Ako sa môžu plachetnice pohybovať proti vetru. Lekcie jachtingu: Prečo môže jachta plávať proti vetru? Skutočné a zdanlivé vetry v jachtingu

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 k smeru vetra 3. 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°.

3 (Je možné využívať iba veternú energiu a pohybovať sa striktne proti vetru, ak je plachta nahradená veterným motorom veterný mlyn, ktorým sa bude otáčať lodná vrtuľa. O takomto na prvý pohľad nezvyčajnom plavidle je dokonca známy problém P. L. Kapitsu (pozri aj časopis: Lode a jachty, 1981, č. 1, s. 25).)

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.

Naozaj. Nechajte vietor fúkať v smere označenom šípkami na obr. 17, riadok AB zobrazuje plachtu.

Keďže vietor tlačí rovnomerne na celú plochu plachty, silu tlaku vetra nahrádzame silou R, aplikovaný na stred plachty. Rozdeľme túto silu na dve časti: silu Q, kolmo na plachtu, a sila R nasmerované pozdĺž nej dopredu. sila R plachta nikde netlačí, 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 pod ostrým uhlom smerom k vetru. Nech čiara KK (obr. 18) predstavuje kýlovú čiaru lode. Vietor fúka v ostrom uhle k tejto čiare v smere označenom šípkami. Čiara AB predstavuje plachtu; je umiestnená tak, že jej rovina rozpolí uhol medzi smerom kýlu a smerom vetra. Stopa na obr. 18. pre rozpad síl. Tlak vetra na plachtu predstavujeme silou Q, ktorá, ako vieme, musí byť kolmá na plachtu. Rozdeľme túto silu na dve: sila B, kolmá na kýl, a sila S, smerujúca dopredu pozdĺž línie kýlu plavidla. Keďže pohyb plavidla v smere B naráža na silný odpor vody (kýl dovnútra plachetnice sa stáva veľmi hlbokým), potom je sila B takmer úplne vyvážená odporom vody. Zostáva len jedna sila S, ktorá, ako vidíte, smeruje dopredu, a preto pohybuje loďou pod uhlom, akoby smerom k vetru *. Zvyčajne sa tento pohyb vykonáva cik-cak, ako je znázornené na obr. V jazyku námorníkov sa takýto pohyb lode nazýva „prichytávanie“ v plnom zmysle slova 4.

* (Dá sa dokázať, že sila S je najväčšia, keď rovina plachty pretína uhol medzi kýlom a smerom vetra.)

4 (V plachtení je množstvo otázok, ktoré sú zaujímavé z pohľadu fyziky. Viac o tomto športe a niektorých technických problémoch plachtenia sa môžete dozvedieť napríklad z kníh: Glovatsky V. Fascinujúci svet plachty: Eseje o histórii plachtenia - M.: Progress, 1979; Proctor Ya. Vietor, vlny a prúdy - L.: Gidrometeoizdat, 1981.)

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 nezrazia 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. 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).

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 smerovať proti vetru sú 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 takto nedá, no na zastavenie jachty sa používa otáčanie sa 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“.

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°.

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 plachtu nikam netlačí, 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 pod ostrým uhlom 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, smerujúce dopredu, pozdĺž línie kýlu plavidla. Keďže pohyb lode je v smere R spĺňa silnú odolnosť voči 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 kýlom a smerom 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.

Myslím si, že mnohí z nás by využili šancu ponoriť sa do morskej priepasti na nejakom podvodnom dopravnom prostriedku, no aj tak by väčšina uprednostnila plavba na plachetnici. Keď neboli lietadlá ani vlaky, boli len plachetnice. Bez nich by svet nebol tým, čím bol.

Plachetnice s rovnými plachtami priviedli Európanov do Ameriky. Ich stabilné paluby a priestranné podpalubia niesli mužov a zásoby na vybudovanie Nového sveta. Ale tieto staroveké lode mali aj svoje obmedzenia. Kráčali pomaly a takmer rovnakým smerom ako vietor. Odvtedy sa veľa zmenilo. Dnes používajú úplne iné princípy riadenia sily vetra a vĺn. Takže ak chcete jazdiť na modernom, budete sa musieť naučiť nejakú fyziku.

Moderné plachtenie nie je to len pohyb vetra, je to niečo, čo pôsobí na plachtu a núti ju lietať ako krídlo. A toto neviditeľné „niečo“ sa nazýva zdvih, ktorý vedci nazývajú bočná sila.

Pozorný pozorovateľ si nemohol nevšimnúť, že bez ohľadu na to, odkiaľ vietor fúka, plachetnica sa vždy pohybuje tam, kam chce kapitán – aj keď je protivietor. Aké je tajomstvo takejto úžasnej kombinácie tvrdohlavosti a poslušnosti.

Mnoho ľudí si ani neuvedomuje, že plachta je krídlo a princíp fungovania krídla a plachty je rovnaký. Vychádza zo vztlaku iba vtedy, ak je vztlak krídla lietadla, pomocou protivetra tlačí rovinu nahor, potom vertikálne umiestnená plachta nasmeruje plachetnicu dopredu. Aby sme to vysvetlili z vedeckého hľadiska, je potrebné vrátiť sa k základom – ako funguje plachta.

Pozrite sa na simulovaný proces, ktorý ukazuje, ako vzduch pôsobí na rovinu plachty. Tu môžete vidieť, že vzduch prúdi pod model, ktorý má väčší ohyb, ohyb, aby ho obišiel. V tomto prípade sa tok musí trochu zrýchliť. V dôsledku toho sa objaví oblasť nízkeho tlaku - to generuje zdvih. Nízky tlak na spodnej strane stiahne plachtu.

Inými slovami, oblasť vysokého tlaku sa snaží posunúť smerom k oblasti nízkeho tlaku a vyvíja tlak na plachtu. Vzniká tlakový rozdiel, ktorý generuje vztlak. Vďaka tvaru plachty je rýchlosť vetra na vnútornej náveternej strane nižšia ako na záveternej strane. Vonku sa vytvorí vákuum. Vzduch je doslova nasávaný do plachty, čo posúva plachetnicu dopredu.

V skutočnosti je tento princíp celkom jednoduchý na pochopenie, stačí sa bližšie pozrieť na akúkoľvek plachetnicu. Trik je tu v tom, že plachta, bez ohľadu na to, ako je umiestnená, prenáša veternú energiu na loď, a aj keď sa vizuálne zdá, že plachta by mala jachtu spomaliť, centrum pôsobenia síl je bližšie k prove lode. plachetnica a sila vetra zabezpečuje pohyb vpred.

Ale to je teória, ale v praxi je všetko trochu inak. Plachetnica v skutočnosti nemôže plávať proti vetru - pohybuje sa k nemu pod určitým uhlom, takzvané cvočky.

Plachetnica sa pohybuje v dôsledku rovnováhy síl. Plachty fungujú ako krídla. Väčšina zdvihu, ktorý produkujú, je nasmerovaná bočne, len malá časť dopredu. Tajomstvom tohto nádherného fenoménu je však takzvaná „neviditeľná“ plachta, ktorá sa nachádza pod dnom jachty. Toto je kýl alebo v námorníckom jazyku stredová doska. Zdvih stredovej dosky tiež produkuje vztlak, ktorý tiež smeruje hlavne do strany. Kýl odoláva päte a protichodnej sile pôsobiacej na plachtu.

Okrem zdvíhacej sily dochádza aj k kotúľaniu – javu škodlivému pre pohyb vpred a nebezpečnému pre posádku lode. Ale práve preto je na jachte posádka, ktorá slúži ako živá protiváha k neúprosným zákonom fyziky.

V modernej plachetnici kýl aj plachta spolupracujú, aby poháňali plachetnicu vpred. Ale ako každý začínajúci námorník potvrdí, v praxi je všetko oveľa komplikovanejšie ako v teórii. Skúsený námorník vie, že najmenšia zmena ohybu plachty umožňuje dosiahnuť väčší zdvih a ovládať jej smer. Zmenou ohybu plachty ovláda skúsený námorník veľkosť a umiestnenie oblasti, ktorá vytvára vztlak. S hlbokým predklonom môžete tvoriť veľká plocha tlak, ale ak je ohyb príliš veľký alebo nábežná hrana molekúl vzduchu príliš strmá, prúdenie okolo nich už nebude nasledovať ohyb. Inými slovami, ak má objekt ostré rohy, častice toku sa nemôžu otočiť - hybnosť pohybu je príliš silná, tento jav sa nazýva „oddelený tok“. Výsledkom tohto efektu je, že plachta „zametá“ a stratí vietor.

A tu je niekoľko ďalších praktické rady využitie veternej energie. Optimálne smerovanie do vetra (pretekanie s ostrým vetrom). Námorníci tomu hovoria „plavba proti vetru“. Zdanlivý vietor, ktorý má rýchlosť 17 uzlov, je výrazne rýchlejší ako skutočný vietor, ktorý vytvára vlnový systém. Rozdiel v ich smeroch je 12°. Kurz na zdanlivý vietor - 33°, na skutočný vietor - 45°.

"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. 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).

5. Aby sa jachta plavila striktne proti vetru, obracia sa: otáča sa k vetru najprv jednou alebo druhou stranou a pohybuje sa dopredu po segmentoch - cvokoch. Ako dlhé by mali byť cvočky a pod akým uhlom smerovať proti vetru sú 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

Môže byť užitočné prečítať si: