Princíp plachetníc pohybujúcich sa proti vetru. Sily pôsobiace na trup a plachty jachty. Teraz sa pozrime, ako fungujú plachty na jachte

Ruský básnik Michail Jurijevič Lermontov miloval more a často ho spomínal vo svojich dielach. Napísal úžasnú báseň o bielení plachtiť, ktorý sa rúti medzi vlnami v ďalekých morských oblastiach. Pravdepodobne poznáte Lermontovovu báseň, pretože toto sú najznámejšie básne o plachetniciach. Pri ich čítaní si môžete predstaviť rozbúrené more a nádherné lode medzi jeho vlnami. Vietor napĺňa plachty. A vďaka sile vetra sa lode pohybujú vpred. Ako však plachetnice zvládajú plavbu proti vetru?

Aby ste na to mohli odpovedať, musíte sa najprv naučiť neznáme slovo "pripnúť".Galsom Smer pohybu lode vzhľadom na vietor sa nazýva. Smer môže byť ľavý, keď vietor fúka zľava, alebo pravobok, keď vietor fúka sprava. Je dôležité poznať druhý význam slova „cvak“ - je to časť cesty, alebo skôr jej segment, ktorým plachetnica prechádza, keď sa pohybuje. proti vetru. Pamätáš si?

Teraz, aby sme pochopili, ako plachetnice dokážu plávať proti vetru, pozrime sa na plachty. Prichádzajú v rôznych tvaroch a veľkostiach na plachetnici - rovné a šikmé. A každý robí svoju prácu. Keď fúka protivietor, loď sa riadi pomocou šikmých plachiet, ktoré sa otáčajú najskôr na jednu a potom na druhú stranu.

Po nich sa loď otáča jedným alebo druhým smerom. Otočí sa a kráča vpred. Námorníci nazývajú toto hnutie - pohybujúce sa na striedavých smeroch. Jeho podstatou je, že vietor tlačí na šikmé plachty a fúka loď mierne do strán a dopredu. Kormidlo plachetnice jej nedovoľuje úplne sa otočiť a zruční námorníci dávajú plachty včas do pohybu a menia svoju polohu. Takže v malých cikcakoch sa to posúva dopredu.

Samozrejme, pohyb na striedavých vetroch je veľmi náročná úloha pre celú posádku plachetnice. Ale námorníci sú ostrieľaní chlapi. Neboja sa ťažkostí a veľmi milujú more.

"Zadný vietor!" - prajú všetkým námorníkom a je to úplne márne: keď vietor fúka od kormy, jachta nie je schopná dosiahnuť maximálnu rýchlosť. Pomohol mi vytvoriť tento diagram Vadim Ždan, profesionálny skipper, pretekár, organizátor a moderátor jachtové regaty.Prečítajte si popisy na diagrame, aby ste na to prišli.

2. Ťah plachty vzniká v dôsledku dvoch faktorov. Po prvé, vietor jednoducho tlačí na plachty. Po druhé, šikmé plachty inštalované na väčšine moderných jácht, keď okolo nich prúdi vzduch, pôsobia ako krídlo lietadla, len nie sú nasmerované nahor, ale dopredu. Kvôli zvláštnostiam aerodynamiky sa vzduch z konvexnej strany plachty pohybuje rýchlejšie ako z konkávnej strany a tlak z vonku Plachtičiek je menej ako pri vnútornej.

3. Celková sila vytvorená plachtou smeruje kolmo na plátno. Podľa pravidla sčítania vektorov je možné rozlíšiť driftovú silu (červená šípka) a ťažnú silu (zelená šípka).

5. Aby sa jachta plavila striktne proti vetru, obracia sa: jednou alebo druhou stranou sa otočí smerom k vetru a pohybuje sa vpred po segmentoch - cvočky. Ako dlhé by mali byť cvočky a pod akým uhlom by mal byť vietor – dôležité otázky taktiky kapitánov.

