Cum se pot mișca navele cu pânze împotriva vântului. Lecții de yachting: De ce poate un iaht să navigheze împotriva vântului? Vânturi adevărate și aparente în yachting

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” - sau, după cum spun marinarii, merg „de aproape”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct împotriva vântului, dar vă puteți deplasa doar într-un unghi ascuțit față de direcția vântului 3. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi față de acesta de 22°.

3 (Este posibil să folosiți doar energia eoliană și să vă deplasați strict împotriva vântului dacă vela este înlocuită cu un motor eolian asemănător moară de vânt, care va roti elicea navei. Există chiar și o problemă binecunoscută a lui P. L. Kapitsa despre o astfel de navă neobișnuită la prima vedere (vezi și revista: Barci și iahturi, 1981, nr. 1, p. 25).)

În realitate, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. Mai întâi, să ne uităm la modul în care vântul acționează în general asupra pânzei, adică unde împinge pânza atunci când suflă pe ea. Probabil crezi că vântul împinge întotdeauna vela în direcția în care bate. Dar nu este așa: oriunde bate vântul, împinge vela perpendicular pe planul velei.

Într-adevăr. Lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din Fig. 17, linia ABînfățișează o velă.

Deoarece vântul apasă uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim forța presiunii vântului cu forță R, aplicat la mijlocul pânzei. Să împărțim această forță în două: forța Q, perpendicular pe vela, și forța Rîndreptat înainte de-a lungul ei. Rezistenţă R vela nu împinge nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este neglijabilă. Puterea rămâne Q, care împinge vela în unghi drept față de ea.

Știind acest lucru, putem înțelege cu ușurință cum o navă cu pânze poate naviga într-un unghi ascuțit față de vânt. Fie linia KK (Fig. 18) să reprezinte linia chilei navei. Vântul bate într-un unghi ascuțit față de această linie în direcția indicată de săgeți. Linia AB reprezintă o pânză; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmă în Fig. 18. pentru dezintegrarea forţelor. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forța Q, care, știm, trebuie să fie perpendiculară pe vela. Să împărțim această forță în două: forța B, perpendiculară pe chilă și forța S, îndreptată înainte de-a lungul liniei chilei navei. Deoarece mișcarea navei în direcția B întâmpină o rezistență puternică din partea apei (chila în interior nave cu vele devine foarte adânc), atunci forța B este aproape complet echilibrată de rezistența apei. Rămâne o singură forță S, care, după cum vedeți, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt *. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în Fig. 19. În limbajul marinarilor, o astfel de mișcare a navei se numește „viraj” în sensul deplin al cuvântului 4.

* (Se poate dovedi că forța S este cea mai mare atunci când planul pânzei traversează unghiul dintre direcția chilei și a vântului.)

4 (Există o serie de probleme în navigație care sunt interesante din punctul de vedere al unui fizician. Puteți afla mai multe despre acest sport și unele dintre problemele tehnice ale navigației, de exemplu, din cărțile: Glovatsky V. Lume fascinantă vele: Eseuri despre istoria navigației - M.: Progres, 1979; Proctor Ya. Vânt, valuri și curenți - L.: Gidrometeoizdat, 1981.)

Continuăm seria de publicații pregătite de blogul interactiv de popularizare „Voi explica în două minute”. Blogul vorbește despre lucruri simple și complexe care ne înconjoară în fiecare zi și nu ridică nicio întrebare până nu ne gândim la ele. De exemplu, acolo poți afla cum navele spațiale nu ratează și nu se ciocnesc de ISS atunci când se acoperează.

1. Este imposibil să navighezi strict împotriva vântului. Cu toate acestea, dacă vântul bate din față, dar ușor înclinat, iahtul se poate mișca. În astfel de cazuri, se spune că nava navighează pe un curs ascuțit.

