A széllel szemben mozgó vitorlás elve. Egy jacht hajótestére és vitorlájára ható erők. Most pedig nézzük meg, hogyan működnek a vitorlák egy jachton

Mihail Jurijevics Lermontov orosz költőt szerette tengerés gyakran említette őt műveiben. Csodálatos verset írt a fehéredésről vitorla, mely a hullámok között rohan a tenger távoli kiterjedésein. Valószínűleg ismeri Lermontov versét, mert ezek a leghíresebb verssorok a vitorlás hajókról. Olvasva őket, el lehet képzelni egy háborgó tengert és gyönyörű hajókat a hullámai között. A szél megtölti a vitorlákat. És a szél erejének köszönhetően a hajók előremennek. De hogyan tudnak a vitorlások széllel szemben vitorlázni?

Ennek megválaszolásához először meg kell tanulnia egy ismeretlen szót "tack".Galsom A hajó szélhez viszonyított mozgási irányát ún. A tack lehet bal oldali szél, vagy jobb oldali szél, ha jobbról fúj. Fontos ismerni a „tack” szó második jelentését - ez az út része, vagy inkább annak a szakasza, amelyen a vitorlás elhalad, amikor mozog széllel szemben. Emlékszel?

Most pedig, hogy megértsük, hogyan tudnak a vitorlások széllel szemben vitorlázni, nézzük meg a vitorlákat. Különböző formájú és méretűek egy vitorláson - egyenes és ferde. És mindenki teszi a dolgát. Ha ellenszél fúj, a hajót ferde vitorlákkal kormányozzák, amelyek először az egyik, majd a másik irányba fordulnak.

Őket követve a hajó egyik vagy másik irányba fordul. Megfordul és előremegy. A tengerészek ezt a mozgalmat - váltakozó fogásokkal mozogva. Lényege, hogy a szél rányomja a ferde vitorlákat és enyhén oldalra és előre fújja a hajót. A vitorlás kormánya nem engedi, hogy teljesen elforduljon, és a képzett tengerészek időben mozgásba hozzák a vitorlákat, változtatva a helyzetükön. Így kis cikcakkokban halad előre.

Természetesen a váltakozó taccsokon való mozgás nagyon nehéz feladat egy vitorlás teljes legénysége számára. De a tengerészek tapasztalt srácok. Nem félnek a nehézségektől, és nagyon szeretik a tengert.

"Hátszél!" - kívánják minden vitorlázónak, és ez teljesen hiábavaló: ha a szél felől fúj, a jacht nem tudja elérni a maximális sebességet. Segített elkészíteni ezt a diagramot Vadim Zhdan, profi kapitány, versenyző, szervező és műsorvezető yacht regatták.Olvassa el a diagram eszköztippjeit, hogy kitalálja.

2. A vitorla tolóereje két tényező hatására jön létre. Először is, a szél egyszerűen nyomja a vitorlákat. Másodszor, a legtöbb modern jachtra felszerelt ferde vitorlák, amikor a levegő áramlik körülöttük, repülőgépszárnyként működnek, csak nem felfelé, hanem előre irányulnak. Az aerodinamikai sajátosságok miatt a vitorla domború oldaláról gyorsabban mozog a levegő, mint a konkáv oldalról, és a nyomás kívül Kevesebb vitorla van, mint a belsővel.

3. A vitorla által keltett összerő a vászonra merőlegesen irányul. A vektorösszeadás szabálya szerint meg lehet különböztetni a sodródási erőt (piros nyíl) és a vonóerőt (zöld nyíl).

5. Szigorúan széllel szembeni vitorlázáshoz a jacht ragad: egyik vagy másik oldalával a szél felé fordul, szakaszosan halad előre - tack. Milyen hosszúak legyenek a tackok és milyen szögben legyenek a széllel szemben – fontos kérdések a kapitány taktikájánál.

9. Gulfwind- a szél a mozgás irányára merőlegesen fúj.

11. Fordewind– ugyanaz a hátszél a tat felől fúj. A várakozásokkal ellentétben nem ez a leggyorsabb pálya: itt nincs kihasználva a vitorla emelőereje, és az elméleti sebességhatár sem haladja meg a szél sebességét. Egy tapasztalt kapitány ugyanúgy meg tudja jósolni a láthatatlan légáramlatot

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

A hátszélben (jibed course) és a szembeszélben (szélirány mögött) vitorlázó jacht vitorláin ható főbb erőkről már volt szó. Megállapítottuk, hogy a vitorlákra ható erő felbontható arra az erőre, amely a jacht gurulását és lefelé sodródását okozza, sodródási erőre és vonóerőre (lásd 2. és 3. ábra).

Most nézzük meg, hogyan határozzák meg a vitorlákra ható szélnyomás teljes erejét, és mitől függenek a toló- és sodródási erők.

Ahhoz, hogy elképzeljük a vitorla működését éles pályákon, célszerű először egy lapos vitorlát figyelembe venni (94. ábra), amely bizonyos támadási szögben szélnyomást tapasztal. Ilyenkor a vitorla mögött örvények keletkeznek, a szél felőli oldalon nyomóerők, a hátszél oldalon pedig ritkító erők keletkeznek. Az eredményül kapott R a vitorla síkjára körülbelül merőlegesen irányul. A vitorla működésének megfelelő megértéséhez célszerű elképzelni, hogy két komponens erő eredménye: a légáramlással (szél) párhuzamosan X, és arra merőlegesen Y.

A légárammal párhuzamos X erőt vonóerőnek nevezzük; Ezt a vitorláson kívül a jacht hajóteste, kötélzete, szárai és legénysége is létrehozza.

A légáramlásra merőleges Y erőt emelésnek nevezzük az aerodinamikában. Ez az, amely éles pályákon tolóerőt hoz létre a jacht mozgásának irányába.

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

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

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

Modernben vitorlázás a vitorla emelőerejét növeljük, ha homorú formát adunk neki némi „hasassággal” (96. ábra): a méret az árboctól a legnagyobbig mély hely A "has" általában a vitorla szélességének 0,3-0,4, a "has" mélysége pedig a szélesség 6-10%-a. Egy ilyen vitorla emelőereje 20-25%-kal nagyobb, mint egy teljesen sík vitorláé, közel azonos ellenállással. Igaz, egy lapos vitorlájú jacht kicsit meredekebben vitorlázik a szélbe. A pocakos vitorláknál azonban a nagyobb tolóerő miatt nagyobb sebességgel halad a tackba.

Rizs. 96. Vitorla profil

Vegye figyelembe, hogy a pocakos vitorláknál nemcsak a tolóerő növekszik, hanem a sodródási erő is, ami azt jelenti, hogy a pocakos vitorlákkal rendelkező jachtok gurulása és sodródása nagyobb, mint a viszonylag lapos vitorláké. Ezért a 6-7% -ot meghaladó vitorla „kidudorodás” erős szélben veszteséges, mivel a dőlés és a sodródás növekedése a hajótest ellenállásának jelentős növekedéséhez és a vitorlák hatékonyságának csökkenéséhez vezet, amelyek „felfalnak”. a növekvő tolóerő hatása. Gyenge szélben a 9-10%-os „hasú” vitorlák jobban húznak, mivel a vitorlát érő összes szélnyomás miatt kicsi a sarok.

Minden 15-20°-nál nagyobb támadási szögű vitorla, azaz amikor a jacht 40-50°-os vagy nagyobb szögben halad a szél felé, csökkentheti az emelést és növelheti a légellenállást, mivel jelentős turbulencia alakul ki a hátszél oldalon. És mivel az emelőerő nagy részét a vitorla hátulsó oldala körüli sima, turbulensmentes áramlás hozza létre, ezeknek az örvényeknek a megsemmisítésének nagy hatást kell kifejtenie.

A nagyvitorla mögött kialakuló turbulenciát az orrvitorla beállításával megsemmisítjük (97. ábra). A nagyvitorla és a gerenda közötti résbe belépő légáram növeli a sebességét (ún. fúvóka-effektus), és a gerenda helyes beállításával „lenyalja” a nagyvitorla örvényeit.

Rizs. 97. Gömbös munka

A puha vitorla profilját nehéz állandóan tartani különböző támadási szögekben. Korábban a gumicsónakokon átmenő lécek futottak át az egész vitorlát – a „hason” belül vékonyabbra, a luff felé pedig vastagabbra tették, ahol a vitorla sokkal laposabb. Manapság az átmenő lécet főleg jéghajókra és katamaránokra szerelik fel, ahol különösen fontos a vitorla profiljának és merevségének megőrzése kis ütési szögek esetén, amikor egy normál vitorla már a luff mentén húzódik.

Ha csak a vitorla a felhajtóerő forrása, akkor a légellenállást minden olyan dolog hozza létre, ami a jacht körül áramló légáramba kerül. Ezért a vitorla tapadási tulajdonságainak javítása a jacht törzsének, árbocának, kötélzetének és legénységének ellenállásának csökkentésével is elérhető. Erre a célra különféle típusú burkolatokat használnak a száron és a kötélzeten.

A vitorlás ellenállás mértéke az alakjától függ. Az aerodinamika törvényei szerint egy repülőgép szárnyának légellenállása kisebb, minél keskenyebb és hosszabb ugyanarra a területre. Ezért igyekeznek magasra és keskenyre tenni a (lényegében azonos szárnyú, de függőlegesen elhelyezett) vitorlát. Ez lehetővé teszi a felső szél használatát is.

A vitorla ellenállása nagymértékben függ a vezetőél állapotától. Az összes vitorla fülét szorosan le kell fedni, hogy elkerüljük a vibráció lehetőségét.

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

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

A szélnyomás egyenetlenül oszlik el a vitorla felületén (az elülső része nagyobb nyomást gyakorol), azonban az összehasonlító számítások egyszerűsítése érdekében feltételezzük, hogy egyenletesen oszlik el. A hozzávetőleges számításokhoz a vitorlákra ható szélnyomás eredő erejét egy pontra kell alkalmazni; a vitorlák felszínének súlypontja akkora, mint amikor a jacht középsíkjában helyezkednek el. Ezt a pontot a vitorla középpontjának (CS) nevezik.

Koncentráljunk a CPU helyzetének meghatározásának legegyszerűbb grafikus módszerére (98. ábra). Rajzolja meg a jacht vitorlafelületét a kívánt léptékben. Ezután a mediánok - a háromszög csúcsait az ellenkező oldalak felezőpontjaival összekötő vonalak - metszéspontjában megtaláljuk az egyes vitorlák középpontját. Miután így a rajzon megkaptuk a nagyvitorlát és a vitorlát alkotó két háromszög O és O1 középpontját, húzzunk két párhuzamos egyenest OA és O1B ezeken a középpontokon, és fektessenek rájuk ellentétes irányban, de ugyanabban a méretarányban, mint sok lineáris. egységek négyzetméterben a háromszögben; A nagyvitorla közepétől a fúvóka területét, a fúvóka közepétől pedig a nagyvitorla területét kell letenni. Az A és B végpontokat AB egyenes köti össze. Egy másik egyenes vonal - O1O köti össze a háromszögek középpontját. Az A B és O1O egyenesek metszéspontjában közös középpont lesz.

Rizs. 98. Grafikus módszer a vitorla középpontjának megtalálására

Mint már említettük, a sodródási erőt (a vitorla közepén alkalmazzuk) a jacht testének oldalirányú ellenállási ereje ellensúlyozza. Az oldalirányú ellenállási erőt az oldalirányú ellenállás (CLR) középpontjában kell alkalmazni. Az oldalirányú ellenállás középpontja a jacht víz alatti részének középsíkra való vetületének súlypontja.

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

Amikor jön a jacht gördülés nélkül a CPU-nak ugyanabban a függőleges egyenesben kell feküdnie a középponttal (99. ábra). Ha a CP a központi állomás előtt fekszik (99. ábra, b), akkor az oldalirányú ellenállás erejéhez képest előretolt sodródási erő a hajó orrát szélbe fordítja - a jacht elesik. Ha a CPU a központi állomás mögött van, a jacht a szél felé fordítja az orrát, vagy meghajtja (99. ábra, c).

Rizs. 99. Yacht beállítás

Mind a szélhez való túlzott igazodás, mind pedig különösen az elakadás (nem megfelelő központosítás) káros a jacht vitorlázására, mivel arra kényszerítik a kormányost, hogy folyamatosan dolgozza a kormányt az egyenesség megőrzése érdekében, ez pedig növeli a hajótest ellenállását és csökkenti a hajó sebességét. Ezenkívül a helytelen beállítás az irányíthatóság romlásához, egyes esetekben annak teljes elvesztéséhez vezet.

Ha a jachtot az ábra szerint középre állítjuk. 99, vagyis a CPU és a központi vezérlőrendszer ugyanabban a függőlegesben lesz, akkor a hajót nagyon erősen hajtják, és nagyon nehéz lesz irányítani. mi a baj? Ennek két fő oka van. Először is, a CPU és a központi idegrendszer valós elhelyezkedése nem esik egybe az elméletivel (mindkét központ előretolódik, de nem egyformán).

Másodszor, és ez a fő dolog, dőléskor a vitorlák vonóereje és a hajótest hosszirányú ellenállási ereje különböző irányokba esik. függőleges síkok(100. ábra), olyan, mint egy kar, amely a jacht vezetésére kényszeríti. Minél nagyobb a tekercs, annál hajlamosabb az edény a dőlésre.

Az ilyen addukció kiküszöbölésére a CP-t a központi idegrendszer elé helyezik. A vonóerő és a hosszirányú ellenállás nyomatéka, amely a gurulással fellép, és a jachtot vezetésre kényszeríti, kompenzálja a sodródási erők befogónyomatéka és az oldalirányú ellenállás, amikor a CP elöl van. A jó központosítás érdekében a CP-t a CB elé kell helyezni a jacht hosszának 10-18% -ának megfelelő távolságra a vízvonal mentén. Minél kevésbé stabil a jacht, és minél magasabbra van emelve a CPU a központi állomás fölé, annál inkább az orrba kell mozgatni.

Úgy, hogy a jachtnak van jó lépés, középre kell helyezni, azaz a CPU-t és a központi kormányrendszert olyan helyzetbe hozni, hogy a hajót enyhe szélben közeli pályán a vitorlák teljesen kiegyensúlyozzák, vagyis stabilan álljon a pályán. a DP-ben eldobott vagy rögzített kormánykormánnyal (nagyon gyenge szél esetén enyhe leesési hajlam), erősebb szélben pedig sodródásra hajlamos. Minden kormányosnak képesnek kell lennie a jacht helyes központosítására. A legtöbb jachton a gurulási hajlam fokozódik, ha a hátsó vitorlákat felújítják, és az első vitorlák meglazulnak. Ha az első vitorlákat felújítják és a hátsó vitorlák megsérülnek, a hajó elsüllyed. A nagyvitorla „hasának” növekedésével, valamint a rosszul elhelyezett vitorlákkal a jachtot nagyobb mértékben hajtják.

Rizs. 100. A sarok hatása a jacht szélbe hozására

Nehéz elképzelni, hogy a vitorlás hajók hogyan tudnak „szemben menni a széllel” – vagy ahogy a tengerészek mondják, „közeli vontatással”. Igaz, egy tengerész azt fogja mondani, hogy nem vitorlázhatsz közvetlenül a széllel szemben, de csak hegyesszögben mozoghatsz a szél irányával szemben. De ez a szög kicsi - körülbelül negyed derékszög -, és talán ugyanolyan érthetetlennek tűnik: közvetlenül a széllel szemben kell-e vitorlázni, vagy 22°-os szögben.

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

A szél mindig merőlegesen nyomja a vitorlát a síkjára.

Mivel a szél egyenletesen nyomja a vitorla teljes felületét, ezért a szélnyomást a vitorla közepére kifejtett R erővel helyettesítjük. Bontsuk ezt az erőt két részre: erő K, merőleges a vitorlára, és a rajta ható P erő (lásd a fenti ábrát, jobbra). Az utolsó erő sehol sem löki a vitorlát, hiszen a szél súrlódása a vásznon elenyésző. Erő marad K, amely a vitorlát merőlegesen tolja magára.

Ennek ismeretében könnyen megérthetjük, hogyan tud egy vitorlás a szél felé hegyesszögben vitorlázni. Hagyja a sort QC a hajó gerincvonalát ábrázolja.

Hogyan tudsz széllel szemben vitorlázni?

A szél hegyesszögben fúj ehhez a vonalhoz a nyíllal jelzett irányba. Vonal AB vitorlát ábrázol; úgy van elhelyezve, hogy síkja felezi a gerinc iránya és a szél iránya közötti szöget. Kövesse az erők eloszlását az ábrán. A szél erejét képviseljük a vitorlán K, amiről tudjuk, hogy merőlegesnek kell lennie a vitorlára. Bontsuk ezt az erőt két részre: erő R, merőleges a gerincre, és az erő S, előre irányítva, a hajó gerincvonala mentén. Mivel a hajó mozgása az irányba R találkozik erős vízállósággal (a vitorlás hajók gerince nagyon mélyre van készítve), akkor az erő R szinte teljesen egyensúlyban van a vízállósággal. Csak az erő marad S, amely, mint láthatja, előre van irányítva, és ezért ferdén mozgatja a hajót, mintha a szél felé haladná. [Bizonyítható, hogy az erő S akkor kapja a legnagyobb értéket, ha a vitorla síkja felezi a gerinc és a szélirány közötti szöget.]. Ezt a mozgást általában cikkcakkokban hajtják végre, amint az az alábbi ábrán látható. A tengerészek nyelvén a hajó ilyen mozgását a szó szoros értelmében „tacking”-nek nevezik.

Folytatjuk a „Két percben elmagyarázom” című interaktív népszerű tudományos blog által készített kiadványsorozatot. A blog egyszerű és összetett dolgokról beszél, amelyek mindennap körülvesznek minket, és nem vetnek fel kérdéseket, amíg nem gondolunk rájuk. Például ott megtudhatja, hogy az űrhajók hogyan nem tévesztenek és nem ütköznek az ISS-nek dokkoláskor.

1. Szigorúan széllel szemben vitorlázni lehetetlen. Ha azonban a szél elölről fúj, de kissé ferdén, akkor a jacht megmozdulhat. Ilyenkor azt mondják, hogy a hajó éles pályán halad.

2. A vitorla tolóerejét két tényező generálja. Először is, a szél egyszerűen nyomja a vitorlákat. Másodszor, a legtöbb modern jachtra felszerelt ferde vitorlák, amikor a levegő áramlik körülöttük, repülőgépszárnyként működnek, és „emelőerőt” hoznak létre, csak nem felfelé, hanem előre irányulnak. Az aerodinamika miatt a vitorla domború oldalán gyorsabban mozog a levegő, mint a homorú oldalán, és a vitorla külső oldalán kisebb a nyomás, mint a belsejében.

4. Éles pályákon nagy a sodródási erő, de ellensúlyozza a hajótest, a gerinc és a kormány formája: a jacht a vízállóság miatt nem tud oldalra menni. De kis vonóerővel is szívesen csúszik előre.

5. Szigorúan a széllel szembeni vitorlázáshoz a jacht ragad: először az egyik vagy a másik oldalával fordul a szél felé, szakaszosan halad előre - tack. Milyen hosszúak legyenek a tackok és milyen szögben legyenek a széllel szemben – fontos kérdések a kapitány taktikájánál.

6. A szélhez képest egy hajónak öt főétele van. I. Péternek köszönhetően a holland tengerészeti terminológia gyökeret vert Oroszországban.

7. Leventik- a szél közvetlenül a hajó orrában fúj. Ezen a pályán nem lehet vitorlázni, de a szél felé fordulás a jacht megállítására szolgál.

8. Zárt szél- ugyanaz a heveny lefolyás. Ha közeli vontatással mész, a szél az arcodba fúj, ezért úgy tűnik, hogy a jacht nagyon nagy sebességet fejleszt. Valójában ez az érzés megtévesztő.

9. Gulfwind- a szél a mozgás irányára merőlegesen fúj.

10. Backstay- a szél felől és oldalról fúj. Ez a leggyorsabb tanfolyam. A hátrafelé vitorlázó gyors versenyhajók a vitorla emelő erejének köszönhetően a szél sebességét meghaladó sebességre is képesek felgyorsulni.

11. Fordewind– ugyanaz a hátszél a tat felől fúj. A várakozásokkal ellentétben nem ez a leggyorsabb pálya: itt nincs kihasználva a vitorla emelőereje, és az elméleti sebességhatár sem haladja meg a szél sebességét. Egy tapasztalt kapitány megjósolni tudja a láthatatlan légáramlatokat, éppúgy, mint a repülőgép pilóta a felfelé és lefelé irányuló légáramlatokat.

A diagram interaktív változatát a „Két perc múlva elmagyarázom” blogon tekintheti meg.

Hasznos lehet elolvasni: