De ce iahtul navighează împotriva vântului? De ce poate naviga o barcă cu pânze împotriva vântului? Direcții în raport cu vântul

Până acum, am luat în considerare efectul a doar două forțe asupra iahtului - forța de flotabilitate și forța de greutate, presupunând că acesta este în echilibru în repaus vasul. Este prezentat schematic în Fig. 4, unde este luat în considerare cazul cel mai tipic al unui iaht care se deplasează aproape.

Când un flux de aer - vântul - curge în jurul pânzelor, se creează un efect rezultat asupra acestora. forta aerodinamica A (vezi capitolul 2), îndreptat aproximativ perpendicular pe suprafața velei și aplicat la centrul velei (CS) deasupra suprafeței apei. Conform celei de-a treia legi a mecanicii, în timpul mișcării constante a unui corp în linie dreaptă, fiecare forță aplicată corpului, în acest caz velelor conectate la carena iahtului prin catarg, tachelaj în picioare și foi, trebuie să fie contracarată de o forță egală ca mărime și direcționată opus. Pe un iaht, aceasta este forța hidrodinamică H rezultată aplicată părții subacvatice a carenei. Astfel, între aceste forțe există un braț de distanță cunoscut, în urma căruia se formează un moment al unei perechi de forțe.

Atât forțele aerodinamice, cât și cele hidrodinamice se dovedesc a fi orientate nu într-un plan, ci în spațiu, prin urmare, atunci când se studiază mecanica mișcării unui iaht, se iau în considerare proiecțiile acestor forțe pe planurile coordonate principale. Ținând cont de a treia lege a lui Newton menționată mai sus, scriem în perechi toate componentele forței aerodinamice și reacțiile hidrodinamice corespunzătoare:

Pentru ca iahtul să mențină un curs stabil, fiecare pereche de forțe și fiecare pereche de momente de forțe trebuie să fie egale între ele. De exemplu, forța de deriva Fd și forța de rezistență la deriva Rd creează un moment de înclinare Mkr, care trebuie echilibrat de momentul de redresare Mv sau momentul de stabilitate laterală. MV se formează datorită acțiunii forțelor greutății D și a flotabilității iahtului gV care acționează asupra umărului l. Aceleași forțe de greutate și de flotabilitate formează momentul de rezistență la tăiere sau momentul stabilității longitudinale M l, egală ca mărime și contracarând momentul de tăiere Md. Termenii celor din urmă sunt momentele perechilor forțe T-Rși Fv-Nv.

Se fac modificări semnificative diagramei date a acțiunii forțelor, în special pe iahturile ușoare, de către echipaj. Deplasându-se în partea de vânt sau de-a lungul lungimii iahtului, echipajul, cu greutatea lor, înclină efectiv nava sau îi contracarează bordul spre prova. În crearea momentului de blocare Md, rolul decisiv îl joacă deviația corespunzătoare a direcției.

Forța laterală aerodinamică Fd, pe lângă rostogolire, provoacă derapaj-deriva lateral, astfel încât iahtul nu se deplasează strict de-a lungul DP, ci cu un unghi mic de deriva l. Această împrejurare este cea care determină formarea unei forțe de rezistență la deriva Rd pe chila iahtului, care este similară ca natură cu forța de sustentație care ia naștere pe aripa unui avion situat la un unghi de atac față de fluxul care se apropie. Similar unei aripi, o pânză apropiată funcționează pe un curs, pentru care unghiul de atac este unghiul dintre coarda velei și direcția vânt aparent. Astfel, în teoria modernă a navelor iaht cu vele este considerată ca o simbioză a două aripi: o carenă care se mișcă în apă și o pânză, care este afectată de vântul aparent.

Stabilitate

După cum am spus deja, iahtul este supus unor forțe și momente de forță care tind să-l încline în direcțiile transversale și longitudinale. Capacitatea unei nave de a rezista acestor forțe și de a reveni la o poziție verticală după ce acțiunea lor încetează se numește stabilitate. Cel mai important lucru pentru un iaht este stabilitate laterală.

Când iahtul plutește fără călcarea, forțele de gravitație și de flotabilitate, aplicate în CG și, respectiv, CV, acționează de-a lungul aceleiași verticale. Dacă în timpul unei rulări echipajul sau alte componente ale încărcăturii nu se mișcă, atunci pentru orice abatere CG își păstrează poziția inițială în DP (punctul Gîn fig. 5), rotindu-se cu nava. În același timp, din cauza formei modificate a părții subacvatice a carenei, CV-ul se deplasează din punctul C o spre partea cu călcâi în poziția C 1. Datorită acestui fapt, apare un moment de câteva forțe Dși g V s umărul l, egal cu distanța orizontală dintre CG și noul CG al iahtului. Acest moment tinde să readucă iahtul în poziție verticală și, prin urmare, se numește restaurare.

La rulare, CV-ul se deplasează pe o traiectorie curbă C 0 C 1, rază de curbură G care se numeste metacentric transversal rază, r centru de curbură corespunzător M -metacentrul transversal. Valoarea razei r și, în consecință, forma curbei C 0 C 1 depind de contururile corpului. În general, pe măsură ce călcâiul crește, raza metacentrică scade, deoarece valoarea sa este proporțională cu puterea a patra a lățimii liniei de plutire.

Evident, brațul de restabilire a momentului depinde de distanță GM- ridicarea metacentrului deasupra centrului de greutate: cu cât este mai mic, cu atât umărul l este mai mic în timpul rostogolirei. În stadiul inițial al pantei mărimii GM sau h este considerată de constructori de nave ca măsură a stabilității navei și se numește inaltimea metacentrica transversala initiala. Cu atât mai mult h, cu cât este mai mare forța de înclinare necesară pentru a înclina iahtul la orice unghi specific de rulare, cu atât vasul este mai stabil. Pe iahturile de croazieră și curse, înălțimea metacentrică este de obicei de 0,75-1,2 m; pe nave de croazieră - 0,6-0,8 m.

Folosind triunghiul GMN, este ușor să determinați că umărul de restaurare este . Momentul de restabilire, ținând cont de egalitatea gV și D, este egal cu:

Astfel, în ciuda faptului că înălțimea metacentrică variază în limite destul de înguste pentru iahturile de diferite dimensiuni, mărimea momentului de redresare este direct proporțională cu deplasarea iahtului, prin urmare, o navă mai grea este capabilă să reziste la un moment de înclinare mai mare.

Umărul de redresare poate fi reprezentat ca diferența dintre două distanțe (vezi Fig. 5): l f - umăr de stabilitate a formei și l b - umăr de stabilitate a greutății. Nu este dificil de stabilit semnificația fizică a acestor cantități, deoarece l in este determinată de abaterea în timpul rulării liniei de acțiune a forței greutății de la poziția inițială exact deasupra C 0, iar l in este deplasarea către subvin. latura centrului valorii volumului scufundat al carenei. Având în vedere acțiunea forțelor D și gV în raport cu Co, se poate observa că forța de greutate D tinde să încline și mai mult iahtul, iar forța gV, dimpotrivă, tinde să îndrepte vasul.

Prin triunghi CoGK se poate găsi că , unde CoC este cota CG deasupra CB în poziția verticală a iahtului. Astfel, pentru a reduce efectul negativ al forțelor de greutate, este necesar să coborâți CG-ul iahtului dacă este posibil. Într-un caz ideal, CG-ul ar trebui să fie situat sub CV, atunci brațul de stabilitate a greutății devine pozitiv și masa iahtului îl ajută să reziste la acțiunea momentului de înclinare. Cu toate acestea, doar câteva iahturi au această caracteristică: adâncirea CG sub CV este asociată cu utilizarea balastului foarte greu, care depășește 60% din deplasarea iahtului și ușurarea excesivă a carenei, stanților și tachelajului. Un efect similar cu o scădere a CG este obținut prin deplasarea echipajului pe partea de vânt. Dacă vorbim despre o barca ușoară, atunci echipajul reușește să schimbe atât de mult CG general încât linia de acțiune a forței D se intersectează cu DP semnificativ sub CV și brațul de stabilitate a greutății se dovedește a fi pozitiv.

Într-o barcă cu chilă, datorită chilei grele de balast, centrul de greutate este destul de jos (cel mai adesea sub linia de plutire sau ușor deasupra acesteia). Stabilitatea iahtului este întotdeauna pozitivă și atinge maximul la un călcâi de aproximativ 90°, când iahtul stă cu pânzele pe apă. Desigur, o astfel de listă poate fi realizată numai pe un iaht cu deschideri închise în siguranță în punte și un cockpit cu golire automată. Un iaht cu carlingă deschisă poate fi inundat cu apă la un unghi mult mai mic de călcâi (un iaht din clasa Dragon, de exemplu, la 52°) și poate merge la fund fără a avea timp să se redreseze.

Pentru iahturile navigabile, o poziție de echilibru instabil apare la o listă de aproximativ 130°, când catargul este deja sub apă, îndreptat în jos la un unghi de 40° față de suprafață. Odată cu o creștere suplimentară a ruliului, brațul de stabilitate devine negativ, momentul de răsturnare ajută la atingerea celei de-a doua poziții de echilibru instabil cu o rulare de 180° (chila în sus), când centrul de greutate se dovedește a fi situat sus deasupra centrul de greutate al unui val suficient de mic astfel încât nava să ia din nou o poziție normală - chila în jos. Există multe cazuri în care iahturile au făcut o rotație completă de 360° și și-au păstrat navigabilitatea.

Comparând stabilitatea unui iaht cu chilă și a unui dinghy, puteți vedea că rolul principal în crearea momentului de redresare al unui dinghy este jucat de stabilitate formă și pentru un iaht cu chilă - stabilitatea greutății. De aceea, există o diferență atât de vizibilă în contururile carenei lor: canotele au carene late cu L/B = 2,6-3,2, cu un chine de rază mică și o plinătate mare a liniei de plutire. Într-o și mai mare măsură, forma carenei determină stabilitatea catamaranelor, în care deplasarea volumetrică este împărțită în mod egal între cele două carene. Chiar si cu o usoara rostogolire, deplasarea dintre carene este brusc redistribuita, crescand forta de flotabilitate a carenei scufundate in apa (Fig. 6). Când cealaltă carenă părăsește apa (cu o listă de 8-15°), umărul de stabilitate atinge valoarea maximă - este puțin mai mică de jumătate din distanța dintre DP-urile carenelor. Odată cu o creștere suplimentară a ruliului, catamaranul se comportă ca un dinghy al cărui echipaj este atârnat pe un trapez. Când ruliu este de 50-60°, apare un moment de echilibru instabil, după care stabilitatea catamaranului devine negativă.

Diagrama de stabilitate statică. Este evident că descriere completă stabilitatea iahtului poate fi o curbă de schimbare a momentului de redresare Mvîn funcţie de unghiul de rulare sau diagrama de stabilitate statică (Fig. 7). Diagrama distinge clar momentele de stabilitate maximă (W) și unghiul maxim de ruliu la care nava, lăsată în voia sa, se răstoarnă (unghiul de 3 apus al diagramei de stabilitate statică).

Folosind diagrama, căpitanul navei are posibilitatea de a evalua, de exemplu, capacitatea iahtului de a transporta un anumit vânt într-un vânt cu o anumită putere. Pentru a face acest lucru, pe diagrama de stabilitate sunt trasate curbe ale modificărilor momentului de înclinare Mkr în funcție de unghiul de rulare. Punctul B al intersecției ambelor curbe indică unghiul de înclinare pe care iahtul îl va primi sub acțiunea vântului statică cu o creștere lină. În fig. 7, iahtul va primi o listă corespunzătoare punctului D - aproximativ 29°. Pentru navele cu ramuri în jos clar definite ale diagramei de stabilitate (Dinghie, compromisuri și catamarane), navigarea poate fi permisă numai la unghiuri de călcare care nu depășesc punctul maxim din diagrama de stabilitate.

Orez. 7. Diagrama stabilității statice a unui iaht de croazieră-curse

În practică, echipajele de iaht trebuie adesea să se confrunte cu acțiunea dinamică a forțelor externe, în care momentul de înclinare atinge o valoare semnificativă într-o perioadă relativ scurtă de timp. Acest lucru se întâmplă atunci când se aude un furtun sau un val care lovește bara de vânt. În aceste cazuri, nu numai amploarea momentului de înclinare este importantă, ci și energia cinetică transmisă vasului și absorbită de activitatea momentului de îndreptare.

Pe diagrama de stabilitate statica, lucrul ambelor momente poate fi reprezentat sub forma unor zone cuprinse intre curbele corespunzatoare si axele ordonatelor. Condiția pentru echilibrul iahtului sub influența dinamică a forțelor externe va fi egalitatea zonelor OABVE (lucrare Mkr) și OBGVE (muncă Mv). Având în vedere că zonele OBVE sunt comune, putem lua în considerare egalitatea zonelor OAB și BGV. În fig. 7 se poate observa că în cazul acțiunii dinamice a vântului, unghiul de rulare (punctul E, aproximativ 62°) este vizibil mai mare decât ruliu de la vânt de aceeași putere în timpul acțiunii sale statice.

Din diagrama de stabilitate statică se poate determina calcaie dinamica maxima un moment care răstoarnă o barcă sau amenință siguranța unui iaht cu cabina deschisă. Evident, efectul momentului de restabilire poate fi considerat doar până la unghiul de inundare al cockpitului sau până la punctul inițial de scădere în diagrama de stabilitate statică.

Este în general acceptat că iahturile cu chilă echipate cu balast greu sunt practic rezistente la răsturnare. Cu toate acestea, în cursa Fastnet din 1979, deja menționată, 77 de iahturi s-au răsturnat la un unghi de călcâi de peste 90°, iar unele dintre ele au rămas la plutire ceva timp (de la 30 de secunde la 5 minute) cu chila ridicată și mai multe iahturi. apoi s-au ridicat în poziţia lor normală printr-o altă placă. Cea mai gravă pagubă a fost pierderea catargelor (pe 12 iahturi), a bateriilor, a sobelor grele de bucătărie și a altor echipamente care au căzut din prize. Apa pătrunsă în interiorul clădirilor a dus, de asemenea, la consecințe nedorite. Acest lucru s-a întâmplat sub influența dinamică a unui val abrupt de 9-10 metri, al cărui profil s-a rupt brusc la trecerea de la ocean la Marea Irlandei, la mică adâncime, cu o viteză a vântului de 25-30 m/s.

Factori care afectează stabilitatea laterală. Astfel, putem trage anumite concluzii despre influența diferitelor elemente ale designului iahtului asupra stabilității acestuia. La unghiuri mici de călcâi, rolul principal în crearea momentului de redresare îl joacă lățimea iahtului și coeficientul de plenitudine al zonei liniei de plutire. Cu cât iahtul este mai lat și cu cât linia de plutire este mai plină, cu atât centrul de greutate se deplasează mai departe de DP atunci când vasul se rostogolește, cu atât brațul stabilității formei este mai mare. Diagrama de stabilitate statică a unui iaht destul de lat are o ramură ascendentă mai abruptă decât una îngustă - până la = 60-80°.

Cu cât centrul de greutate al iahtului este mai jos, cu atât este mai stabil, iar influența pescajului adânc și a balastului mare afectează aproape întreaga diagramă de stabilitate a iahtului. Când modernizați un iaht, este util să vă amintiți o regulă simplă: fiecare kilogram sub linia de plutire îmbunătățește stabilitatea, iar fiecare kilogram deasupra liniei de plutire o înrăutățește. Spațiul greu și tachelajul sunt deosebit de vizibile pentru stabilitate.

Cu aceeași locație a centrului de greutate, un iaht cu bord liber în exces are și o stabilitate mai mare la unghiuri de călcâi mai mari de 30-35°, când pe o navă cu o înălțime laterală normală puntea începe să intre în apă. Un iaht cu laturi înalte are un moment de redresare maxim mare. Această calitate este, de asemenea, inerentă iahturilor care au ruf impermeabile de volum suficient de mare.

O atenție deosebită trebuie acordată influenței apei din cală și a lichidelor din rezervoare. Nu este vorba doar de a muta mase de lichide spre partea cu călcâi; Rolul principal îl joacă prezența unei suprafețe libere a lichidului care se revarsă, și anume momentul de inerție al acestuia față de axa longitudinală. Dacă, de exemplu, suprafața apei din cală are o lungime de / și o lățime de b, atunci înălțimea metacentrică scade cu cantitate

, m. (9)

Apa din cală, a cărei suprafață liberă are o lățime mare, este deosebit de periculoasă. Prin urmare, atunci când navigați în condiții de furtună, apa din cală trebuie îndepărtată în timp util.

Pentru a reduce influența suprafeței libere a lichidelor, pereții longitudinali pentru aripi sunt instalați în rezervoare, care sunt împărțite în mai multe părți de-a lungul lățimii. În pereți se fac găuri pentru curgerea liberă a lichidului.

Stabilitate lateralăși performanța iahtului. Pe măsură ce ruliu crește peste 10-12°, rezistența apei la mișcarea iahtului crește considerabil, ceea ce duce la o pierdere a vitezei. Prin urmare, este important ca atunci când vântul crește, iahtul să poată menține naviga eficientă mai mult timp, fără a se înclina excesiv. Adesea, chiar și pe iahturi relativ mari, în timpul cursei echipajul este poziționat pe partea de vânt, încercând să reducă lista.

Cât de eficient este să muți încărcătura (echipajul) într-o parte este ușor de imaginat folosind cea mai simplă formulă, care este valabilă pentru unghiuri mici (în intervalul 0-10°) de rulare;

, (10)

M o-moment, înclinarea iahtului cu 1°;

D- deplasarea iahtului, t;

h-înălțimea metacentrică transversală inițială, m.

Cunoscând masa încărcăturii deplasate și distanța noii sale locații față de DP, este posibil să se determine momentul de înclinare și împărțindu-l la lu, obțineți unghiul de rulare în grade. De exemplu, dacă pe un iaht cu o deplasare de 7 tone și A = 1 m, cinci persoane sunt amplasate în lateral la o distanță de 1,5 m de DP, atunci momentul de înclinare pe care îl creează va da iahtului o rulare de 4,5. ° (sau reduceți rulada pe cealaltă parte cu aproximativ aceeași cantitate).

Stabilitate longitudinală. Fizica fenomenelor care apar în timpul înclinării longitudinale a iahtului este similară cu fenomenele din timpul unei rulări, dar înălțimea metacentrică longitudinală este comparabilă ca mărime cu lungimea iahtului. Prin urmare, înclinațiile longitudinale și tăierea sunt de obicei mici și sunt măsurate nu în grade, ci prin modificări ale prorei și pupei. Și totuși, dacă toate capacitățile sale sunt stoarse dintr-un iaht, nu se poate să nu ia în considerare acțiunea forțelor care trimează iahtul spre prova și mută centrul de mărime înainte (vezi Fig. 4). Acest lucru poate fi contracarat prin mutarea echipajului la la pupa punțile.

Forțele care taie prova ating cea mai mare magnitudine atunci când navighează în spatele spatelui; pe acest traseu, mai ales în cazul vântului puternic, echipajul trebuie mutat cât mai departe posibil. Pe un curs apropiat, momentul de reglare este mic și cel mai bine este ca echipajul să se poziționeze lângă mijlocul navei, înclinând nava. Pe jibe, momentul de trim se dovedește a fi mai mic decât pe spatele spatelui, mai ales dacă iahtul poartă un spinnaker și un blooper, care asigură o anumită susținere.

Pentru catamarane, înălțimea metacentrică longitudinală este comparabilă cu înălțimea transversală, uneori mai mică decât aceasta. Prin urmare, efectul momentului de trim, aproape imperceptibil pe un iaht cu chilă, poate răsturna un catamaran de aceleași dimensiuni principale.

Statisticile accidentelor indică cazuri de răsturnare peste prova pe cursele de trecere ale catamaranelor de croazieră cu vânt puternic.

1.7. Rezistenta la deriva

Forța laterală Fd (vezi fig. 4) nu numai că înclină iahtul, ci provoacă deriva laterală. sag. Puterea derivei depinde de cursul iahtului în raport cu vânt. Când navighează într-o direcție apropiată, este de trei ori mai mare decât forța de împingere care deplasează iahtul înainte; într-un vânt din golf, ambele forțe sunt aproximativ egale într-un spate abrupt (vântul adevărat este de aproximativ 135 ° față de cursul iahtului), forța motrice se dovedește a fi de 2-3 ori mai mare decât forța de derivă, iar într-un șoc pur acolo nu este deloc forță de deriva. În consecință, pentru ca nava să poată avansa cu succes pe un curs de la vânt apropiat la vânt din golf, trebuie să aibă suficientă rezistență laterală la derivă, mult mai mare decât rezistența apei la mișcarea iahtului de-a lungul cursului.

Funcția de a crea rezistență la derivă în iahturile moderne este îndeplinită în principal de borduri, chile cu aripioare și cârme.

După cum am spus deja, o condiție indispensabilă pentru apariția unei forțe de rezistență la derivă este mișcarea iahtului la un unghi mic față de DP - unghiul de deriva. Să luăm în considerare ce se întâmplă în fluxul de apă direct la chilă, care este o aripă cu o secțiune transversală sub forma unui profil aerodinamic simetric subțire (Fig. 8).

Dacă nu există unghi de deriva (Fig. 8, a), atunci curgerea apei, întâlnind profilul chilei în punctul o, este împărțit în două părți. În acest punct, numit critic, viteza curgerii este O, presiunea maximă este egală cu înălțimea vitezei, unde r este densitatea masei apei (pentru apă dulce); v- viteza iahtului (m/s). Atât părțile superioare, cât și inferioare ale fluxului curg simultan în jurul suprafeței profilului și se întâlnesc din nou în punctul respectiv b pe marginea de ieșire. Evident, nicio forță direcționată peste flux nu poate apărea asupra profilului; Doar o singură forță de rezistență la frecare va acționa, datorită vâscozității apei.

Dacă profilul este deviat de un anumit unghi de atac o(în cazul chilei unui iaht - unghiul de derivă), atunci modelul de curgere în jurul profilului se va schimba (Fig. 8, b). Punct critic O se va muta în partea inferioară a „nasului” profilului. Calea pe care o particulă de apă trebuie să o parcurgă de-a lungul suprafeței superioare a profilului se va prelungi și punctul b 1 unde, în funcție de condițiile de continuitate a curgerii, particulele care curg în jurul suprafețelor superioare și inferioare ale profilului ar trebui să se întâlnească, după ce au parcurs un drum egal, ajung pe suprafața superioară. Cu toate acestea, atunci când ocoliți marginea ascuțită de ieșire a profilului, partea inferioară a fluxului se desprinde din margine sub forma unui vârtej (Fig. 8, c și d). Acest vortex, numit vortex de pornire, se rotește în sens invers acelor de ceasornic și face ca apa să circule în jurul profilului în sens invers, adică în sensul acelor de ceasornic (Fig. 8, d). Acest fenomen, cauzat de forțele vâscoase, este similar cu rotația unui angrenaj mare (circulație) cuplat cu un angrenaj de antrenare mic (vortex de pornire).

După ce are loc circulația, vortexul de pornire se rupe de marginea emergentă, punct b 2 se deplasează mai aproape de această margine, drept urmare nu mai există o diferență de viteză cu care părțile superioare și inferioare ale fluxului părăsesc aripa. Circulația în jurul aripii determină apariția unei forțe de ridicare Y, direcționată peste flux: la suprafața superioară a aripii viteza particulelor de apă crește datorită circulației, la suprafața inferioară, la întâlnirea cu particule implicate în circulație, aceasta încetinește. În consecință, la suprafața superioară presiunea scade în comparație cu presiunea din fluxul din fața aripii, iar la suprafața inferioară crește. Diferența de presiune dă portare Y.

În plus, forța va acționa asupra profilului frontal(profil) rezistenţă X, apărute din cauza frecării apei pe suprafața profilului și a presiunii hidrodinamice pe partea frontală a acestuia.

În fig. Figura 9 prezintă rezultatele măsurării presiunii la suprafața unui profil simetric realizat într-un tunel de vânt. Axa y arată valoarea coeficientului CU p, care este raportul dintre presiunea în exces (presiunea totală minus presiunea atmosferică) și viteza înălțimii. Pe partea superioară a profilului presiunea este negativă (vid), pe partea inferioară este pozitivă. Astfel, forța de ridicare care acționează asupra oricărui element de profil este suma forțelor de presiune și rarefacție care acționează asupra acestuia și, în general, este proporțională cu aria cuprinsă între curbele de distribuție a presiunii de-a lungul coardei profilului (umbrite în Fig. 9).

Datele prezentate în Fig. 9 ne permit să tragem o serie de concluzii importante despre funcționarea chilei unui iaht. În primul rând, rolul principal în crearea forței laterale este jucat de vidul care are loc pe suprafața aripioarei dinspre vânt. În al doilea rând, vârful rarefării este situat lângă marginea de intrare a chilei. În consecință, punctul de aplicare al forței de ridicare rezultată se află pe treimea din față a coardei aripioarelor. În general, ridicarea crește până la un unghi de atac de 15-18°, după care scade brusc.

Datorită formării de vortexuri pe partea de rarefacție, curgerea lină în jurul aripii este întreruptă, rarefacția scade și curgerea se blochează (acest fenomen este discutat mai detaliat în Capitolul 2 pentru vele). Concomitent cu creșterea unghiului de atac, rezistența crește ea atinge un maxim la a = 90°.

Deriva unui iaht modern depășește rar 5°, așa că nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la ruperea fluxului din chilă. Cu toate acestea, unghiul critic de atac trebuie luat în considerare pentru cârmele de iaht, care sunt, de asemenea, proiectate și funcționează pe principiul unei aripi.

Să luăm în considerare principalii parametri ai chilelor de iaht, care au un impact semnificativ asupra eficienței lor în a crea forță de rezistență la deriva. Următoarele pot fi extinse în mod egal la cârme, ținând cont de faptul că acestea funcționează cu un unghi de atac semnificativ mai mare.

Grosimea și forma secțiunii transversale a chilei. Testele profilurilor aerodinamice simetrice au arătat că profilurile aerodinamice mai groase (cu un raport de grosime a secțiunii transversale mai mare t la coarda lui b) oferă o forță de ridicare mai mare. Dragul lor este mai mare decât cel al profilelor cu o grosime relativă mai mică. Rezultate optime pot fi obținute atunci când t/b = 0,09-0,12. Cantitatea de ridicare pe astfel de profile depinde relativ puțin de viteza iahtului, astfel încât chilele dezvoltă suficientă rezistență la derivă chiar și în condiții de vânt ușor.

Poziția grosimii maxime a profilului de-a lungul lungimii coardei are o influență semnificativă asupra mărimii forței de rezistență la deriva. Cele mai eficiente sunt profilele a căror grosime maximă este situată la o distanță de 40-50% din coarda de „nasul” lor. Pentru cârmele de iaht care funcționează la unghiuri mari de atac, se folosesc profile cu o grosime maximă situate ceva mai aproape de marginea anterioară - până la 30% din coardă.

Forma „nasului” profilului — raza de rotunjire a marginii de intrare — are o anumită influență asupra eficienței chilei. Dacă muchia este prea ascuțită, atunci fluxul care curge pe chilă primește o accelerație mare aici și se desprinde de profil sub formă de vârtejuri.

În acest caz, are loc o scădere a portanței, mai ales semnificativă la unghiuri mari de atac. Prin urmare, o astfel de ascuțire a marginii de intrare este inacceptabilă pentru cârme.

Extensie aerodinamică. La capetele aripii, apa curge din zona de înaltă presiune spre partea din spate a profilului. Ca urmare, vârtejurile sunt aruncate de la capetele aripii, formând două străzi vortex. O parte destul de semnificativă a energiei este cheltuită pentru întreținerea lor, formând așa-numitele reactanța inductivă.În plus, datorită egalizării presiunii la capetele aripii, are loc o scădere locală a portanței, așa cum se arată în diagrama distribuției sale pe lungimea aripii din Fig. 10.

Cu cât lungimea aripii este mai mică Lîn raport cu acordul său b, adică cu cât alungirea sa este mai mică Livre, cu cât pierderea portanței este relativ mai mare și cu atât rezistența inductivă este mai mare. În aerodinamică, se obișnuiește să se estimeze raportul de aspect al aripii folosind formula

(unde 5 este zona aripilor), care poate fi aplicată aripilor și aripioarelor de orice formă. Cu o formă dreptunghiulară, raportul de aspect aerodinamic este egal cu raportul; pentru aripa delta l = 2Lb.

În fig. 10 prezintă o aripă compusă din două chile de înotătoare trapezoidale. Pe un iaht, chila este atașată cu o bază largă la fund, așa că aici nu există nici un flux de apă pe partea cu vid și, sub influența carenei, presiunea pe ambele suprafețe este egalizată. Fără această influență, raportul de aspect aerodinamic ar putea fi considerat a fi de două ori raportul dintre adâncimea chilei și pescajul acesteia. În practică, acest raport, în funcție de dimensiunea chilei, de contururile iahtului și de unghiul de călcâie, este depășit doar de 1,2-1,3 ori.

Influența alungirii aerodinamice a chilei asupra mărimii forței de rezistență la deriva pe care o dezvoltă R d poate fi estimat din rezultatele testelor unei aripioare cu profil NACA 009 (t/b=9%) și o suprafață de 0,37 m2 (Fig. 11). Viteza curgerii corespundea vitezei iahtului de 3 noduri (1,5 m/s). Interesantă este modificarea forței de rezistență la deriva la un unghi de atac de 4-6°, care corespunde unghiului de deriva al iahtului pe un curs apropiat. Dacă accepti forța R d cu alungirea l = 1 pe unitate (6,8 la a = 5°), apoi cu o creștere în l la 2, rezistența la deriva crește de peste 1,5 ori (10,4 kg), iar cu l = 3 - exact dublată (13,6 kg). Același grafic poate servi pentru o evaluare calitativă a eficacității cârmelor de diferite extensii, care operează în regiunea unghiurilor mari de atac.

Astfel, prin creșterea alungirii aripioarei chilei, se poate obține cantitatea necesară de forță laterală R d cu o suprafață mai mică a chilei și, prin urmare, cu o suprafață umedă mai mică și rezistență la apă la mișcarea iahtului. Alungirea chilei pe iahturile moderne de croazieră și curse este în medie de l = 1-3. Pena cârmei, care servește nu numai la controlul navei, ci este și un element integral în crearea rezistenței iahtului, are o alungire și mai mare, apropiindu-se de l. = 4.

Zona și forma chilei. Cel mai adesea, dimensiunile chilei sunt determinate de date statistice, comparând iahtul proiectat cu nave bine dovedite. Pe iahturile moderne de croazieră și curse cu o cârmă separată de chilă, aria totală a chilei și a cârmei variază de la 4,5 până la 6,5% din suprafața velei iahtului, iar aria cârmei este de 20-40% din zona chilei.

Pentru a obține o alungire optimă, proiectantul de iaht se străduiește să adopte pescajul maxim permis de condițiile de navigare sau regulile de măsurare. Cel mai adesea, chila are forma unui trapez cu marginea anterioară înclinată. După cum au arătat studiile, pentru chilele de iaht cu un raport de aspect de 1 la 3, unghiul dintre muchia anterioară și verticală în intervalul de la -8° la 22,5° nu are practic niciun efect asupra caracteristicilor hidrodinamice ale chilei. Dacă chila (sau planșa centrală) este foarte îngustă și lungă, atunci o pantă a muchiei anterioare de mai mult de 15° față de verticală este însoțită de o abatere a liniilor de curgere a apei în jos pe profil, spre colțul din spate inferior. Ca urmare, forța de ridicare scade și rezistența chilei crește. În acest caz, unghiul optim de înclinare este de 5° față de verticală.

Cantitatea de portanță dezvoltată de chilă și cârmă este influențată în mod semnificativ de calitatea finisajului suprafeței acesteia, în special de marginea anterioară, unde se formează fluxul în jurul profilului. Prin urmare, se recomandă lustruirea chilei și cârmei la o distanță de cel puțin 1,5% din coarda profilului.

Viteza iahtului. Forța de susținere pe orice aripă este determinată de formula:

(11)

Сy - coeficientul de portanță, în funcție de parametrii aripii - forma profilului, raportul de aspect, conturul planului, precum și de unghiul de atac - crește odată cu creșterea unghiului de atac;

r- densitatea masei apei, ;

V- viteza fluxului care curge în jurul aripii, m/s;

S- suprafata aripii, m2.

Astfel, forța de rezistență la derivă este o valoare variabilă, proporțională cu pătratul vitezei. În momentul inițial al mișcării iahtului, de exemplu după o viradă, când nava își pierde viteză sau când se îndepărtează de braț în aval vântului, forța de ridicare a chilei este mică. Pentru putere Y a egalat forța de deriva F D chila ar trebui să fie poziționată spre fluxul care se apropie la un unghi mare de atac. Cu alte cuvinte, nava începe să se miște cu un unghi mare de derivă. Pe măsură ce viteza crește, unghiul de deriva scade până când atinge valoarea sa normală - 3-5°.

Căpitanul trebuie să țină cont de această împrejurare, oferind suficient spațiu pentru a se afla sub vent atunci când accelerează iahtul sau după virarea pe o nouă viraje. Trebuie folosit un unghi inițial mare de deriva pentru a câștiga rapid viteză trăgând ușor foile. Apropo, acest lucru reduce forța de derivă pe pânze.

De asemenea, este necesar să ne amintim mecanica generării liftului, care apare pe aripioară numai după separarea vortexului de pornire și dezvoltarea circulației stabile. Pe chila îngustă a unui iaht modern, circulația are loc mai rapid decât pe carena unui iaht cu cârmă montată pe chilă, adică pe o aripă cu coarda mare. Al doilea iaht va deriva mai mult în vânt înainte ca carena să devină eficientă în prevenirea derivării.

Controlabilitate

Controlabilitate este calitatea unei nave care îi permite să urmeze un curs dat sau să schimbe direcția. Numai un iaht care reacționează corespunzător la schimbarea cârmei poate fi considerat controlabil.

Controlabilitatea combină două proprietăți ale unei nave - stabilitatea direcției și agilitatea.

Stabilitatea cursului- aceasta este capacitatea unui iaht de a menține o anumită direcție dreaptă de mișcare atunci când asupra lui acţionează diverse forțe externe: vânt, valuri etc. Stabilitatea pe cursă depinde nu numai de caracteristici de proiectare iaht și natura acțiunii forțelor exterioare, dar și asupra reacției cârmaciului la abaterea vasului de la curs, simțul cârmei.

Să ne întoarcem din nou la diagrama acțiunii forțelor externe asupra pânzelor și carenei iahtului (vezi Fig. 4). Poziția relativă a celor două perechi de forțe este de o importanță decisivă pentru stabilitatea iahtului pe cursă. Forța de înclinare F d și forța de rezistență la deriva R d tind să împingă prova iahtului în vânt, în timp ce a doua forță de para-împingere Tși rezistență la mișcare R aduce iahtul în vânt. Este evident că reacția iahtului depinde de raportul dintre mărimea forțelor și umerilor luati în considerare. OŞi b, asupra cărora acţionează. Pe măsură ce unghiul de rulare crește, brațul perechii de antrenare b crește de asemenea. Umărul unui cuplu în cădere O depinde de poziția relativă a centrului pânzei (CS) - punctul de aplicare a forțelor aerodinamice rezultate la pânze și a centrului de rezistență laterală (CLR) - punctul de aplicare a forțelor hidrodinamice rezultate la carena iaht. Poziția acestor puncte se modifică în funcție de mulți factori: cursul iahtului în raport cu vânt, forma și setarea pânzelor, ruliu și trim al iahtului, forma și profilul chilei și cârmei etc.

Prin urmare, la proiectarea și reechiparea iahturilor, acestea operează cu CP și CB-uri convenționale, considerându-le situate în centrele de greutate ale figurilor plate, care sunt pânze așezate în planul central al iahtului și contururile subacvatice ale DP cu o chilă, aripioare și cârmă (Fig. 12).

Se știe că centrul de greutate al unei pânze triunghiulare este situat la intersecția a două mediane, iar centrul de greutate comun al celor două pânze este situat pe un segment de linie dreaptă care leagă CP ambelor pânze și împarte acest segment în invers proporţional cu aria lor. De obicei, nu aria reală a brațului este luată în considerare, ci aria măsurată a triunghiului velei înainte.

Poziția centrului central poate fi determinată prin echilibrarea profilului părții subacvatice a DP, tăiată din carton subțire, pe vârful unui ac. Când șablonul este poziționat strict orizontal, acul este situat în punctul convențional al centrului central. Să reamintim că în crearea forței de rezistență la derivă, rolul principal revine chilei și cârmei. Centrele de presiune hidrodinamică pe profilele lor pot fi găsite destul de precis, de exemplu, pentru profile cu o grosime relativă t/b la aproximativ 8%, acest punct se află la aproximativ 26% din coardă de la marginea anterioară. Cu toate acestea, carena iahtului, deși participă într-o mică măsură la crearea forței laterale, face anumite modificări în natura curgerii în jurul chilei și cârmei și se modifică în funcție de unghiul de călcâi și de așezare, deoarece precum și viteza iahtului. În cele mai multe cazuri, pe un traseu apropiat, adevăratul centru de greutate se deplasează înainte.

Designerii, de regulă, plasează procesorul la o anumită distanță (avansat) în fața sistemului nervos central. De obicei, plumbul este specificat ca un procent din lungimea navei la linia de plutire și este de 15-18% pentru un sloop din Bermude. L kvl.

Dacă adevăratul CP se dovedește a fi situat prea departe în fața CB, iahtul pe un curs apropiat cade în vânt, iar cârmacul trebuie să țină constant cârma înclinată în fața vântului. Dacă CP se află în spatele CB, atunci iahtul tinde să se aducă spre vânt; necesar loc de muncă permanent cârmă pentru a controla nava.

Tendința iahtului de a se scufunda este deosebit de neplăcută. În cazul unui accident cu cârma, iahtul nu poate fi adus pe un curs apropiat doar cu ajutorul pânzelor în plus, are o derivă crescută; Faptul este că chila iahtului deviază fluxul de apă care curge din el mai aproape de DP-ul navei. Prin urmare, dacă cârma este dreaptă, aceasta funcționează la un unghi de atac vizibil mai mic decât chila. Dacă cârma este înclinată spre partea vântului, atunci forța de ridicare generată pe ea se dovedește a fi îndreptată către partea sub vânt - în aceeași direcție cu forța de deriva pe pânze. În acest caz, chila și cârma sunt „trase” în direcții diferite, iar iahtul este instabil pe cursă.

Un alt lucru este tendința ușoară a iahtului de a fi condus. Cârma, deplasată la un unghi mic (3-4°) în direcția vântului, funcționează cu același unghi de atac sau puțin mai mare ca și chila și participă eficient la rezistența la derivă. Forța laterală care apare pe cârmă determină o deplasare semnificativă a sistemului general de direcție central către pupa, în același timp unghiul de derivă scade, iahtul se află stabil pe cursă.

Cu toate acestea, dacă pe un traseu apropiat cârma trebuie deplasată în mod constant în fața vântului cu o sumă mai mare de 3-4°, ar trebui să vă gândiți la reglarea poziției relative a volanului central și a unității centrale de control. Pe un iaht deja construit, acest lucru este mai ușor de făcut prin deplasarea procesorului înainte, instalarea catargului în stepă în poziția extremă a prova sau înclinarea lui înainte.

Motivul derapajului iahtului poate fi, de asemenea, vela mare - prea „pantă” sau cu un luff reconstruit. În acest caz, este utilă o ședere intermediară, cu ajutorul căreia puteți îndoi catargul în partea de mijloc (în înălțime) înainte și, prin urmare, puteți face vela mai plată, precum și să slăbiți flutul. De asemenea, puteți scurta lungimea velului mare.

Este mai dificil să mutați coloana centrală de direcție spre pupa, pentru care trebuie să instalați o aripioară de pupa în fața cârmei sau să măriți aria lamei cârmei.

Am spus deja că pe măsură ce ruliu crește, crește și tendința iahtului de a se rostogoli. Acest lucru se întâmplă nu numai din cauza creșterii brațului perechii de forțe care aduc - TŞi R.În timpul unei rulări, presiunea hidrodinamică în zona undei de arc crește, ceea ce duce la o deplasare înainte a sistemului nervos central. Prin urmare, într-un vânt proaspăt, pentru a reduce tendința iahtului de a deplasa în derivă, ar trebui să deplasați vela mare înainte și: luați un recif pe vela mare sau să-l scoateți puțin pentru acest curs. De asemenea, este utilă schimbarea brațului cu unul mai mic, ceea ce reduce lista și trim-ul iahtului pe prova.

Un designer cu experiență atunci când alege valoarea avansului O de obicei ia în considerare stabilitatea iahtului pentru a compensa creșterea momentului de conducere în timpul declinării: pentru un iaht cu stabilitate mai mică, se stabilește o valoare mare de avans, pentru navele mai stabile avansul este considerat minim.

Iahturile bine centrate au adesea o viată crescută pe traseul spateului, când vela mare trasă la bord tinde să întoarcă iahtul cu prova în fața vântului. Acest lucru este ajutat și de un val înalt care vine de la pupa într-un unghi față de DP. Pentru a menține iahtul pe curs, trebuie să munciți din greu cu cârma, deviând-o într-un unghi critic, atunci când curgerea de pe suprafața sa sub vânt este posibil (acest lucru se întâmplă de obicei la unghiuri de atac de 15-20°). Acest fenomen este însoțit de o pierdere a portanței pe cârmă și, în consecință, de controlabilitatea iahtului. Iahtul se poate arunca brusc în vânt și poate obține o listă mare, iar din cauza scăderii adâncirii lamei cârmei, aerul de la suprafața apei poate pătrunde în partea de rarefiere.

Lupta împotriva acestui fenomen, numită brosare, obligă să mărească suprafața penei cârmei și prelungirea acesteia, să instaleze o aripioară în fața cârmei, a cărei zonă este de aproximativ un sfert din suprafața penei. Datorită prezenței unei aripioare în fața cârmei, se organizează un flux direcționat de apă, se măresc unghiurile critice de atac ale cârmei, se previne pătrunderea aerului către aceasta și se reduce forța asupra timonei. Când navighează în spatele spatelui, echipajul trebuie să se străduiască să se asigure că împingerea spinnakerului este îndreptată cât mai mult înainte posibil, și nu în lateral, pentru a evita înclinarea excesivă. De asemenea, este important să preveniți apariția ornamentelor pe nas, care ar putea reduce adâncimea volanului. Broșarea este facilitată și de rularea iahtului, care apare ca urmare a întreruperilor fluxului de aer din spinnaker.

Stabilitatea pe curs, pe lângă influența considerată a forțelor externe și poziția relativă a punctelor lor de aplicare, este determinată de configurația părții subacvatice a DP. Anterior pentru călătorii lungi De apă deschisă iahturile preferate cu o linie lungă de chilă, deoarece au o rezistență mai mare la viraj și, în consecință, stabilitate pe cursă. Cu toate acestea, acest tip de navă are dezavantaje semnificative, cum ar fi o suprafață mare umedă și o manevrabilitate slabă. În plus, s-a dovedit că stabilitatea cursului depinde nu atât de dimensiunea proiecției laterale a DP, cât de poziția volanului față de sistemul central de direcție, adică de „pârghia” pe care direcția. roata functioneaza. Se observă că dacă această distanță este mai mică de 25% L kvl , apoi iahtul devine yawy și reacționează prost la devierea cârmei. La l=40-45% L kvl (vezi Fig. 12) menținerea vasului pe un curs dat nu este dificilă.

Agilitate- capacitatea unei nave de a schimba direcția de mișcare și de a descrie o traiectorie sub influența cârmei și a pânzelor. Acțiunea cârmei se bazează pe același principiu al unei aripi hidrodinamice care a fost considerat pentru chila unui iaht. Când volanul este deplasat la un anumit unghi, apare o forță hidrodinamică R, una dintre componentele căreia Nîmpinge pupa iahtului în direcția opusă celei în care este plasată cârma (Fig. 13). Sub influența sa, nava începe să se miște pe o traiectorie curbă. În același timp, puterea R dă componentei Q - forța de rezistență care încetinește progresul iahtului.

Dacă fixați cârma într-o singură poziție, nava se va mișca aproximativ într-un cerc numit circulație. Diametrul sau raza circulației este o măsură a capacității de răsucire a vasului: cu cât raza de circulație este mai mare, cu atât capacitatea de întoarcere este mai slabă. Doar centrul de greutate al iahtului se deplasează prin circulație; În același timp, nava experimentează deriva cauzată de forta centrifugași parțial cu forța N pe volan.

Raza de circulație depinde de viteza și masa iahtului, de momentul său de inerție față de axa verticală care trece prin CG, de eficiența cârmei - mărimea forței Nși umărul acestuia în raport cu CG pentru o deviere dată a cârmei. Cu cât viteza și deplasarea iahtului este mai mare, cu atât mase mai mari (motor, ancore, piese de echipament) sunt situate la capetele navei, cu atât raza de circulație este mai mare. De obicei, raza de circulație, determinată în timpul încercărilor pe mare ale iahtului, este exprimată în lungimi de carenă.

Agilitatea este mai bună cu cât partea subacvatică a navei este mai scurtă și cu atât este concentrată mai aproape de mijlocul navei. De exemplu, navele cu o linie de chilă lungă (cum ar fi bărcile navale) au o capacitate de viraj slabă și, dimpotrivă, o capacitate bună de viraj - canotele cu borduri înguste și adânci.

Eficacitatea cârmei depinde de suprafața și forma penei, profilul secțiunii transversale, raportul de aspect aerodinamic, tipul de instalare (pe stâlp de pupa, separat de chilă sau pe aripioară), precum și distanța stocului față de coloana centrală de direcție. Cele mai răspândite sunt cârmele proiectate sub forma unei aripi cu un profil de secțiune transversală aerodinamică. Grosimea maximă a profilului este de obicei considerată ca fiind în intervalul 10-12% din coardă și este situată la 1/3 din coardă de la marginea anterioară. Zona cârmei este de obicei 9,5-11% din suprafața părții scufundate a DP a iahtului.

O cârmă cu un raport de aspect mare (raportul dintre pătratul adâncimii cârmei și aria sa) dezvoltă o forță laterală mare la unghiuri mici de atac, datorită căreia participă eficient la furnizarea unei forțe laterale pentru a rezista la deriva. Totuși, așa cum se arată în Fig. 11, la anumite unghiuri de atac ale profilelor cu diferite raporturi de aspect, curgerea este separată de suprafața de rarefacție, după care forța de ridicare a profilului scade semnificativ. De exemplu, când l= 6 unghiul critic al cârmei este de 15°; la l=2- 30°. Ca un compromis se folosesc ghidonele cu extensii l = 4-5 (raportul de aspect al volanului dreptunghiular este de 2-2,5), iar pentru a crește unghiul critic de schimbare, în fața volanului este instalată o aripioară skeg. O cârmă cu un raport de aspect mare reacționează mai rapid la schimbare, deoarece circulația fluxului, care determină forța de ridicare, se dezvoltă mai repede în jurul unui profil cu o coardă mică decât în ​​jurul întregii părți subacvatice a carenei cu o cârmă montată pe stâlpul pupa.

Marginea superioară a volanului trebuie să se potrivească strâns pe caroserie cu abateri de lucru de ±30° pentru a preveni curgerea apei prin aceasta; în caz contrar, performanța direcției se va deteriora. Uneori, pe bara cârmei, dacă este montată pe traversă, o șaibă aerodinamică este atașată sub forma unei plăci late lângă linia de plutire.

Ceea ce s-a spus despre forma chilelor se aplică și cârmelor: o formă trapezoidală cu marginea inferioară dreptunghiulară sau ușor rotunjită este considerată optimă. Pentru a reduce forțele asupra motocultorului, volanul este uneori realizat de tip echilibrat, cu o axă de rotație situată la 1/4-1/5 din coardă din „nasul” profilului.

Când conduceți un iaht, este necesar să țineți cont de specificul volanului în diferite condiții și, mai ales, de perturbarea fluxului din spate. Nu puteți face deplasări bruște ale volanului în lateral la începutul unei viraj, fluxul se va opri, va apărea forța laterală. N pe volan va cădea, dar forța de rezistență va crește rapid R. Iahtul va intra in circulatie incet si cu o pierdere mare de viteza. Este necesar să începeți o viraj prin deplasarea cârmei la un unghi mic, dar de îndată ce pupa se rostogolește spre exterior și unghiul de atac al cârmei începe să scadă, aceasta ar trebui să fie deplasată la un unghi mai mare în raport cu DP-ul iahtului.

Trebuie amintit că forța laterală asupra cârmei crește rapid pe măsură ce viteza iahtului crește. Într-un vânt ușor, este inutil să încercați să întoarceți rapid iahtul prin deplasarea cârmei la un unghi mare (apropo, valoarea unghiului critic depinde de viteză: la viteze mai mici, separarea fluxului are loc la unghiuri mai mici de atac).

Rezistența cârmei la schimbarea cursului iahtului, în funcție de forma, designul și locația acestuia, variază de la 10 la 40% din rezistența totală a iahtului. Prin urmare, tehnica de direcție a volanului (și centrarea iahtului, de care depinde stabilitatea pe cursă) trebuie luată foarte în serios, iar volanul nu trebuie lăsat să devieze la un unghi mai mare decât este necesar.

Rata vânzărilor

Rata vânzărilor se referă la capacitatea unui iaht de a atinge o anumită viteză în timp ce folosește eficient energia eoliană.

Viteza pe care o poate atinge un iaht depinde în primul rând de viteza vântului, deoarece toate forțele aerodinamice acționează asupra pânzelor. inclusiv forța de împingere, crește proporțional cu pătratul vitezei aparente a vântului. În plus, depinde și de alimentarea cu energie a navei - raportul dintre suprafața velei și dimensiunile sale. Raportul cel mai des folosit ca caracteristică a disponibilității energiei este S" 1/2 /V 1/3(unde S este aria vântului, m2; V- deplasarea totală, m 3) sau S/W (aici W este suprafața umedă a carenei, inclusiv chila și cârma).

Forța de tracțiune și, prin urmare, viteza iahtului, este, de asemenea, determinată de capacitatea instalației de navigare de a dezvolta o forță suficientă pe diferite cursuri în raport cu direcția vântului.

Factorii enumerați se referă la pânzele de propulsie ale iahtului, care transformă energia eoliană în forță motrice T. După cum se arată în Fig. 4, această forță în timpul mișcării uniforme a iahtului trebuie să fie egală și opusă forței de rezistență la mișcare R. Acesta din urmă este o proiecție a tuturor forțelor hidrodinamice rezultate care acționează pe suprafața umedă a corpului pe direcția de mișcare.

Există două tipuri de forțe hidrodinamice: forțele de presiune direcționate perpendicular pe suprafața corpului și forțele vâscoase care acționează tangențial la această suprafață. Rezultanta forțelor vâscoase dă forța rezistenta la frecare.

Forțele de presiune sunt cauzate de formarea valurilor la suprafața apei atunci când iahtul se mișcă, astfel încât forța lor rezultată dă rezistența la val.

Cu o curbură mare a suprafeței carenei în partea din spate, stratul limită se poate desprinde de pe piele și se pot forma vârtejuri, absorbind o parte din energia forței motrice. Acest lucru creează o altă componentă de rezistență la mișcarea iahtului - rezistență la formă.

Încă două tipuri de rezistență apar datorită faptului că iahtul nu se mișcă drept de-a lungul DP, ci cu un anumit unghi de deriva și rostogolire. Acest inductiv și călcâi rezistenţă. O pondere semnificativă în rezistența inductivă este ocupată de rezistența părților proeminente - chila și cârma.

În cele din urmă, mișcarea înainte a iahtului este rezistată și de aerul care spală carena, echipajul și dezvoltarea sistemului de tachelaj și pânze. Această piesă de rezistență se numește aer.

Rezistenta la frecare. Când iahtul se mișcă, particulele de apă adiacente învelișului carenei par să se lipească de acesta și sunt transportate împreună cu nava. Viteza acestor particule în raport cu corpul este zero (Fig. 14). Următorul strat de particule, alunecând peste primul, rămâne deja puțin în urma punctelor corespunzătoare ale carenei, iar la o anumită distanță de carenă, apa rămâne în general nemișcată sau are o viteză relativă la carenă egală cu viteza iahtului. v. Acest strat de apă, în care acționează forțele vâscoase, iar viteza de mișcare a particulelor de apă față de carenă crește de la 0 la viteza navei, se numește strat limită. Grosimea sa este relativ mică și variază de la 1 la 2% din lungimea corpului de-a lungul liniei de plutire, cu toate acestea, natura sau modul de mișcare a particulelor de apă din ea are un impact semnificativ asupra cantității de rezistență la frecare.

S-a stabilit că modul de deplasare al chasgitzului variază în funcție de viteza vasului și de lungimea suprafeței sale umede. În hidrodinamică, această dependență este exprimată prin numărul Reynolds:

n este coeficientul de vâscozitate cinematică a apei (pentru apa dulce n = 1,15-10 -6 m 2 /s);

L- lungimea suprafeței umede, m;

v- viteza iahtului, m/s.

Cu un număr relativ mic Re = 10 6, particulele de apă din stratul limită se mișcă în straturi, formând laminare curgere. Energia sa nu este suficientă pentru a depăși forțele vâscoase care împiedică mișcările transversale ale particulelor. Cea mai mare diferență de viteză între straturile de particule apare direct la suprafața carcasei; În consecință, forțele de frecare sunt cele mai mari aici.

Numărul Reynolds din stratul limită crește pe măsură ce particulele de apă se îndepărtează de tulpină (cu creșterea lungimii umede). La o viteză de 2 m/s, de exemplu, deja la o distanță de aproximativ 2 m de acesta Re va atinge o valoare critică la care regimul de curgere în stratul limită devine vortex, adică turbulent și direcționat peste stratul limită. Datorită schimbului de energie cinetică rezultat între straturi, viteza particulelor de lângă suprafața carcasei crește într-o măsură mai mare decât în ​​cazul fluxului laminar. Diferența de viteză Dv aici rezistența la frecare crește în mod corespunzător. Datorită mișcărilor transversale ale particulelor de apă, grosimea stratului limită crește, iar rezistența la frecare crește brusc.

Regimul de curgere laminar acoperă doar o mică parte din carena iahtului în partea de prova și numai la viteze mici. Valoare critică Re, la care are loc fluxul turbulent în jurul corpului, se află în intervalul 5-10 5-6-10 6 și depinde în mare măsură de forma și netezimea suprafeței sale. Pe măsură ce viteza crește, punctul de tranziție al stratului limită laminar în cel turbulent se deplasează spre nas și la o viteză suficient de mare poate veni un moment în care întreaga suprafață umedă a carenei este acoperită de un flux turbulent. Adevărat, direct lângă piele, unde viteza de curgere este aproape de zero, rămâne încă o peliculă subțire cu regim laminar - un substrat laminar.

Rezistența la frecare se calculează folosind formula:

(13)

R tr - rezistenta la frecare, kg;

ztr - coeficient de rezistență la frecare;

r-densitatea de masă a apei;

pentru apa dulce:

v- viteza iahtului, m/s;

Suprafata umeda in W, m2.

Coeficientul de rezistență la frecare este o valoare variabilă în funcție de natura curgerii în stratul limită și de lungimea corpului L kvl de viteza v și rugozitatea suprafeței corpului.

În fig. Figura 15 arată dependența coeficientului de rezistență la frecare ztr de număr Reși rugozitatea suprafeței carcasei. Creșterea rezistenței unei suprafețe rugoase în comparație cu una netedă poate fi explicată cu ușurință prin prezența unui substrat laminar în stratul limită turbulent. Dacă tuberculii de la suprafață sunt complet scufundați în substratul laminar, atunci ei nu introduc modificări semnificative în natura fluxului laminar al substratului. Dacă neregularitățile depășesc grosimea substratului și ies deasupra acestuia, atunci se produce turbulizarea mișcării particulelor de apă pe toată grosimea stratului limită, iar coeficientul de frecare crește în consecință.

Orez. 15 ne permite să apreciem importanța finisării fundului unui iaht pentru a-i reduce rezistența la frecare. De exemplu, dacă un iaht cu o lungime de 7,5 m de-a lungul liniei de plutire se deplasează cu o viteză v= 6 noduri (3,1 m/s), apoi numărul corespunzător

Să presupunem că partea de jos a iahtului are rugozitate (înălțimea medie a neregulilor) k== 0,2 mm, care corespunde rugozității relative

L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4. Pentru o rugozitate și un număr dat R e coeficientul de frecare este egal cu z tr = 0,0038 (punctul G).

Să evaluăm dacă este posibil să obținem în acest caz o suprafață de fund care este aproape netedă din punct de vedere tehnic. La R e = 2-10 7 o astfel de suprafaţă corespunde rugozităţii relative L/k= 3 10 5 sau rugozitate absolută k=7500/3 10 5 = 0,025 mm. Experiența arată că acest lucru se poate realiza prin șlefuirea cu atenție a fundului cu hârtie abrazivă fină și apoi lăcuirea acestuia. Va merita efortul? Graficul arată că coeficientul de rezistență la frecare va scădea la z tr = 0,0028 (punctul D), sau cu 30%, ceea ce, desigur, nu poate fi neglijat de un echipaj care mizează pe succes în curse.

Linia B vă permite să estimați rugozitatea admisă a fundului pentru iahturi de diferite dimensiuni și viteze diferite. Se poate observa că odată cu creșterea lungimii și vitezei liniei de plutire, cerințele pentru calitatea suprafeței cresc.

Pentru orientare, prezentăm valorile rugozității (în mm) pentru diferite suprafețe:

lemn, lăcuit și lustruit cu grijă - 0,003-0,005;

lemn, vopsit și șlefuit - 0,02-0,03;

vopsit cu un strat patentat - 0,04-0,C6;

lemn, vopsit cu plumb roșu - 0,15;

tabla obisnuita - 0,5;

fundul crescut cu scoici - până la 4,0.

Am spus deja că pe o parte a lungimii iahtului, pornind de la tulpină, se poate menține un strat limită laminar, cu excepția cazului în care rugozitatea excesivă contribuie la turbulența fluxului. Prin urmare, este deosebit de important să procesați cu atenție prova carenei, toate marginile de intrare ale chilei, aripioarele și cârmele. Pentru dimensiuni transversale mici - coarde - întreaga suprafață a chilei și a cârmei ar trebui să fie șlefuită. În partea din spate a carenei, unde grosimea stratului limită crește, cerințele pentru finisarea suprafeței pot fi oarecum reduse.

Murdărirea fundului cu alge și cochilii are un efect deosebit de puternic asupra rezistenței la frecare. Dacă nu curățați periodic fundul iahturilor care se află în mod constant în apă, atunci după două până la trei luni rezistența la frecare poate crește cu 50-80%, ceea ce echivalează cu o pierdere de viteză la un vânt mediu de 15-25. %.

Rezistenta la forma. Chiar și cu o carenă bine raționalizată, în timpul mișcării, puteți detecta un flux de trezi în care apa face mișcări vortex. Aceasta este o consecință a separării stratului limită de corp la un anumit punct (B în Fig. 14). Poziția punctului depinde de natura modificării curburii suprafeței de-a lungul lungimii corpului. Cu cât contururile capătului pupei sunt mai netede, cu atât mai departe de pupă are loc separarea stratului limită și cu atât se formează mai puține vortexuri.

Cu rapoarte normale dintre lungimea corpului și lățimea, rezistența formei este scăzută. Creșterea sa se poate datora prezenței pomeților ascuțiți, liniilor de carenă rupte, chile profilate incorect, cârme și alte părți proeminente. Rezistența formei crește odată cu scăderea întinderii zonei, a stratului limită laminar, astfel încât este necesar să se îndepărteze depunerile de vopsea, să se reducă rugozitatea, să sigileze adânciturile din piele, să se așeze carenări pe țevile proeminente etc.

Rezistența la valuri. Apariția valurilor lângă carena unei nave în timpul mișcării acesteia este cauzată de acțiunea gravitației lichidului la interfața dintre apă și aer. La capatul prova, acolo unde carena se intalneste cu apa, presiunea creste brusc si apa se ridica la o anumita inaltime. Mai aproape de secțiunea mediană, unde, din cauza expansiunii carenei navei, viteza curgerii crește, presiunea din acesta, conform legii lui Bernoulli, scade și nivelul apei scade. În partea din spate, unde presiunea crește din nou, se formează un al doilea vârf de val. Particulele de apă încep să oscileze în apropierea corpului, ceea ce provoacă oscilații secundare ale suprafeței apei.

Apare un sistem complex de valuri de prora și pupa, care este același în natură pentru navele de orice dimensiune (Fig. 16). La viteze mici, valurile divergente care provin din prova și pupa navei sunt clar vizibile. Crestele lor sunt situate la un unghi de 36-40° față de planul central. La viteze mai mari, sunt eliberate valuri transversale, ale căror creste nu se extind dincolo de sectă/eră, limitate de un unghi de 18-20° față de DP-ul vasului. Sistemele de prova și pupa ale valurilor transversale interacționează între ele, ceea ce poate duce atât la o creștere a înălțimii valului total din spatele pupei navei, cât și la o scădere a acesteia. Pe măsură ce se îndepărtează de navă, energia valurilor este absorbită de mediu și se atenuează treptat.

Cantitatea de rezistență a valurilor variază în funcție de viteza iahtului. Din teoria oscilațiilor se știe că viteza de propagare a undelor este legată de lungimea acestora l raport

Unde p = 3,14; v- viteza iahtului, m/s; g = 9,81 m/s 2 - accelerație datorată gravitației.

Deoarece sistemul de valuri se mișcă cu iahtul, viteza de propagare a undelor este egală cu viteza iahtului.

Dacă vorbim, de exemplu, despre un iaht cu o lungime de-a lungul liniei de plutire de 8 m, atunci la o viteză de 4 noduri vor fi aproximativ trei valuri transversale pe lungimea carenei și la o viteză de 6 noduri - unu si jumatate. Relația dintre lungimea de undă transversală X creată de un corp de lungime Lkvl! deplasându-se cu viteză v, determină în mare măsură valoarea rezistenței undei.

FORȚA MOTORĂ A VÂNTULUI

Site-ul NASA a publicat materiale foarte interesante despre diverși factori care influențează formarea portanței de către aripa unui avion. Există, de asemenea, modele grafice interactive care demonstrează că portanța poate fi generată și de o aripă simetrică din cauza deviației fluxului.

Vela, fiind în unghi față de fluxul de aer, o deviază (Fig. 1d). Trecând prin partea „superioară”, sub vânt, fluxul de aer parcurge o cale mai lungă și, în conformitate cu principiul continuității fluxului, se mișcă mai repede decât din partea „inferioară”. Rezultatul este că presiunea pe partea sub vânt a velei este mai mică decât pe partea sub vânt.

Când navigați pe o șoba, atunci când vela este așezată perpendicular pe direcția vântului, gradul de creștere a presiunii pe partea de vânt este mai mare decât gradul de scădere a presiunii pe partea de vent, cu alte cuvinte, vântul împinge iahtul mai mult decât trage. Pe măsură ce iahtul se transformă mai ascuțit în vânt, acest raport se va schimba. Astfel, dacă vântul bate perpendicular pe cursul iahtului, creșterea presiunii asupra pânzei pe partea de vânt are un efect mai mic asupra vitezei decât scăderea presiunii pe partea sub vânt. Cu alte cuvinte, vela trage iahtul mai mult decât împinge.

Mișcarea iahtului se produce datorită faptului că vântul interacționează cu vela. Analiza acestei interacțiuni duce la rezultate neașteptate pentru mulți începători. Se dovedește că viteza maximă nu este atinsă deloc atunci când vântul suflă direct din spate, iar dorința unui „vânt corect” are o semnificație complet neașteptată.

Atât vela, cât și chila, atunci când interacționează cu fluxul de aer sau respectiv de apă, creează portanță, prin urmare, pentru a optimiza funcționarea lor, se poate aplica teoria aripii.

FORȚA MOTORĂ A VÂNTULUI

Fluxul de aer are energie cinetică și, interacționând cu pânzele, este capabil să miște iahtul. Munca atât a velei, cât și a aripii avionului este descrisă de legea lui Bernoulli, conform căreia o creștere a vitezei de curgere duce la o scădere a presiunii. La mutarea la mediul aerian, aripa împarte fluxul. O parte din ea ocolește aripa de sus, o parte de jos. O aripă de avion este proiectată astfel încât fluxul de aer de deasupra aripii să se miște mai repede decât fluxul de aer de sub partea inferioară a aripii. Rezultatul este că presiunea deasupra aripii este mult mai mică decât dedesubt. Diferența de presiune este forța de ridicare a aripii (Fig. 1a). Datorită formei sale complexe, aripa este capabilă să genereze portanță chiar și atunci când trece printr-un flux care se mișcă paralel cu planul aripii.

Vela poate mișca iahtul numai dacă se află într-un anumit unghi față de flux și îl deviază. Rămâne discutabil cât de multă ridicare se datorează efectului Bernoulli și cât de mult este rezultatul devierii fluxului. Conform teoriei clasice a aripii, portanța apare numai ca urmare a diferenței de viteze de curgere deasupra și dedesubtul unei aripi asimetrice. În același timp, este bine cunoscut faptul că o aripă simetrică este capabilă să creeze portanță dacă este instalată la un anumit unghi față de flux (Fig. 1b). În ambele cazuri, unghiul dintre linia care leagă punctele din față și din spate ale aripii și direcția curgerii se numește unghi de atac.

Ridicarea crește odată cu creșterea unghiului de atac, dar această relație funcționează doar la valori mici ale acestui unghi. De îndată ce unghiul de atac depășește un anumit nivel critic și fluxul se blochează, pe suprafața superioară a aripii se formează numeroase vârtejuri, iar forța de susținere scade brusc (Fig. 1c).

Iahtistii stiu ca jibe nu este cel mai rapid curs. Dacă vântul de aceeași putere suflă la un unghi de 90 de grade față de direcție, iahtul se mișcă mult mai repede. Pe un curs de șobare, forța cu care vântul apasă pe vela depinde de viteza iahtului. Cu forță maximă, vântul apasă pe vela unui iaht care stă nemișcat (Fig. 2a). Pe măsură ce viteza crește, presiunea asupra pânzei scade și devine minimă atunci când iahtul atinge viteza maximă (Fig. 2b). Viteza maximă pe un traseu de șoc este întotdeauna mai mică decât viteza vântului. Există mai multe motive pentru aceasta: în primul rând, frecarea în timpul oricărei mișcări, o parte din energie este cheltuită pentru depășirea diferitelor forțe care împiedică mișcarea; Dar principalul lucru este că forța cu care vântul apasă pe pânză este proporțională cu pătratul vitezei vântului aparent, iar viteza vântului aparent pe un curs de șoc este egală cu diferența dintre viteza vântului aparent. vântul adevărat și viteza iahtului.

Cu un curs de vânt din golf (la 90º față de vânt), iahturile cu vele se pot mișca mai repede decât vântul. În acest articol, nu vom discuta despre caracteristicile vântului aparent, vom observa doar că pe un curs de golf, forța cu care vântul apasă pe pânze depinde într-o măsură mai mică de viteza iahtului (Fig. 2c; ).

Principalul factor care previne creșterea vitezei este frecarea. Prin urmare, ambarcațiunile cu pânze cu rezistență redusă la mișcare sunt capabile să atingă viteze mult mai mari decât viteza vântului, dar nu pe un traseu de șoc. De exemplu, o barcă, datorită faptului că patinele au o rezistență neglijabilă la alunecare, este capabilă să accelereze până la o viteză de 150 km/h cu o viteză a vântului de 50 km/h sau chiar mai puțin.

Fizica navigației explicată: o introducere

ISBN 1574091700, 9781574091700

Nu mai puțin importantă decât rezistența carenei este forța de tracțiune dezvoltată de pânze. Pentru a ne imagina mai clar munca velelor, să ne familiarizăm cu conceptele de bază ale teoriei velei.

Am vorbit deja despre principalele forțe care acționează asupra pânzelor unui iaht care navighează cu vânt în spate (curs de vânt) și vânt față (în spatele cursului vântului). Am aflat că forța care acționează asupra pânzelor poate fi descompusă în forța care face ca iahtul să se rostogolească și să se deplaseze în sensul vântului, forța de deriva și forța de tracțiune (vezi Fig. 2 și 3).

Acum să vedem cum se determină forța totală a presiunii vântului asupra pânzelor și de ce depind forțele de tracțiune și deriva.

Pentru a imagina funcționarea unei pânze pe cursuri ascuțite, este convenabil să luăm în considerare mai întâi o velă plată (Fig. 94), care experimentează presiunea vântului la un anumit unghi de atac. În acest caz, se formează vârtejuri în spatele pânzei, forțele de presiune apar pe partea de vânt, iar forțele de rarefacție apar pe partea sub vânt. R rezultatul lor este îndreptat aproximativ perpendicular pe planul pânzei. Pentru a înțelege corect funcționarea unei pânze, este convenabil să ne imaginăm ca rezultanta a două forțe componente: X-direcționat paralel cu fluxul de aer (vânt) și Y-direcționat perpendicular pe acesta.

Forța X îndreptată paralel cu fluxul de aer se numește forță de rezistență; Este creat, pe lângă velă, și de carenă, tachelaj, spate și echipajul iahtului.

Forța Y direcționată perpendicular pe fluxul de aer se numește portanță în aerodinamică. Acesta este cel care creează tracțiune în direcția de mișcare a iahtului pe curse ascuțite.

Dacă, cu aceeași rezistență a pânzei X (Fig. 95), forța de sustentație crește, de exemplu, la valoarea Y1, atunci, așa cum se arată în figură, rezultanta forței de portanță și rezistență se va modifica cu R și , în consecință, forța de împingere T va crește la T1.

O astfel de construcție face ușor să se verifice că odată cu creșterea rezistenței X (la aceeași forță de ridicare), forța T scade.

Astfel, există două modalități de a crește forța de tracțiune și, prin urmare, viteza pe curse ascuțite: creșterea forței de ridicare a velei și reducerea rezistenței de rezistență a velei și a iahtului.

În modern navigarea forța de ridicare a pânzei este mărită dându-i o formă concavă cu oarecare „burtă” (Fig. 96): dimensiunea de la catarg până la cea mai mare. loc adânc„Pântecul” este de obicei de 0,3-0,4 din lățimea pânzei, iar adâncimea „burtei” este de aproximativ 6-10% din lățime. Forța de ridicare a unei astfel de pânze este cu 20-25% mai mare decât cea a unei pânze complet plat, cu aproape aceeași rezistență. Adevărat, un iaht cu pânze plate navighează puțin mai abrupt în vânt. Cu toate acestea, cu pânze cu burtă, viteza de avans în vira este mai mare din cauza împingerii mai mari.

Orez. 96. Profil sail

Rețineți că la velele cu burtă crește nu doar forța de forță, ci și forța de deriva, ceea ce înseamnă că ruliu și deriva iahturilor cu vele cu burtă este mai mare decât la cele relativ plate. Prin urmare, o „umflare” a pânzei de mai mult de 6-7% în vânturi puternice este neprofitabilă, deoarece o creștere a călcâiului și a derivei duce la o creștere semnificativă a rezistenței carenei și la o scădere a eficienței pânzelor, care „mănâncă” efectul creșterii forței. În vânturi slabe, pânzele cu o „burtă” de 9-10% trag mai bine, deoarece din cauza presiunii totale scăzute a vântului asupra velei, călcâiul este mic.

Orice velă la unghiuri de atac mai mari de 15-20°, adică atunci când iahtul se îndreaptă cu 40-50° față de vânt sau mai mult, poate reduce portanța și crește rezistența, deoarece se formează turbulențe semnificative pe partea sub vânt. Și deoarece partea principală a forței de ridicare este creată de o curgere lină, fără turbulențe în jurul părții sub vânt a pânzei, distrugerea acestor vârtejuri ar trebui să aibă un efect mare.

Turbulența care se formează în spatele vela mare este distrusă prin reglarea focului (Fig. 97). Fluxul de aer care intră în spațiul dintre vela mare și braț își mărește viteza (așa-numitul efect de duză) și, atunci când brațul este reglat corect, „linge” vârtejurile din vela mare.

Orez. 97. Lucru cu focul

Profilul unei pânze moale este greu de menținut constant la diferite unghiuri de atac. Anterior, canotele aveau șipci care străbăteau întreaga vela - erau făcute mai subțiri în „burtă” și mai groase către flutura, unde vela este mult mai plată. În zilele noastre, prin șipci sunt instalate în principal pe bărci de gheață și catamarane, unde este deosebit de important să se mențină profilul și rigiditatea velei la unghiuri mici de atac, atunci când o velă obișnuită se fixează deja de-a lungul fluierului.

Dacă sursa de ridicare este doar vela, atunci forța este creată de tot ceea ce ajunge în fluxul de aer care curge în jurul iahtului. Prin urmare, îmbunătățirea proprietăților de tracțiune ale pânzei poate fi realizată și prin reducerea rezistenței la rezistență a carenei, catargului, tachelarului și echipajului iahtului. În acest scop, pe spate și tachelaj sunt folosite diverse tipuri de carene.

Cantitatea de rezistență a unei pânze depinde de forma acesteia. Conform legilor aerodinamicii, rezistența unei aripi de avion este mai mică, cu atât este mai îngustă și mai lungă pentru aceeași zonă. De aceea ei încearcă să facă vela (în esență aceeași aripă, dar plasată vertical) înaltă și îngustă. Acest lucru vă permite, de asemenea, să utilizați vântul superior.

Dragul unei pânze depinde în mare măsură de starea muchiei sale de atac. Pânzele tuturor pânzelor trebuie acoperite strâns pentru a preveni posibilitatea vibrațiilor.

Este necesar să menționăm încă o circumstanță foarte importantă - așa-numita centrare a pânzelor.

Din mecanică se știe că orice forță este determinată de mărimea, direcția și punctul ei de aplicare. Până acum am vorbit doar despre mărimea și direcția forțelor aplicate pânzei. După cum vom vedea mai târziu, cunoașterea punctelor de aplicare este de mare importanță pentru înțelegerea funcționării pânzelor.

Presiunea vântului este distribuită neuniform pe suprafața velei (partea sa din față suferă mai multă presiune), totuși, pentru a simplifica calculele comparative, se presupune că este distribuită uniform. Pentru calcule aproximative, se presupune că forța rezultantă a presiunii vântului asupra pânzelor este aplicată într-un punct; centrul de greutate al suprafeței pânzelor este luat ca acesta atunci când sunt plasate în planul central al iahtului. Acest punct se numește centrul velei (CS).

Să ne concentrăm pe cea mai simplă metodă grafică pentru determinarea poziției CPU (Fig. 98). Desenați zona velei a iahtului pe scara necesară. Apoi, la intersecția medianelor - linii care leagă vârfurile triunghiului cu punctele medii ale laturilor opuse - se găsește centrul fiecărei pânze. După ce au obținut astfel în desen centrele O și O1 ale celor două triunghiuri care alcătuiesc vela mare și brațul, trageți două linii paralele OA și O1B prin aceste centre și așezați pe ele în direcții opuse, în orice, dar la aceeași scară ca multe linii liniare. unități ca metri pătrați în triunghi; zona brațului este trasată din centrul pânzei mari, iar zona brațului este trasată din centrul pânzei. Punctele de capăt A și B sunt legate printr-o dreaptă AB. O altă linie dreaptă - O1O conectează centrele triunghiurilor. La intersecția dreptelor A B și O1O va exista un centru comun.

Orez. 98. Metoda grafică de găsire a centrului velei

După cum am spus deja, forța de deriva (o vom considera aplicată în centrul pânzei) este contracarată de forța de rezistență laterală a carenei iahtului. Forța de rezistență laterală este considerată a fi aplicată la centrul rezistenței laterale (CLR). Centrul de rezistență laterală este centrul de greutate al proiecției părții subacvatice a iahtului pe planul central.

Centrul de rezistență laterală poate fi găsit prin tăierea conturului părții subacvatice a iahtului din hârtie groasă și plasarea acestui model pe o lamă de cuțit. Când modelul este echilibrat, apăsați ușor, apoi rotiți-l la 90° și echilibrați-l din nou. Intersecția acestor linii ne oferă centrul rezistenței laterale.

Când iahtul navighează fără călcare, CP ar trebui să se afle pe aceeași linie dreaptă verticală cu CB (Fig. 99). Dacă CP se află în fața stației centrale (Fig. 99, b), atunci forța de derivă, deplasată înainte în raport cu forța de rezistență laterală, transformă prova navei în vânt - iahtul cade. Dacă CPU se află în spatele stației centrale, iahtul își va întoarce prova în fața vântului sau va fi condus (Fig. 99, c).

Orez. 99. Alinierea iahtului

Atât ajustarea excesivă la vânt, cât și mai ales blocarea (centrarea necorespunzătoare) sunt dăunătoare navigării iahtului, deoarece îl obligă pe cârmaci să lucreze constant cârma pentru a menține dreptatea, iar acest lucru crește rezistența carenei și reduce viteza navei. În plus, alinierea incorectă duce la deteriorarea controlabilității și, în unele cazuri, la pierderea completă a acesteia.

Dacă centrem iahtul așa cum se arată în Fig. 99, și, adică CPU și stația centrală vor fi pe aceeași verticală, apoi nava va fi condusă foarte puternic și va deveni foarte greu să o controlezi. Ce s-a întâmplat? Există două motive principale aici. În primul rând, adevărata locație a CPU și a sistemului nervos central nu coincide cu cea teoretică (ambele centri sunt deplasați înainte, dar nu în mod egal).

În al doilea rând, și acesta este principalul lucru, la înclinare, forța de tracțiune a pânzelor și forța de rezistență longitudinală a carenei se află în diferite planuri verticale(Fig. 100), se dovedește ca o pârghie care obligă iahtul să fie condus. Cu cât ruliu este mai mare, cu atât vasul este mai predispus la înclinare.

Pentru a elimina o astfel de aducție, CP este plasat în fața sistemului nervos central. Momentul de tracțiune și rezistența longitudinală care apare odată cu ruliu, forțând iahtul să fie condus, este compensat de momentul de captare a forțelor de deriva și rezistența laterală atunci când CP este situat în față. Pentru o buna centrare, CP-ul trebuie plasat in fata CB la o distanta egala cu 10-18% din lungimea iahtului de-a lungul liniei de plutire. Cu cât iahtul este mai puțin stabil și cu cât CPU este ridicat deasupra stației centrale, cu atât mai mult trebuie mutat la prova.

Pentru ca iahtul să aibă mișcare bună, trebuie să fie centrat, adică să pună CPU și sistemul central de direcție într-o poziție în care nava pe un curs apropiat, într-un vânt ușor, era complet echilibrată de pânze, cu alte cuvinte, era stabilă pe cursă cu cârma aruncată sau fixată în DP (este permisă o ușoară tendință de cădere când vântul foarte slab), iar la vânturile mai puternice avea tendința de a se deplasa. Fiecare timonier trebuie să fie capabil să centreze corect iahtul. Pe majoritatea iahturilor, tendința de rulare crește dacă pânzele din spate sunt revizuite și cele din față sunt slăbite. Dacă pânzele din față sunt revizuite și cele din spate sunt deteriorate, nava se va scufunda. Odată cu o creștere a „belei” a pânzei mari, precum și a pânzelor prost poziționate, iahtul tinde să fie condus într-o măsură mai mare.

Orez. 100. Influența călcâiului asupra aducerii iahtului în vânt

Mișcarea unui iaht cu vele în vânt este de fapt determinată de simpla presiune a vântului pe vela sa, împingând nava înainte. Cu toate acestea, cercetările în tunelul de vânt au arătat că navigarea în sensul vântului expune vela la un set mai complex de forțe.

Când aerul de intrare curge în jurul suprafeței concave din spate a velei, viteza aerului scade, în timp ce atunci când curge în jurul suprafeței frontale convexe a velei, această viteză crește. Ca urmare, se formează o zonă de presiune ridicată pe suprafața din spate a velei și o zonă de presiune scăzută pe suprafața frontală. Diferența de presiune pe cele două părți ale velei creează o forță de tragere (împingere) care mișcă iahtul înainte într-un unghi față de vânt.

Un iaht cu vele situat aproximativ în unghi drept față de vânt (în terminologia nautică, iahtul este virat) se deplasează rapid înainte. Vela este supusă forțelor de tragere și laterale. Dacă un iaht cu vele navighează într-un unghi ascuțit față de vânt, viteza acestuia încetinește din cauza scăderii forței de tragere și a creșterii forței laterale. Cu cât vela este întoarsă mai mult spre pupa, cu atât iahtul se deplasează mai lent înainte, în special datorită forței laterale mari.

Un iaht cu vele nu poate naviga direct în vânt, dar se poate deplasa înainte făcând o serie de mișcări scurte în zig-zag la un unghi față de vânt, numite virate. Dacă vântul bate spre partea stângă (1), se spune că iahtul navighează pe vira babord, dacă suflă spre tribord (2), se spune că navighează pe vira tribord; Pentru a parcurge distanța mai repede, iahtmanul încearcă să mărească viteza iahtului până la limită, ajustând poziția pânzei sale, așa cum se arată în figura de mai jos din stânga. Pentru a minimiza abaterea laterală de la o linie dreaptă, iahtul se mișcă, schimbând cursul de la vira tribord la babord și invers. Când iahtul își schimbă cursul, vela este aruncată pe cealaltă parte, iar când planul său coincide cu linia vântului, fluturează ceva timp, adică. este inactiv (imaginea din mijloc sub text). Iahtul se găsește în așa-numita zonă moartă, pierzând viteza până când vântul umflă din nou vela din direcția opusă.

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 toată suprafața 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 faţă 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 chilă și forța S, îndreptată înainte, de-a lungul liniei de chilă a navei. Întrucât mișcarea navei este în direcție Rîntâlnește o rezistență puternică la apă (chila în interior nave cu vele devine foarte adânc), apoi puterea 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.

 

Ar putea fi util să citiți:

• Cum să mergi într-o excursie în Antarctica?;
• Cehia Castelul Troia. Castelul Troia din Praga. Cramă și muzeu antic;
• Böcklin și „insula morților” sa Un fenomen cultural al vremii sale;
• Bilete de avion în Crimeea Biletele de avion în Crimeea vor deveni mai ieftine;
• Ce poți și ce nu poți lua cu tine;
• Deschideți meniul din stânga Heviz Cum să ajungeți de la Budapesta la Lacul Heviz;
• Telecabină în Nha Trang (Vinpearl) Cea mai lungă telecabină din lume Vietnam;
• Cetatea Kamenets-Podolsk - un monument istoric al Ucrainei Viața în afara zidurilor cetății Kamenets-Podolsk;