9. Gulfwind- vietor fúka kolmo na smer pohybu.

11. Fordewind– ten istý zadný vietor fúka od kormy. Na rozdiel od očakávaní to nie je najrýchlejší kurz: tu sa nevyužíva zdvíhacia sila plachty a teoretický limit rýchlosti nepresahuje rýchlosť vetra. Skúsený skipper dokáže predpovedať neviditeľné prúdy vzduchu rovnakým spôsobom


Nemenej dôležitá ako odpor trupu je ťažná sila vyvinutá plachtami. Aby sme si jasnejšie predstavili prácu plachiet, zoznámime sa so základnými pojmami teórie plachiet.

Už sme hovorili o hlavných silách pôsobiacich na plachty jachty plaviacej sa so zadným vetrom (kurz jibed) a protivetrom (kurz za vetrom). Zistili sme, že sila pôsobiaca na plachty sa dá rozložiť na silu, ktorá spôsobuje, že sa jachta odvaľuje a unáša po vetre, na silu na unášanie a na ťažnú silu (pozri obr. 2 a 3).

Teraz sa pozrime, ako sa určuje celková sila tlaku vetra na plachty a od čoho závisia sily ťahu a driftu.

Aby sme si predstavili fungovanie plachty na ostrých kurzoch, je vhodné najskôr uvažovať o plochej plachte (obr. 94), na ktorú pôsobí tlak vetra pod určitým uhlom nábehu. V tomto prípade sa za plachtou vytvárajú víry, na náveternej strane vznikajú tlakové sily a na záveternej strane riediace sily. Ich výsledné R smeruje približne kolmo na rovinu plachty. Aby sme správne pochopili fungovanie plachty, je vhodné si ju predstaviť ako výsledok dvoch zložiek síl: X-smerovaná rovnobežne s prúdením vzduchu (vietor) a Y-nasmerovaná kolmo naň.

Sila X smerujúca rovnobežne s prúdom vzduchu sa nazýva odporová sila; Tvorí ju okrem plachty aj trup, takeláž, rahná a posádka jachty.

Sila Y smerujúca kolmo na prúdenie vzduchu sa v aerodynamike nazýva vztlak. Práve to vytvára ťah v smere pohybu jachty na ostrých kurzoch.

Ak pri rovnakom odpore plachty X (obr. 95) vztlaková sila vzrastie napríklad na hodnotu Y1, potom, ako je znázornené na obrázku, sa výslednica vztlakovej sily a odporu zmení o R a v súlade s tým sa prítlačná sila T zvýši na T1.

Takáto konštrukcia umožňuje ľahko overiť, že so zvýšením odporu X (pri rovnakej zdvíhacej sile) klesá ťah T.

Existujú teda dva spôsoby, ako zvýšiť ťažnú silu, a teda aj rýchlosť na ostrých kurzoch: zvýšenie zdvíhacej sily plachty a zníženie odporu plachty a jachty.

V modernom plachtenie zdvíhacia sila plachty sa zvyšuje tým, že jej dáva konkávny tvar s určitým „bruchom“ (obr. 96): veľkosť od sťažňa po najväčšiu hlboké miesto"Brucho" je zvyčajne 0,3-0,4 šírky plachty a hĺbka "brucho" je asi 6-10% šírky. Zdvíhacia sila takejto plachty je o 20-25% väčšia ako sila úplne plochej plachty s takmer rovnakým odporom. Pravda, jachta s plochými plachtami sa plaví trochu strmšie do vetra. Avšak s brušnými plachtami je rýchlosť postupu do smeru väčšia vďaka väčšiemu ťahu.


Ryža. 96. Profil plachty

Všimnite si, že u plachiet s bruchom sa zvyšuje nielen ťah, ale aj sila driftu, čo znamená, že náklon a drift jácht s bruchovitými plachtami je väčší ako u relatívne plochých. Preto je „vydutie“ plachty viac ako 6-7% pri silnom vetre nerentabilné, pretože zvýšenie náklonu a driftu vedie k výraznému zvýšeniu odporu trupu a zníženiu účinnosti plachiet, ktoré „požierajú“ efekt zvýšenia ťahu. Pri slabom vetre plachty s „bruchom“ 9-10% ťahajú lepšie, pretože kvôli nízkemu celkovému tlaku vetra na plachtu je päta malá.

Akákoľvek plachta s uhlom nábehu väčším ako 15-20°, to znamená, keď jachta smeruje 40-50° k vetru alebo viac, môže znížiť vztlak a zvýšiť odpor, pretože na záveternej strane sa vytvárajú značné turbulencie. A keďže hlavnú časť vztlakovej sily tvorí plynulé, neturbulentné prúdenie okolo záveternej strany plachty, deštrukcia týchto vírov by mala mať veľký efekt.

Turbulencie, ktoré sa tvoria za hlavnou plachtou, sa zničia nastavením výložníka (obr. 97). Prúd vzduchu vstupujúci do medzery medzi hlavnou plachtou a výložníkom zvyšuje svoju rýchlosť (tzv. tryskový efekt) a pri správnom nastavení výložníka „olizuje“ víry z hlavnej plachty.


Ryža. 97. Výložníková práca

Profil mäkkej plachty je ťažké udržať konštantný pri rôznych uhloch nábehu. Predtým mali člny laty prechádzajúce cez celú plachtu - robili sa tenšie v „bruchu“ a hrubšie smerom k lemu, kde je plachta oveľa plochejšia. V dnešnej dobe sa priechodné laty inštalujú hlavne na ľadové člny a katamarány, kde je obzvlášť dôležité zachovať profil a tuhosť plachty pri nízkych uhloch nábehu, kedy sa už bežná plachta viaže pozdĺž lemu.

Ak je zdrojom vztlaku iba plachta, odpor vytvára všetko, čo sa dostane do prúdu vzduchu prúdiaceho okolo jachty. Zlepšenie trakčných vlastností plachty je preto možné dosiahnuť aj znížením odporu trupu, sťažňa, takeláže a posádky jachty. Na tento účel sa na nosníku a takeláži používajú rôzne typy aerodynamických krytov.

Veľkosť odporu na plachte závisí od jej tvaru. Podľa zákonov aerodynamiky je odpor krídla lietadla nižší, čím užší a dlhší na rovnakú plochu. Preto sa snažia, aby bola plachta (v podstate rovnaké krídlo, ale umiestnené vertikálne) vysoká a úzka. To tiež umožňuje použiť horný vietor.

Odpor plachty do značnej miery závisí od stavu jej nábežnej hrany. Predné strany všetkých plachiet by mali byť pevne zakryté, aby sa predišlo možnosti vibrácií.

Je potrebné spomenúť ešte jednu veľmi dôležitú okolnosť - takzvané centrovanie plachiet.

Z mechaniky je známe, že každá sila je určená jej veľkosťou, smerom a miestom pôsobenia. Doteraz sme hovorili len o veľkosti a smere síl pôsobiacich na plachtu. Ako uvidíme neskôr, znalosť aplikačných bodov má veľký význam pre pochopenie fungovania plachiet.

Tlak vetra je po povrchu plachty rozložený nerovnomerne (na jeho prednú časť pôsobí väčší tlak), avšak pre zjednodušenie porovnávacích výpočtov sa predpokladá, že je rozložený rovnomerne. Pre približné výpočty sa predpokladá, že výsledná sila tlaku vetra na plachty sa aplikuje na jeden bod; ťažisko povrchu plachiet sa považuje za také, keď sú umiestnené v stredovej rovine jachty. Tento bod sa nazýva stred plachty (CS).

Zamerajme sa na najjednoduchšiu grafickú metódu určenia polohy CPU (obr. 98). Nakreslite plochu plachty jachty v požadovanej mierke. Potom sa na priesečníku stredníc - čiar spájajúcich vrcholy trojuholníka so stredmi protiľahlých strán - nachádza stred každej plachty. Keď takto získate na výkrese stredy O a O1 dvoch trojuholníkov, ktoré tvoria hlavnú plachtu a pevnú plachtu, nakreslite cez tieto stredy dve rovnobežné čiary OA a O1B a položte na ne v opačných smeroch v ľubovoľnej, ale rovnakej mierke ako mnoho lineárnych jednotky ako štvorcové metre v trojuholníku; Zo stredu hlavnej plachty sa odloží oblasť ramena a zo stredu ramena - oblasť hlavnej plachty. Koncové body A a B sú spojené priamkou AB. Ďalšia priamka - O1O spája stredy trojuholníkov. Na priesečníku priamok A B a O1O bude spoločný stred.


Ryža. 98. Grafická metóda hľadania stredu plachty

Ako sme už povedali, driftová sila (budeme ju považovať za aplikovanú v strede plachty) pôsobí proti bočnému odporu trupu jachty. Sila bočného odporu sa považuje za pôsobiacu v strede bočného odporu (CLR). Stredom bočného odporu je ťažisko priemetu podvodnej časti jachty na stredovú rovinu.

Stred bočného odporu nájdete vystrihnutím obrysu podvodnej časti jachty z hrubého papiera a umiestnením tohto modelu na čepeľ noža. Keď je model vyvážený, zľahka ho zatlačte, potom ho otočte o 90° a znova vyvážte. Priesečník týchto čiar nám dáva stred bočného odporu.

Kedy prichádza jachta bez rolovania by mal CPU ležať na rovnakej vertikálnej priamke s centrálnym stredom (obr. 99). Ak CP leží pred centrálnou stanicou (obr. 99, b), potom driftová sila, posunutá dopredu vzhľadom na silu bočného odporu, otočí predok plavidla do vetra - jachta spadne. Ak je CPU za centrálnou stanicou, jachta sa otočí pred vetrom alebo bude riadená (obr. 99, c).


Ryža. 99. Zarovnanie jachty

Prílišné prispôsobovanie sa vetru a najmä zastavenie (nesprávne vycentrovanie) sú škodlivé pre plachtenie jachty, pretože nútia kormidelníka neustále pracovať s kormidlom, aby udržal rovnosť, čo zvyšuje odpor trupu a znižuje rýchlosť plavidla. Nesprávne zarovnanie navyše vedie k zhoršeniu ovládateľnosti a v niektorých prípadoch k jej úplnej strate.

Ak jachtu vycentrujeme, ako je znázornené na obr. 99, a to znamená, že CPU a centrálny riadiaci systém budú v rovnakej vertikále, potom bude loď poháňaná veľmi silno a bude veľmi ťažké ju ovládať. Čo sa deje? Sú tu dva hlavné dôvody. Po prvé, skutočné umiestnenie CPU a centrálneho nervového systému sa nezhoduje s teoretickým (obe centrá sú posunuté dopredu, ale nie rovnako).

Po druhé, a to je hlavná vec, pri náklone sa ukáže, že ťažná sila plachiet a sila pozdĺžneho odporu trupu ležia v rôznych smeroch. vertikálne roviny(obr. 100), vyzerá ako páka, ktorá núti jachtu poháňať. Čím väčší je náklon, tým je plavidlo náchylnejšie na sklon.

Na odstránenie takejto addukcie sa CP umiestni pred centrálny nervový systém. Moment ťahu a pozdĺžneho odporu, ktorý vzniká pri náklone, ktorý núti jachtu poháňať, je kompenzovaný zachytávacím momentom driftových síl a bočným odporom, keď je CP umiestnený vpredu. Pre dobré centrovanie musí byť CP umiestnený pred CB vo vzdialenosti rovnajúcej sa 10-18% dĺžky jachty pozdĺž vodorysky. Čím je jachta menej stabilná a čím vyššie je CPU zdvihnuté nad centrálny stred, tým viac ju treba posunúť do provy.

Tak, že jachta má dobrý ťah musí byť vycentrovaný, to znamená dať CPU a centrálny riadiaci systém do polohy, v ktorej bola loď na ostro proti smeru v miernom vetre úplne vyvážená plachtami, inými slovami, bola stabilná na kurze s vychýleným alebo fixovaným kormidlom v DP (mierna tendencia padať pri veľmi slabom vetre) a pri silnejšom vetre mala tendenciu unášať sa. Každý kormidelník musí vedieť správne vycentrovať jachtu. Na väčšine jácht sa tendencia pretáčania zvyšuje, ak sú zadné plachty repasované a predné plachty sú uvoľnené. Ak dôjde k generálnej oprave predných plachiet a poškodeniu zadných plachiet, loď sa potopí. S nárastom „bruchovitosti“ hlavnej plachty, ako aj zle umiestnených plachiet má jachta tendenciu byť vo väčšej miere poháňaná.


Ryža. 100. Vplyv päty na privádzanie jachty do vetra

Je ťažké si predstaviť, ako môžu plachetnice ísť „proti vetru“ - alebo, ako hovoria námorníci, ísť „na blízko“. Je pravda, že námorník vám povie, že nemôžete plávať priamo proti vetru, ale môžete sa pohybovať iba v ostrom uhle voči smeru vetra. Ale tento uhol je malý - asi štvrtina pravého uhla - a zdá sa, že možno rovnako nepochopiteľné: či plávať priamo proti vetru alebo pod uhlom 22°.

V skutočnosti to však nie je ľahostajné a my si teraz vysvetlíme, ako sa k nemu dá silou vetra pohnúť pod miernym uhlom. Najprv sa pozrime, ako všeobecne pôsobí vietor na plachtu, teda kam plachtu tlačí, keď na ňu fúka. Pravdepodobne si myslíte, že vietor vždy tlačí plachtu smerom, ktorým fúka. Ale nie je to tak: kdekoľvek vietor fúka, tlačí plachtu kolmo na rovinu plachty. Skutočne: nechajte vietor fúkať v smere označenom šípkami na obrázku nižšie; riadok AB označuje plachtu.


Vietor vždy tlačí plachtu v pravom uhle k jej rovine.

Keďže vietor tlačí rovnomerne na celú plochu plachty, nahrádzame tlak vetra silou R pôsobiacou na stred plachty. Rozdeľme túto silu na dve časti: silu Q, kolmo na plachtu a sila P smerujúca pozdĺž nej (pozri obrázok vyššie vpravo). Posledná sila nikam netlačí plachtu, keďže trenie vetra o plátno je zanedbateľné. Sila zostáva Q, ktorý k nej tlačí plachtu v pravom uhle.

Keď to vieme, ľahko pochopíme, ako môže plachetnica plávať v ostrom uhle smerom k vetru. Nechajte linku QC znázorňuje kýlovú líniu lode.


Ako sa môžete plaviť proti vetru?

Vietor fúka v ostrom uhle k tejto čiare v smere označenom sériou šípok. Linka AB zobrazuje plachtu; je umiestnená tak, že jej rovina rozpolí uhol medzi smerom kýlu a smerom vetra. Sledujte rozloženie síl na obrázku. Predstavujeme silu vetra na plachte Q, o ktorej vieme, že by mala byť kolmá na plachtu. Rozdeľme túto silu na dve časti: silu R, kolmo na kýl, a sila S smerujú dopredu pozdĺž línie kýlu plavidla. Keďže pohyb lode je v smere R spĺňa silnú odolnosť proti vode (kýl u plachetníc je vyrobený veľmi hlboko), potom sila R takmer úplne vyvážené vodeodolnosťou. Zostáva len sila S, ktorý, ako vidíte, smeruje dopredu a teda pohybuje loďou pod uhlom, akoby proti vetru. [Dá sa dokázať, že sila S dostane najväčšiu hodnotu, keď rovina plachty rozpolí uhol medzi smermi kýlu a vetra.]. Typicky sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa takýto pohyb lode nazýva „prichytávanie“ v prísnom zmysle slova.

Pokračujeme v sérii publikácií, ktoré pripravuje interaktívny populárno-vedecký blog „Vysvetlím za dve minúty“. Blog hovorí o jednoduchých aj zložitých veciach, ktoré nás každý deň obklopujú a nevyvolávajú žiadne otázky, kým sa nad nimi nezamyslíme. Môžete tam napríklad zistiť, ako vesmírne lode neminú a nezrážajú sa s ISS pri dokovaní.

1. Plávať striktne proti vetru sa nedá. Ak však vietor fúka spredu, ale mierne pod uhlom, jachta sa môže pohnúť. V takýchto prípadoch sa hovorí, že loď pláva ostrým kurzom.


2. Ťah plachty vytvárajú dva faktory. Po prvé, vietor jednoducho tlačí na plachty. Po druhé, šikmé plachty inštalované na väčšine moderných jácht, keď okolo nich prúdi vzduch, fungujú ako krídlo lietadla a vytvárajú „zdvíhaciu silu“, len nie sú nasmerované nahor, ale dopredu. Vďaka aerodynamike sa vzduch na konvexnej strane plachty pohybuje rýchlejšie ako na konkávnej strane a tlak na vonkajšej strane plachty je menší ako na vnútornej.


3. Celková sila vytvorená plachtou smeruje kolmo na plátno. Podľa pravidla sčítania vektorov je možné rozlíšiť driftovú silu (červená šípka) a ťažnú silu (zelená šípka).


4. Na ostrých kurzoch je sila driftu veľká, ale kontruje jej tvar trupu, kýlu a kormidla: jachta nemôže ísť bokom kvôli vodeodolnosti. Ochotne sa ale posúva dopredu aj pri malej ťažnej sile.


5. Aby sa jachta plavila striktne proti vetru, obracia sa k vetru najprv na jednej alebo druhej strane a pohybuje sa dopredu po segmentoch - cvočky. Ako dlhé by mali byť cvočky a pod akým uhlom by mal byť vietor – dôležité otázky taktiky kapitánov.


6. Existuje päť hlavných kurzov lode vzhľadom na vietor. Vďaka Petrovi I. sa v Rusku udomácnila holandská námorná terminológia.


7. Leventik- vietor fúka priamo na provu lode. Plávať sa týmto spôsobom nedá, ale na zastavenie jachty sa používa otáčanie proti vetru.


8. Uzavretý vietor- rovnaký akútny priebeh. Keď idete zblízka, vietor vám fúka do tváre, takže sa zdá, že jachta vyvíja veľmi vysokú rýchlosť. V skutočnosti je tento pocit klamlivý.


9. Gulfwind- vietor fúka kolmo na smer pohybu.


10. Backstay- vietor fúka zozadu a zboku. Toto je najrýchlejší kurz. Rýchle pretekárske člny plávajúce vzadu sú schopné vďaka zdvíhacej sile plachty zrýchliť na rýchlosť presahujúcu rýchlosť vetra.


11. Predný vietor– ten istý zadný vietor fúka od kormy. Na rozdiel od očakávaní to nie je najrýchlejší kurz: tu sa nevyužíva zdvíhacia sila plachty a teoretický limit rýchlosti nepresahuje rýchlosť vetra. Skúsený kapitán dokáže predpovedať neviditeľné prúdy vzduchu rovnako ako pilot lietadla dokáže predpovedať stúpavé a klesajúce prúdy.


Interaktívnu verziu diagramu si môžete pozrieť na blogu „Vysvetlím za dve minúty“.

 

Môže byť užitočné prečítať si: