.

Маневры относительно ветра.

Работа паруса при яхтинге.

Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: теория паруса. Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.

Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.

Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.

Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.

Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.

Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.

Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.

Продвижение против ветра. Лавировка.

Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.

Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.

Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.

Работа паруса на других курсах относительно ветра

Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.

Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.

Источник

Рубрики | Статьи и литература

Воздействие ветра на парус

Когда каждый, кто начинает заниматься парусным спортом постигает основы управления яхтой, один из основных вопросов, который он себе задаёт — это благодаря чему движется яхта, какие силы действуют на парусную яхту и как использовать действующие силы, чтобы заставить двигаться лодку в нужном направлении.

Парусная лодка приводится в движение, благодаря силе ветра, который «ловят» паруса. И от правильной постановки парусов зависит движение яхты. А это в свою очередь и скорость и направление и безопасность тех, кто находится на борту яхты.
Работа ветра, попадающего в паруса чем-то сходна с работой потоков воздуха, создающего аэродинамическую силу, и действующего на крыло самолёта.
Парус развивает лучшую тягу, когда поставлен под острым углом по отношению к ветру. Учитывая что лодка постоянно движется, а направление лодки по отношению к направлению ветра изменяется, требуется постоянная настройка парусов и сохранению оптимального угла паруса к ветру. Если парус слишком ослаблен, то он будет пассивно развиваться как флаг и и не будет приводить лодку в движение. Если же он излишне набран (натянут), то он будет создавать сопротивление потоку воздуха, который будет просто обходить парус и не работать должным образом.

Неправильная постановка паруса. Парус заполаскивает

Общей, простой рекомендацией может послужить такой совет — чтобы настроить грот отпустите (потравите) гик до тех пор, пока грот не начнёт заполаскивать задней шкаториной, а затем набирайте грота-шкот до тех пор, пока заполаскивание не прекратится. Периодически повторяя этот манёвр можно хорошо контролировать оптимальную постановку паруса. Аналогичным образом можно поступать и со стакселем, работая с стаксель-шкотами.

Правильная постановка паруса. Парус наполнен ветром

Но говоря о работе паруса и движущей силе ветра, не стоит забывать и о том, что лодка движется не строго в ту сторону, куда мы её направляем. Курс яхты на самом деле отличается от намеченного нами курса, так как существует ещё и боковой снос. Поскольку ветер дует под некоторым углом к парусу следовательно и результат его действия будет направлен не строго вперёд. Суммарное направление вектора тяги будет в сторону от проложенного курса.

Чем круче к ветру лежит лодка, тем сильнее действие бокового сноса или дрейфа.

Роль киля при действии ветра, угол дрейфа

Киль или шверт используются так же для сопротивлению дрейфу.
Хотя киль и сопротивляется дрейфу, устранить его полностью невозможно. При курсах бейдевинд или галфинд парусная лодка уклоняется в сторону и истинный курс отличается от намеченного. Разница между истинным курсом и фактическим называется углом дрейфа.
Особенно сильным является дрейф в водах с характерно выраженным течением. Особенно на реках, проточных озёрах, местах с приливными или отливными течениями.

Правильно настроенные паруса изменяют направление потока воздуха, которые обтекает паруса.

Правильная постановка паруса и правильная форма паруса предполагают расположение так называемого пуза (максимальной полноты) в передней части паруса.
Так как поток воздуха обтекает парус, он движется быстрее с подветренной (выпуклой) стороны паруса поскольку длина пути с этой стороны больше чем с внутренней. С подветренной стороны паруса поток воздуха создаёт низкое давление. А с внутренней (наветренной) стороны поток воздуха движется медленнее, создавая более высокое давление. Разница давлений еще больше засасывает парус в подветренную сторону и создаёт силы, направленные под прямым углом в каждой точке паруса, что видно на изображении. Сумма этих усилий и является общей движущей силой паруса.

Пузо может переместиться назад если сильно затянуть заднюю шкаторину, при этом образуется слишком «острый вход» потока воздуха в парус. Это в свою очередь заставляет заворачиваться заднюю шкаторину и она начинает работать как тормоз стоящий на пути потока воздуха. Это существенно снижает скорость или может даже остановить небольшую яхту.

Форма паруса может быть настроена при помощи фала, шкота или оттяжек. Паруса настраивают так, чтобы они были более плоскими при слабых ветрах, когда енергии ветра не достаточно чтобы надуть парус, наполненными при среднем ветре или так же плоскими при сильных ветрах когда есть избыток силы ветра.

При движении под двумя парусами нужно учитывать работу стакселя, который создаёт собственную движущую силу. Кроме того он усиливает работу грота, направляя поток воздуха вдоль выпуклой стороны грота. Так как воздух направлен сквозь «щель» между задней шкаториной стакселя и передней шкаториной грота, он сжимается под давлением силы ветра и в следствии этого ускоряется.

Это ещё больше уменьшает давление с подветренной стороны грота.
Если стаксель слишком набран или грот слишком ослаблен щель между парусами будет слишком уской и скорость будет теряться. Если же наоборот стаксель набран не достаточно сильно или грот сильно набран, щель будет слишком широкой что так же приведёт к снижению скорости яхты.

Как становится понятно из вышесказанного, из достаточно большой силы с которой ветер воздействует на парус мы используем только небольшую часть, которая необходима нам для движения вперёд.
И в зависимости от курса яхты по отношению к направлению ветра эта используемая часть ветра разная.

При курсе бейдевинд — она одна

А при курсе галфинд — другая

И нахождение оптимального соотношения между направлением ветра и курсом яхты и является задачей рулевого.

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Очень популярный вопрос от тех, кто очень далек от лодок, кораблей, парусов и т.п. Вот как я например. А уж сколько в мире существует конструкций парусов! Вот например Паруса в виде колонн: эффект Магнуса.

Так может быть есть какой то вариант, чтобы двигаться вперед на парусном судне, даже если ветер встречный? Не стоять же на месте и ждать смены ветра. Не уж то так раньше и делали?

Строго против ветра под парусом ходить невозможно. Однако…

…если ветер дует спереди, но чуть под углом, яхта вполне может двигаться. В таких случаях говорят, что судно идет острым курсом.

Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во‑первых, ветер просто давит на паруса. Во‑вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.

Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).

На острых курсах сила дрейфа велика, но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.

Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.

Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.

Левентик － ветер дует прямо в нос судна. Таким курсом под парусом ходить нельзя, зато поворот к ветру используют, чтобы остановить яхту.

Бейдевинд － тот самый острый курс. Когда идешь бейдевиндом, ветер дует в лицо, поэтому кажется, что яхта развивает очень большую скорость. На самом деле это ощущение обманчиво.

Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.

Бакштаг － ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.

Фордевинд － тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же, как пилот самолета － восходящие и нисходящие потоки.

Это копия статьи, находящейся по адресу http://masterokblog.ru/?p=8338.

Информация об этом журнале

«бакштаг－ ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.»
Шта?

Это как самолет бы мог передвигаться вверх быстрее чем вперед за счет подьемной силы крыла. Разве что моментальная скорость судна может быть временами моментальной скорости ветра.

Edited at 2018-08-09 02:59 pm (UTC)

Собранное на краях давление на парус аккумулируется к середине и выдаёт давление на порядок выше. Добавьте в процесс что каким-то образом снизили сопротивление воде типа подводные крылья и получаем скорость выше ветра.

Если для дискуссии требуются картинки с «треугольниками скоростей», то могу предложить свою заметку по поводу: https://biglebowsky.livejournal.com/74372.html

Аннотация
По определению,аэродинамическое качество K = подъемная сила / лобовое сопротивление
Вводятся величины:
— аэродинамическое качество надводной части яхты (паруса + надводная часть корпуса) K_aero;
— гидродинамическое качество подводной части яхты (рассматривается сопротивление боковому дрейфу) K_hydro.

Вычисляется некая общая величина «качества яхты» по формуле 1/К_яхты=1/К_aero+1/K_hydro.

Далее показывается, что для случая высокого общего качества яхты приближенно работает очень простая формула

скорость яхты = качество яхты * скорость истинного ветра

Edited at 2018-08-11 08:42 am (UTC)

Если что-то может быть неправильно понято, оно будет неправильно понято (с).

Я хотел сократить термин «комбинация аэродинамического качества надводной части яхты с гидродинамическим качеством подводной части», и ввел термин «качество яхты».

Edited at 2018-08-11 05:35 pm (UTC)

Re: «Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во-первых, ветер просто давит на паруса.»

Не «ветер», а воздух. Ну да, высказывание в духе капитана Очевидность. Воздух действительно имеет давление, и при обдувке паруса в разных точках паруса будут разные давления.

Re: «Во-вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета»

А также прямые паруса, и установленные на любых плавсредствах, включая старинные.

Re: «и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед»

Действительно, в случае прямолинейного горизонтального полета самолета подъемная сила будет направлена вверх. Однако, самолет летает так не всегда.
У паруса подъемная сила направлена вперед только, если относительный (вымпельный) ветер дует под прямым углом к курсу.

Re: «Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой»

Re: «и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней»
А когда косыми парусами дают задний ход яхте, то все наоборот получается.

Полагаю, что этот поток ошибок обусловлен тем, что автор заметки искренне верует в «equal transit-time fallacy».

Edited at 2018-08-09 03:04 pm (UTC)

Источник

Как парусники ходят против ветра

Там капитан Блад заканчивал свои приготовления. Он успокоился, увидев голландский корабль, который двигался против ветра, возвращаясь в Кюрасао, чтобы забрать Блада из Ла-Ача…

«Удачи капитана Блада», Рафаэль Сабатини

Как такое возможно, чтобы судно, по законам физики обязанное идти по ветру, шло против? А вот и возможно. Сейчас расскажем как.

1. Ходить по прямой под парусами против ветра невозможно. Но при ветре, который дует спереди и немного под углом, парусник идти может. Это называется – идет острым курсом.

2. На тягу паруса влияют два фактора:

Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.

3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).

4. На острых курсах сила дрейфа велика. Но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.

5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.

Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.

Подготовлено мо материалам ПМ.

А чтобы своими глазами увидеть, как яхты ходят против ветра, присоединяйтесь к нашей регате в Греции. Это будет крутая история с настоящими гонками под парусами среди островов Киклады в отличной компании! Подробности на сайте.

Источник