2. Împingerea unei pânze este generată de doi factori. În primul rând, vântul apasă pur și simplu pe pânze. În al doilea rând, pânzele oblice instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când aerul curge în jurul lor, funcționează ca o aripă de avion și creează o „forță de ridicare”, doar că este îndreptată nu în sus, ci înainte. Datorită particularităților aerodinamicii, aerul din partea convexă a pânzei se mișcă mai repede decât din partea concavă, iar presiunea de la exterior Sunt mai puține pânze decât cu cea interioară.

3. Forța totală creată de pânză este direcționată perpendicular pe pânză. Conform regulii adunării vectoriale, este posibil să se distingă forța de deriva (săgeata roșie) și forța de tracțiune (săgeata verde).

4. Pe curse ascuțite, forța de deriva este mare, dar este contracarată de forma carenei, a chilei și a cârmei: iahtul nu poate merge lateral din cauza rezistenței la apă. Dar alunecă de bunăvoie înainte chiar și cu o forță mică de tracțiune.

5. Pentru a naviga strict împotriva vântului, iahtul virează: se întoarce spre vânt mai întâi pe o parte sau pe cealaltă, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungi ar trebui să fie virajele și în ce unghi ar trebui să fie față de vânt - aspecte importante ale tacticii căpitanului.

6. Există cinci cursuri principale ale unei nave în raport cu vânt. Datorită lui Petru I, terminologia maritimă olandeză a prins rădăcini în Rusia.

7. Leventik－ vântul bate direct la prova navei. Este imposibil să navighezi în acest fel, dar întoarcerea spre vânt este folosită pentru a opri iahtul.

8. Vânt închis- același curs acut. Când mergi aproape, vântul îți bate în față, așa că se pare că iahtul dezvoltă o viteză foarte mare. De fapt, acest sentiment este înșelător.

9. Gulfwind－ vântul bate perpendicular pe direcția de mișcare.

10. Spate de spate－ vântul bate din pupa și din lateral. Acesta este cel mai rapid curs. Bărcile de curse rapide care navighează pe spate pot accelera la viteze care depășesc viteza vântului datorită forței de ridicare a pânzei.

11. Vânt înainte－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește puterea de ridicare a pânzei, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un comandant experimentat poate prezice curenții de aer invizibili, așa cum un pilot de avion poate prezice curenți ascendenți și descendenți.

Puteți vizualiza o versiune interactivă a diagramei pe blogul „Voi explica în două minute”.

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” - sau, după cum spun marinarii, merg „de aproape”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct împotriva vântului, dar vă puteți deplasa doar într-un unghi ascuțit față de direcția vântului. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi față de acesta de 22°.

În realitate, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. În primul rând, să ne uităm la modul în care vântul acționează în general asupra velei, adică unde împinge vela atunci când suflă pe ea. Probabil crezi că vântul împinge întotdeauna vela în direcția în care bate. Dar nu este așa: oriunde bate vântul, împinge vela perpendicular pe planul velei. Într-adevăr: lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din figura de mai jos; linia AB denotă o velă.

Vântul împinge întotdeauna vela în unghi drept față de planul său.

Deoarece vântul apasă uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim presiunea vântului cu o forță R aplicată la mijlocul velei. Să împărțim această forță în două: forța Q, perpendicular pe pânză și forța P direcționată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este nesemnificativă. Puterea rămâne Q, care împinge vela în unghi drept față de ea.

Știind acest lucru, putem înțelege cu ușurință cum o navă cu pânze poate naviga într-un unghi ascuțit față de vânt. Lasă linia QCînfățișează linia chilei navei.

Cum poți naviga împotriva vântului?

Vântul bate într-un unghi ascuțit față de această linie în direcția indicată de o serie de săgeți. Linia ABînfățișează o velă; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmăriți distribuția forțelor din figură. Reprezentăm forța vântului pe pânză Q, despre care știm că ar trebui să fie perpendicular pe vela. Să împărțim această forță în două: forța R, perpendicular pe chila și forța S, îndreptat înainte, de-a lungul liniei de chilă a navei. Întrucât mișcarea navei este în direcție Rîntâlnește o rezistență puternică la apă (chila la navele cu pânze este făcută foarte adâncă), apoi forța R aproape complet echilibrat de rezistența la apă. Rămâne doar puterea S, care, după cum puteți vedea, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Se poate dovedi că forța S primeşte cea mai mare valoare atunci când planul pânzei traversează unghiul dintre direcţiile chilei şi vântului.]. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în figura de mai jos. În limbajul marinarilor, o astfel de mișcare a navei se numește „viraj” în sensul strict al cuvântului.

Cred că mulți dintre noi ar profita de șansa de a se scufunda în abisul mării cu un fel de vehicul subacvatic, dar totuși, cei mai mulți ar prefera călătorie pe mare pe o barca cu pânze. Când nu erau avioane sau trenuri, erau doar bărci cu pânze. Fără ei lumea nu era ceea ce era.

Bărcile cu pânze drepte au adus europeni în America. Punțile lor stabile și calele încăpătoare transportau oameni și provizii pentru a construi Lumea Nouă. Dar aceste corăbii antice aveau și ele limitările lor. Mergeau încet și aproape în aceeași direcție cu vântul. S-au schimbat multe de atunci. Astăzi folosesc principii complet diferite pentru a controla puterea vântului și a valurilor. Deci, dacă doriți să călăreți unul modern, va trebui să învățați ceva fizică.

Modern navigare nu se mișcă doar odată cu vântul, este ceva care acționează asupra pânzei și o face să zboare ca o aripă. Și acest „ceva” invizibil se numește ridicare, pe care oamenii de știință o numesc forță laterală.

Un observator atent nu s-a putut abține să nu observe că indiferent de direcția în care bate vântul, iahtul cu vele se mișcă întotdeauna acolo unde dorește căpitanul - chiar și atunci când vântul bate în față. Care este secretul unei astfel de combinații uimitoare de încăpățânare și supunere.

Mulți oameni nici măcar nu realizează că o pânză este o aripă, iar principiul de funcționare al unei aripi și al unei pânze este același. Se bazează pe portanță numai dacă portanța aripii aeronave, folosind vântul din față, împinge avionul în sus, apoi vela poziționată vertical direcționează barca cu pânze înainte. Pentru a explica acest lucru din punct de vedere științific, este necesar să ne întoarcem la elementele de bază - cum funcționează o velă.

Uitați-vă la procesul simulat care arată cum acționează aerul în planul velei. Aici puteți vedea că aerul curge pe sub model, care au o îndoire mai mare, se îndoaie pentru a o ocoli. În acest caz, fluxul trebuie să accelereze puțin. Ca rezultat, apare o zonă de presiune scăzută - aceasta generează lifting. Presiunea scăzută de pe partea inferioară trage vela în jos.

Cu alte cuvinte, o zonă de presiune ridicată încearcă să se deplaseze către o zonă de presiune scăzută, punând presiune pe vela. Apare o diferență de presiune, care generează portanță. Datorită formei pânzei, viteza vântului pe partea interioară a vântului este mai mică decât pe partea sub vânt. La exterior se formează un vid. Aerul este literalmente aspirat în pânză, ceea ce împinge iahtul cu vele înainte.

De fapt, acest principiu este destul de simplu de înțeles, doar aruncați o privire mai atentă la orice navă cu pânze. Trucul aici este că vela, indiferent de modul în care este poziționată, transferă energia vântului către navă și, chiar dacă vizual pare că vela ar trebui să încetinească iahtul, centrul de aplicare a forțelor este mai aproape de prova barca cu pânze, iar forța vântului asigură mișcarea înainte.

Dar aceasta este o teorie, dar în practică totul este puțin diferit. De fapt, un iaht cu vele nu poate naviga împotriva vântului - se mișcă într-un anumit unghi față de el, așa-numitele viraje.

O barcă cu pânze se mișcă datorită echilibrului de forțe. Pânzele acționează ca niște aripi. Majoritatea ridicării pe care o produc este îndreptată lateral, cu doar o mică cantitate înainte. Cu toate acestea, secretul acestui fenomen minunat este așa-numita vela „invizibilă”, care se află sub fundul iahtului. Aceasta este o chilă sau, în limbajul nautic, un centru de bord. Ridicarea plăcii centrale produce, de asemenea, lifting, care este, de asemenea, direcționat în principal în lateral. Chila rezistă călcâiului și forței opuse care acționează asupra pânzei.

Pe lângă forța de ridicare, apare și o rostogolire - un fenomen dăunător mișcării înainte și periculos pentru echipajul navei. Dar de aceea există un echipaj pe iaht, care să servească drept o contrapondere vie la legile inexorabile ale fizicii.

Într-o barcă cu pânze modernă, atât chila, cât și vela lucrează împreună pentru a propulsa barca cu pânze înainte. Dar, după cum va confirma orice marinar novice, în practică totul este mult mai complicat decât în teorie. Un marinar cu experiență știe că cea mai mică modificare a îndoirii pânzei face posibilă obținerea mai multă portanță și controlul direcției acesteia. Schimbând îndoirea velei, un marinar priceput controlează dimensiunea și locația zonei care produce portanță. Cu o îndoire adâncă înainte puteți crea suprafata mare presiune, dar dacă îndoirea este prea mare sau marginea anterioară a moleculelor de aer este prea abruptă, fluxul din jurul lor nu va mai urma îndoirea. Cu alte cuvinte, dacă obiectul are colțuri ascuțite, particulele fluxului nu pot face o întoarcere - impulsul mișcării este prea puternic, acest fenomen se numește „curgere separată”. Rezultatul acestui efect este că vela va „mătura”, pierzând vântul.

Și iată încă câteva sfaturi practice utilizarea energiei eoliene. Îndreptare optimă în vânt (curgere cu vânt apropiat). Marinarii o numesc „navigarea împotriva vântului”. Vântul aparent, care are o viteză de 17 noduri, este vizibil mai rapid decât vântul adevărat care creează sistemul de valuri. Diferența dintre direcțiile lor este de 12°. Curs către vânt aparent - 33°, spre vânt adevărat - 45°.

„Vânt în coadă!” - le doresc tuturor marinarilor, și este complet în zadar: când vântul bate din pupa, iahtul nu este capabil să atingă viteza maximă. M-a ajutat să fac această diagramă Vadim Zhdan, skipper profesionist, concurent, organizator și prezentator regate de iahturi.Citiți sfaturile de instrucțiuni din diagramă pentru a vă da seama.

2. Impingerea unei pânze este generată din cauza a doi factori. În primul rând, vântul apasă pur și simplu pe pânze. În al doilea rând, pânzele oblice instalate pe majoritatea iahturilor moderne, atunci când aerul curge în jurul lor, acționează ca o aripă de avion, doar că este îndreptată nu în sus, ci înainte. Datorită aerodinamicii, aerul de pe partea convexă a velei se mișcă mai repede decât pe partea concavă, iar presiunea pe exteriorul velei este mai mică decât pe interior.

5. Pentru a naviga strict împotriva vântului, iahtul virează: se întoarce în vânt cu o parte sau cealaltă, înaintând în segmente - viraje. Cât de lungi ar trebui să fie virajele și în ce unghi ar trebui să fie față de vânt - aspecte importante ale tacticii căpitanului.

9. Gulfwind－ vântul bate perpendicular pe direcția de mișcare.

11. Fordewind－ același vânt din coadă suflă de la pupa. Contrar așteptărilor, nu este cel mai rapid curs: aici nu se folosește puterea de ridicare a pânzei, iar limita teoretică de viteză nu depășește viteza vântului. Un skipper experimentat poate prezice curenții de aer invizibili în același mod

Ar putea fi util să citiți: