Hogyan tudnak a vitorlás hajók széllel szemben mozogni. Vitorlás leckék: Miért vitorlázhat egy jacht széllel szemben? Valódi és látszólagos szelek a vitorlázásban

Nehéz elképzelni, hogy a vitorlás hajók hogyan tudnak „szemben menni a széllel” – vagy ahogy a tengerészek mondják, „közeli vontatással”. Igaz, a tengerész azt fogja mondani, hogy nem vitorlázhatsz közvetlenül a széllel szemben, de csak a szél irányához képest hegyesszögben mozoghatsz 3. De ez a szög kicsi - körülbelül negyed derékszög -, és talán ugyanolyan érthetetlennek tűnik: közvetlenül a széllel szemben kell-e vitorlázni, vagy 22°-os szögben.

3 (Lehetőség van csak szélenergia felhasználására és szigorúan széllel szembeni mozgásra, ha a vitorlát szélmotorra cseréljük szélmalom, amely a hajó propellerét fogja forgatni. Még P. L. Kapitsától is van egy jól ismert probléma egy ilyen első pillantásra szokatlan hajóval kapcsolatban (lásd még a magazint: Boats and Yachts, 1981, 1. szám, 25. o.).)

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. Hagyja, hogy a szél az ábrán látható nyilak által jelzett irányba fújjon. 17, sor AB vitorlát ábrázol.

Mivel a szél egyenletesen nyomja a vitorla teljes felületét, ezért a szélnyomás erejét erővel helyettesítjük R, a vitorla közepére alkalmazva. Bontsuk ezt az erőt két részre: erő K, merőleges a vitorlára, és az erő R mentén előre irányítva. Erő R a vitorla nem tolódik sehova, hiszen a szél súrlódása a vásznon elhanyagolható. Erő marad K, amely a vitorlát merőlegesen tolja magára.

Ennek ismeretében könnyen megérthetjük, hogyan tud egy vitorlás a szél felé hegyesszögben vitorlázni. Legyen a KK vonal (18. ábra) a hajó gerincvonala. A szél ehhez a vonalhoz hegyesszögben fúj a nyilak által jelzett irányba. Az AB vonal vitorlát ábrázol; úgy van elhelyezve, hogy síkja felezi a gerinc iránya és a szél iránya közötti szöget. Nyom a 18. ábrán. az erők felbomlásához. A vitorlára nehezedő szélnyomást Q erővel ábrázoljuk, amelynek – tudjuk – merőlegesnek kell lennie a vitorlára. Osszuk ezt az erőt két részre: a gerincre merőleges B erőre és a hajó gerincvonala mentén előre irányuló S erőre. Mivel a hajó B irányú mozgása erős vízellenállásba ütközik (behúzás vitorlás hajók nagyon mélyvé válik), akkor a B erőt szinte teljesen kiegyenlíti a víz ellenállása. Csak egy S erő marad, amely, amint látja, előre irányul, és ezért szögben mozgatja a hajót, mintha a szél felé *. Általában ezt a mozgást cikkcakkos formában hajtják végre, ahogy a 19. ábra mutatja. A tengerészek nyelvén a hajó ilyen mozgását a 4-es szó teljes értelmében „tacking”-nek nevezik.

* (Bizonyítható, hogy az S erő akkor a legnagyobb, ha a vitorla síkja felezi a gerinc és a szél iránya közötti szöget.)

4 (A vitorlázásban számos olyan kérdés merül fel, amelyek fizikusi szempontból is érdekesek. Erről a sportról és a vitorlázás néhány technikai problémájáról többet megtudhat például a következő könyvekből: Glovatsky V. Lenyűgöző világ vitorlák: Esszék a vitorlázás történetéről - M.: Haladás, 1979; Proctor Ya Sailing. Szél, hullámok és áramlatok - L.: Gidrometeoizdat, 1981.)

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 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 vektorok összeadásának szabálya szerint megkülönböztethető a sodródási erő (piros nyíl) és a vonóerő (zöld nyíl).


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. A kapitány taktika fontos kérdése, hogy milyen hosszúak legyenek a tackok és milyen szögben haladjanak a széllel.


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. Így nem lehet vitorlázni, de a szél felé fordulva szokták megállítani a jachtot.


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 emelőereje miatt a szél sebességét meghaladó sebességre is felgyorsulhatnak.


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.

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 elhanyagolható. 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.

Azt hiszem, sokan megragadnánk a lehetőséget, hogy valamilyen víz alatti járművön belemerüljünk a tenger mélységébe, de a legtöbben mégis tengeri utazás egy vitorláson. Amikor még nem jártak repülők vagy vonatok, csak vitorlások voltak. Nélkülük a világ nem az volt, ami volt.

Az egyenes vitorlájú vitorlások az európaiakat vitték Amerikába. Stabil fedélzetükön és tágas raktereiken emberek és kellékek voltak az Újvilág felépítéséhez. De ezeknek az ősi hajóknak is megvoltak a korlátai. Lassan és majdnem egy irányba mentek a széllel. Sok minden változott azóta. Ma teljesen más elveket alkalmaznak a szél és a hullámok erejének szabályozására. Tehát ha modern autóval akarsz lovagolni, meg kell tanulnod néhány fizikát.

Modern vitorlázás ez nem csak a széllel mozog, hanem valami, ami a vitorlára hat, és szárnyként repül. És ezt a láthatatlan „valamit” emelésnek nevezik, amit a tudósok oldalirányú erőnek neveznek.

Egy figyelmes szemlélő nem tudta nem észrevenni, hogy bármerre fúj a szél, a vitorlás mindig ott mozog, amerre a kapitány akarja – még akkor is, ha a szél fúj. Mi a titka a makacsság és az engedelmesség ilyen csodálatos kombinációjának?

Sokan észre sem veszik, hogy a vitorla szárny, a szárny és a vitorla működési elve pedig ugyanaz. Csak a szárny emelése esetén alapul repülőgép, a szembeszél segítségével felfelé tolja a gépet, majd a függőlegesen elhelyezett vitorla előre irányítja a vitorlást. Ahhoz, hogy ezt tudományos szempontból megmagyarázzuk, vissza kell térni az alapokhoz – a vitorla működéséhez.

Nézze meg a szimulált folyamatot, amely megmutatja, hogyan hat a levegő a vitorla síkjára. Itt látható, hogy a levegő áramlik a modell alatt, amelyeknek nagyobb a kanyarodása, hajlítsa meg, hogy megkerülje. Ebben az esetben az áramlást kissé fel kell gyorsítani. Ennek eredményeként alacsony nyomású terület jelenik meg - ez emelést generál. Az alsó oldalon lévő alacsony nyomás lehúzza a vitorlát.

Más szóval, egy nagy nyomású terület megpróbál egy alacsony nyomású terület felé mozogni, nyomást gyakorolva a vitorlára. Nyomáskülönbség keletkezik, ami emelést generál. A vitorla alakjából adódóan a szélsebesség a belső szél felőli oldalon kisebb, mint a hátszélben. Kívül vákuum képződik. A levegő szó szerint beszívódik a vitorlába, ami előretolja a vitorlás jachtot.

Valójában ez az elv nagyon egyszerűen megérthető, csak nézzünk meg minden vitorlást. A trükk itt az, hogy a vitorla, függetlenül attól, hogy milyen helyzetben van, szélenergiát ad át a hajónak, és még ha vizuálisan úgy tűnik is, hogy a vitorla le kell lassítania a jachtot, az erőkifejtés középpontja közelebb van a hajó orrához. vitorlás, és a szél ereje biztosítja az előre mozgást.

De ez egy elmélet, de a gyakorlatban minden egy kicsit más. Valójában egy vitorlás jacht nem tud széllel szemben vitorlázni - bizonyos szögben mozog vele szemben, az úgynevezett tackok.

Egy vitorlás az erőviszonyok miatt mozog. A vitorlák szárnyként viselkednek. Az általuk termelt emelés nagy része oldalra irányul, csak kis mértékben előre. Ennek a csodálatos jelenségnek a titka azonban az úgynevezett „láthatatlan” vitorla, amely a jacht alja alatt található. Ez egy gerinc, vagy tengeri nyelven: centerboard. A középső tábla emelése szintén emelést produkál, ami szintén főként oldalra irányul. A gerinc ellenáll a dőlésnek és a vitorlára ható ellentétes erőnek.

Az emelőerő mellett gurulás is előfordul - ez a jelenség az előrehaladásra káros és a hajó legénysége számára veszélyes. De ezért létezik a legénység a jachton, hogy élő ellensúlyként szolgáljon a fizika kérlelhetetlen törvényeivel szemben.

Egy modern vitorlásban a gerinc és a vitorla együtt mozgatja a vitorlást. De amint azt minden kezdő tengerész megerősíti, a gyakorlatban minden sokkal bonyolultabb, mint elméletben. Egy tapasztalt vitorlázó tudja, hogy a vitorla hajlításának legkisebb változása lehetővé teszi a nagyobb emelés elérését és az irány szabályozását. A vitorla hajlításának megváltoztatásával egy képzett matróz szabályozza az emelést előidéző ​​terület méretét és elhelyezkedését. Mély előrehajlítással alkothat nagy terület nyomást, de ha a kanyar túl nagy, vagy a levegőmolekulák elülső éle túl meredek, a körülöttük lévő áramlás már nem követi a kanyart. Más szóval, ha az objektum éles sarkokkal rendelkezik, az áramlás részecskéi nem tudnak fordulni - a mozgás lendülete túl erős, ezt a jelenséget „elkülönült áramlásnak” nevezik. Ennek a hatásnak az eredménye, hogy a vitorla „söpör”, elveszti a szelet.

És itt van még néhány gyakorlati tanácsokat szélenergia felhasználása. Optimális irány a szélbe (versenyző közeli szél). A tengerészek ezt „szél ellen vitorlázásnak” hívják. A látszólagos szél, amelynek sebessége 17 csomó, észrevehetően gyorsabb, mint a valódi szél, amely létrehozza a hullámrendszert. Az iránykülönbség 12°. A látszólagos szél iránya - 33°, a valódi szél iránya - 45°.

"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 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.

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

 

Hasznos lehet elolvasni: