Prečo jachta pláva proti vetru? Prečo môže plachetnica plávať proti vetru? Smery vzhľadom na vietor

Doteraz sme uvažovali o vplyve iba dvoch síl na jachtu – vztlakovej sily a sily hmotnosti, za predpokladu, že je v pokoji v rovnováhe, ale keďže jachta používa na pohyb vpred plachty, pôsobí komplexný systém síl plavidlo. Schematicky je to znázornené na obr. 4, kde je považovaný za najtypickejší prípad jachty pohybujúcej sa ostro ťahané.

Keď okolo plachiet obteká prúd vzduchu - vietor, vzniká na nich výsledný efekt. aerodynamická sila A (pozri kapitolu 2), nasmerovaný približne kolmo na povrch plachty a aplikovaný v strede plachty (CS) vysoko nad hladinou vody. Podľa tretieho zákona mechaniky musí byť pri rovnomernom pohybe telesa v priamom smere každá sila pôsobiaca na telo, v tomto prípade na plachty spojené s trupom jachty cez sťažeň, stojacu takeláž a plachty, pôsobí proti nim sila rovnakej veľkosti a opačne smerujúca. Na jachte je to výsledná hydrodynamická sila H pôsobiaca na podvodnú časť trupu. Medzi týmito silami je teda známa vzdialenosť-rameno, v dôsledku čoho vzniká moment dvojice síl.

Ukázalo sa, že aerodynamické aj hydrodynamické sily nie sú orientované v rovine, ale v priestore, preto sa pri štúdiu mechaniky pohybu jachty berie do úvahy projekcia týchto síl na hlavné súradnicové roviny. Pri zachovaní vyššie uvedeného tretieho Newtonovho zákona zapíšeme do párov všetky zložky aerodynamickej sily a zodpovedajúce hydrodynamické reakcie:

Aby si jachta udržala stabilný kurz, každá dvojica síl a každá dvojica momentov síl sa musia navzájom rovnať. Napríklad driftová sila Fd a driftová odporová sila Rd vytvárajú klopný moment Mkr, ktorý musí byť vyvážený vzpriamovacím momentom Mv alebo momentom priečnej stability. MV vzniká pôsobením síl hmotnosti D a vztlaku jachty gV pôsobiacej na rameno l. Rovnaké sily hmotnosti a vztlaku tvoria moment odporu voči trimu alebo moment pozdĺžnej stability M l, rovnako veľké a pôsobiace proti orezávaciemu momentu Md. Podmienky posledného sú momenty párov sily T-R a Fv-Nv.

V uvedenom diagrame pôsobenia síl, najmä na ľahkých jachtách, dochádza k výrazným úpravám zo strany posádky. Posádka, ktorá sa pohybuje na náveternú stranu alebo po dĺžke jachty, svojou hmotnosťou účinne nakláňa loď alebo pôsobí proti jej náklonu smerom k prove. Pri vytváraní brzdiaceho momentu Md zohráva rozhodujúcu úlohu zodpovedajúca výchylka riadenia.

Aerodynamická bočná sila Fd okrem nakláňania spôsobuje bočný drift-drift, takže jachta sa nepohybuje striktne po DP, ale s malým uhlom driftu l. Práve táto okolnosť spôsobuje vznik odporovej sily Rd na kýle jachty, ktorá je svojou povahou podobná vztlakovej sile, ktorá vzniká na krídle lietadla umiestneného pod uhlom nábehu k prichádzajúcemu prúdu. Podobne ako krídlo, plachta s ostro ťahom funguje na kurze, pre ktorý je uhol nábehu uhol medzi tetivou plachty a smerom zdanlivý vietor. Teda v modernej teórii lodí plachetnica sa považuje za symbiózu dvoch krídel: trupu pohybujúceho sa vo vode a plachty, na ktorú pôsobí zdanlivý vietor.

Stabilita

Ako sme už povedali, na jachtu pôsobia sily a momenty sily, ktoré ju majú tendenciu nakláňať v priečnom a pozdĺžnom smere. Schopnosť lode odolať týmto silám a vrátiť sa do vzpriamenej polohy po ukončení ich pôsobenia sa nazýva stabilitu. Najdôležitejšia vec pre jachtu je bočná stabilita.

Keď jachta pláva bez náklonu, gravitačné a vztlakové sily pôsobiace v ťažisku a CV pôsobia pozdĺž rovnakej vertikály. Ak sa počas rolovania posádka alebo iné zložky hmotnostného zaťaženia nepohybujú, potom pri akejkoľvek odchýlke ťažisko zachová svoju pôvodnú polohu v RP (bod G na obr. 5), ktorý sa otáča s loďou. Zároveň sa v dôsledku zmeneného tvaru podvodnej časti trupu posúva CV z bodu C o smerom k pätovej strane do polohy C 1. Vďaka tomu vzniká moment pár síl D a g V s rameno l, ktoré sa rovná horizontálnej vzdialenosti medzi ťažiskom a novým ťažiskom jachty. Tento moment má tendenciu vrátiť jachtu do vzpriamenej polohy, a preto sa nazýva obnovenie.

Pri rolovaní sa CV pohybuje po zakrivenej trajektórii C 0 C 1, polomer zakrivenia G ktorá sa volá priečny metacentrický polomer, r zodpovedajúci stred zakrivenia M -priečne metacentrum. Hodnota polomeru r a podľa toho aj tvar krivky C 0 C 1 závisí od obrysov telesa. Vo všeobecnosti platí, že ako sa päta zväčšuje, metacentrický polomer klesá, pretože jeho hodnota je úmerná štvrtej mocnine šírky vodorysky.

Je zrejmé, že rameno vratného momentu závisí od vzdialenosti GM- vyvýšenie metacentra nad ťažiskom: čím je menšie, tým menšie je rameno l pri rolovaní. V úplne počiatočnom štádiu sklonu magnitúdy G.M. alebo h je staviteľmi lodí považovaný za meradlo stability lodí a je tzv počiatočná priečna metacentrická výška. Viac h,čím väčšia je sila náklonu potrebná na naklonenie jachty do akéhokoľvek špecifického uhla natočenia, tým je plavidlo stabilnejšie. Na výletných a pretekárskych jachtách je metacentrická výška zvyčajne 0,75-1,2 m; na plavebných člnoch - 0,6-0,8 m.

Pomocou trojuholníka GMN je ľahké určiť, že obnovovacie rameno je . Moment obnovenia, berúc do úvahy rovnosť gV a D, sa rovná:

Takže napriek skutočnosti, že metacentrická výška sa pri jachtách rôznych veľkostí pohybuje v dosť úzkych hraniciach, veľkosť vyrovnávacieho momentu je priamo úmerná výtlaku jachty, a preto ťažšie plavidlo dokáže vydržať väčší moment náklonu.

Vzpriamovacie rameno môže byť znázornené ako rozdiel medzi dvoma vzdialenosťami (pozri obr. 5): l f - rameno stability tvaru a l b - rameno stability hmotnosti. Nie je ťažké určiť fyzikálny význam týchto veličín, pretože l in je určený odchýlkou ​​počas rolovania línie pôsobenia sily závažia od počiatočnej polohy presne nad C 0 a l in je posunutie do závetria. strane stredu hodnoty ponoreného objemu trupu. Ak vezmeme do úvahy pôsobenie síl D a gV vo vzťahu k Co, možno si všimnúť, že sila hmotnosti D má tendenciu jachtu ešte viac nakláňať a sila gV má naopak tendenciu plavidlo narovnávať.

Podľa trojuholníka CoGK možno zistiť, že , kde CoC je výška ťažiska nad CB vo vzpriamenej polohe jachty. Preto, aby sa znížil negatívny vplyv váhových síl, je potrebné, ak je to možné, znížiť ťažisko jachty. V ideálnom prípade by malo byť ťažisko umiestnené pod CV, potom sa rameno stability hmotnosti stane kladným a hmotnosť jachty jej pomáha odolávať pôsobeniu náklonného momentu. Túto charakteristiku však má len niekoľko jácht: prehĺbenie ťažiska pod CV je spojené s použitím veľmi ťažkej záťaže, presahujúcej 60 % výtlaku jachty a nadmerným odľahčením trupu, nosníkov a takeláže. Efekt podobný poklesu CG sa dosiahne presunutím posádky na náveternú stranu. Ak hovoríme o ľahkom člne, potom sa posádke podarí posunúť všeobecné ťažisko natoľko, že línia pôsobenia sily D sa pretína s DP výrazne pod CV a rameno stability hmotnosti sa ukazuje ako pozitívne.

V kýlovom člne je vďaka ťažkému balastnému kýlu ťažisko dosť nízko (najčastejšie pod čiarou ponoru alebo mierne nad ňou). Stabilita jachty je vždy pozitívna a maximum dosahuje pri náklone cca 90°, kedy jachta leží plachtami na vode. Samozrejme, takýto zoznam sa dá dosiahnuť len na jachte s bezpečne uzavretými otvormi v palube a samovysýpacím kokpitom. Jachtu s otvoreným kokpitom je možné zaliať vodou pri oveľa nižšom uhle náklonu (jachta triedy Dragon napríklad pri 52°) a ísť ku dnu bez toho, aby ste sa stihli narovnať.

V jachtách spôsobilých na plavbu nastáva nestabilná rovnováha pri polohe asi 130°, keď je sťažeň už pod vodou, pričom je nasmerovaný nadol pod uhlom 40° k hladine. S ďalším zvyšovaním náklonu sa rameno stability stáva záporným, moment prevrátenia pomáha dosiahnuť druhú polohu nestabilnej rovnováhy s náklonom 180° (kýl hore), keď sa ukáže, že ťažisko je umiestnené vysoko nad ťažisko dostatočne malej vlny na to, aby loď opäť zaujala normálnu polohu – kýl dole. Existuje mnoho prípadov, keď sa jachty otočili o 360° a zachovali si svoju plavebnú spôsobilosť.

Pri porovnaní stability kýlovej jachty a člna môžete vidieť, že hlavnú úlohu pri vytváraní vyrovnávacieho momentu člna zohráva stabilitu tvaru a pre kýlovú jachtu - stabilita hmotnosti. Preto je taký výrazný rozdiel v obrysoch ich trupov: člny majú široké trupy s L/B = 2,6-3,2, s radom malého polomeru a veľkou plnosťou vodorysky. O stabilitu katamaranov v ešte väčšej miere rozhoduje tvar trupu, pri ktorom je objemový výtlak rovnomerne rozdelený medzi oba trupy. Už pri miernom nakláňaní sa posun medzi trupmi prudko prerozdeľuje, čím sa zvyšuje vztlaková sila trupu ponoreného do vody (obr. 6). Keď druhý trup opustí vodu (v uhle 8-15°), rameno stability dosiahne svoju maximálnu hodnotu - je o niečo menšia ako polovica vzdialenosti medzi RP trupov. S ďalším zvýšením náklonu sa katamaran správa ako čln, ktorého posádka visí na hrazde. Keď je náklon 50-60°, nastáva moment nestabilnej rovnováhy, po ktorom je stabilita katamaránu negatívna.

Diagram statickej stability. To je zrejmé úplný popis stabilita jachty môže byť krivkou zmeny vyrovnávacieho momentu Mv v závislosti od uhla natočenia alebo diagramu statickej stability (obr. 7). Diagram jasne rozlišuje momenty maximálnej stability (W) a maximálny uhol natočenia, pri ktorom sa loď ponechaná sama na seba prevráti (3-uhol západu slnka v diagrame statickej stability).

Pomocou diagramu má kapitán lode možnosť posúdiť napríklad schopnosť jachty niesť určitý vietor vo vetre určitej sily. Na tento účel sa do diagramu stability vynesú krivky zmien klopného momentu Mkr v závislosti od uhla naklonenia. Bod B priesečníka oboch kriviek udáva uhol náklonu, ktorý jachta dostane pri statickom pôsobení vetra s plynulým nárastom. Na obr. 7, jachta dostane zoznam zodpovedajúci bodu D - cca 29°. Pre plavidlá s jasne definovanými klesajúcimi vetvami diagramu stability (člny, kompromisy a katamarány) môže byť plavba povolená len pri uhloch náklonu nepresahujúcich maximálny bod na diagrame stability.
Ryža. 7. Schéma statickej stability cestovno-závodnej jachty

Posádky jácht sa v praxi často musia vysporiadať s dynamickým pôsobením vonkajších síl, pri ktorých klopný moment dosahuje v relatívne krátkom čase významnú hodnotu. Stáva sa to vtedy, keď na náveternú bradu zasiahne búrka alebo vlna. V týchto prípadoch je dôležitá nielen veľkosť klopného momentu, ale aj kinetická energia odovzdaná plavidlu a absorbovaná prácou vyrovnávacieho momentu.

Na diagrame statickej stability možno prácu oboch momentov znázorniť vo forme plôch uzavretých medzi zodpovedajúcimi krivkami a ordinátami. Podmienkou rovnováhy jachty pod dynamickým vplyvom vonkajších síl bude rovnosť plôch OABVE (práca Mkr) a OBGVE (práca Mv). Vzhľadom na to, že plochy OBVE sú spoločné, môžeme uvažovať o rovnosti plôch OAB a BGV. Na obr. 7 je možné vidieť, že pri dynamickom pôsobení vetra je uhol náklonu (bod E, asi 62°) zreteľne vyšší ako náklon vetra rovnakej sily pri jeho statickom pôsobení.

Z diagramu statickej stability to možno určiť maximálny dynamický podpätok moment, ktorý prevrhne čln alebo ohrozí bezpečnosť jachty s otvoreným kokpitom. Je zrejmé, že účinok vratného momentu možno uvažovať len do uhla zaplavenia kabíny alebo do počiatočného bodu poklesu v diagrame statickej stability.

Všeobecne sa uznáva, že kýlové jachty vybavené ťažkou záťažou sú prakticky prevrhnuteľné. V už spomínaných pretekoch Fastnet v roku 1979 sa však 77 jácht prevrátilo pod uhlom náklonu viac ako 90° a niektoré z nich zostali na hladine nejaký čas (od 30 sekúnd do 5 minút) so zdvihnutým kýlom a niekoľko jácht potom sa cez inú dosku zdvihli do svojej normálnej polohy. Najvážnejšou škodou bola strata stožiarov (na 12 jachtách), batérie, ťažké kuchynské kachle a ďalšie zariadenia vypadnuté zo zásuviek. Voda, ktorá sa dostala do budov, mala tiež nežiaduce následky. Stalo sa tak pod dynamickým vplyvom strmej 9-10-metrovej vlny, ktorej profil sa náhle zlomil pri prechode z oceánu do plytkého Írskeho mora s rýchlosťou vetra 25-30 m/s.

Faktory ovplyvňujúce bočnú stabilitu. Môžeme teda vyvodiť určité závery o vplyve rôznych prvkov dizajnu jachty na jej stabilitu. Pri nízkych uhloch päty hrá hlavnú úlohu pri vytváraní vyrovnávacieho momentu šírka jachty a koeficient plnosti plochy vodorysky. Čím širšia je jachta a čím plnšia je jej vodoryska, čím ďalej od DP sa ťažisko posúva pri rolovaní plavidla, tým väčšie je rameno tvarovej stability. Statický diagram stability dosť širokej jachty má strmšiu stúpajúcu vetvu ako úzka - do = 60-80°.

Čím nižšie je ťažisko jachty, tým je stabilnejšia a vplyv hlbokého ponoru a veľkého balastu ovplyvňuje takmer celý diagram stability jachty. Pri modernizácii jachty je užitočné pamätať na jednoduché pravidlo: každý kilogram pod vodoryskou zlepšuje stabilitu a každý kilogram nad vodoryskou ju zhoršuje.Ťažký nosník a takeláž sú obzvlášť viditeľné pre stabilitu.

Pri rovnakom umiestnení ťažiska má jachta s prebytočným voľným bokom aj vyššiu stabilitu pri uhloch náklonu viac ako 30-35°, kedy na plavidle s normálnou výškou boku začína paluba vstupovať do vody. Vysokostranná jachta má veľký maximálny vyrovnávací moment. Táto kvalita je vlastná aj jachtám, ktoré majú vodotesné palubné prístrešky dostatočne veľkého objemu.

Osobitná pozornosť by sa mala venovať vplyvu vody v nákladnom priestore a kvapalín v nádržiach. Nejde len o presun masy tekutín smerom k opätkovej strane; Hlavnú úlohu zohráva prítomnosť voľného povrchu pretekajúcej kvapaliny, a to jej momentu zotrvačnosti vzhľadom na pozdĺžnu os. Ak má napríklad povrch vody v nákladnom priestore dĺžku / a šírku b, potom sa metacentrická výška zníži o množstvo

, m. (9)

Nebezpečná je najmä voda v nákladnom priestore, ktorého voľná plocha má veľkú šírku. Preto pri plavbe v búrlivých podmienkach treba vodu z nákladného priestoru včas odstrániť.

Na zníženie vplyvu voľného povrchu kvapalín sú v nádržiach inštalované pozdĺžne prepážky blatníkov, ktoré sú po šírke rozdelené na niekoľko častí. V priedeloch sú vytvorené otvory pre voľný prietok kvapaliny.

Bočná stabilita a výkon jachty. S nárastom náklonu nad 10-12° sa výrazne zvyšuje odpor vody voči pohybu jachty, čo vedie k strate rýchlosti. Preto je dôležité, aby pri zosilnení vetra dokázala jachta udržať efektívnu plachtu dlhšie bez nadmerného náklonu. Často, dokonca aj na relatívne veľkých jachtách, je posádka počas pretekov umiestnená na náveternej strane, čím sa snaží zredukovať zoznam.

Ako efektívne je presúvať náklad (posádku) na jednu stranu, je ľahké si predstaviť pomocou najjednoduchšieho vzorca, ktorý platí pre malé uhly (v rozsahu 0-10°) náklonu;

, (10)

M o-moment, náklon jachty o 1°;

D- výtlak jachty, t;

h- počiatočná priečna metacentrická výška, m.

Na základe znalosti hmotnosti prepravovaného nákladu a vzdialenosti jeho nového umiestnenia od RP je možné určiť moment náklonu a vydeliť ho Mo, získajte uhol natočenia v stupňoch. Napríklad, ak sa na jachte s výtlakom 7 ton a A = 1 m nachádza päť ľudí na boku vo vzdialenosti 1,5 m od DP, potom moment náklonu, ktorý vytvoria, dodá jachte návin 4,5 ° (alebo rolku zmenšite na druhú stranu o približne rovnaké množstvo ).

Pozdĺžna stabilita. Fyzika javov vyskytujúcich sa počas pozdĺžneho nakláňania jachty je podobná javom počas rolovania, ale pozdĺžna metacentrická výška je čo do veľkosti porovnateľná s dĺžkou jachty. Pozdĺžne sklony a trim sú preto zvyčajne malé a nemerajú sa v stupňoch, ale podľa zmien ponoru provy a kormy. A predsa, ak sa z jachty vyžmýkajú všetky jej schopnosti, nedá sa nebrať do úvahy pôsobenie síl, ktoré jachtu narežú na provu a posunú ťažisko dopredu (pozri obr. 4). Dá sa tomu čeliť presunutím posádky do zadný paluby.

Sily upravujúce provu dosahujú najväčšiu veľkosť pri plachtení v zadnej opierke; na tomto kurze, najmä v silnom vetre, by mala byť posádka posunutá čo najviac dozadu. Na kurze ostro proti smeru je moment vyváženia malý a pre posádku je najlepšie umiestniť sa blízko medzilodí a nakloniť loď. Na výložníku sa ukáže, že trimovací moment je menší ako na zadnej vzpere, najmä ak jachta nesie spinaker a blázon, ktoré poskytujú určitý zdvih.

V prípade katamaranov je pozdĺžna metacentrická výška porovnateľná s priečnou výškou, niekedy je menšia. Preto účinok trimovacieho momentu, ktorý je na kýlovej jachte takmer nepostrehnuteľný, môže prevrátiť katamarán s rovnakými hlavnými rozmermi.

Štatistika nehôd poukazuje na prípady prevrátenia sa cez predok pri prechádzaní plavebných katamaránov s vysokým vetrom.

1.7. Odolnosť voči driftu

Bočná sila Fd (pozri obr. 4) nielen nakláňa jachtu, ale spôsobuje aj bočný drift klesnúť. Sila driftu závisí od kurzu jachty vo vzťahu k vetru. Pri plavbe v smere ostro je trikrát väčšia ako sila ťahu posúvajúca jachtu dopredu; v gulfwinde sú obe sily približne rovnaké v strmej zadnej vzpere (skutočný vietor je asi 135° vzhľadom na kurz jachty), hnacia sila sa ukáže byť 2-3 krát väčšia ako sila driftu a pri čistom poskočení tam nie je vôbec žiadna driftová sila. V dôsledku toho, aby sa plavidlo úspešne pohybovalo vpred na kurze z ostro proti vetru do zálivu, musí mať dostatočný bočný odpor proti driftu, oveľa väčší ako odpor vody voči pohybu jachty pozdĺž kurzu.

Funkciu vytvárania odolnosti voči driftu v moderných jachtách plnia hlavne stredové dosky, kýly plutiev a kormidlá.

Ako sme už povedali, nevyhnutnou podmienkou pre vznik sily odporu voči driftu je pohyb jachty pod malým uhlom k DP - uhol driftu. Uvažujme, čo sa deje vo vodnom toku priamo na kýle, ktorým je krídlo s prierezom v tvare tenkého symetrického aerodynamického profilu (obr. 8).

Ak neexistuje uhol driftu (obr. 8, a), potom prúd vody, ktorý sa stretáva s profilom kýlu v bode a, je rozdelená na dve časti. V tomto bode, ktorý sa nazýva kritický, je rýchlosť prúdenia O, maximálny tlak sa rovná výške rýchlosti, kde r je hmotnostná hustota vody (pre sladkú vodu); v- rýchlosť jachty (m/s). Horná aj spodná časť toku súčasne obtekajú povrch profilu a v bode sa opäť stretávajú b na výstupnej hrane. Je zrejmé, že na profil nemôže vzniknúť žiadna sila smerujúca cez tok; V dôsledku viskozity vody bude pôsobiť iba jedna sila trecieho odporu.

Ak je profil vychýlený o určitý uhol nábehu a(v prípade kýlu jachty - uhol driftu), potom sa zmení vzor prúdenia okolo profilu (obr. 8, b). Kritický bod A sa presunie do spodnej časti „nosa“ profilu. Dráha, ktorú musí častica vody prejsť po hornom povrchu profilu, sa predĺži a bod b 1 kde by sa podľa podmienok kontinuity toku mali častice obtekajúce horný a dolný povrch profilu stretnúť po prejdení rovnakej dráhy a skončiť na hornom povrchu. Pri obchádzaní ostrej výstupnej hrany profilu sa však spodná časť toku odlomí od hrany vo forme víru (obr. 8, c a d). Tento vír, nazývaný počiatočný vír, sa otáča proti smeru hodinových ručičiek a spôsobuje, že voda cirkuluje okolo profilu v opačný smer t.j. v smere hodinových ručičiek (obr. 8, d). Tento jav spôsobený viskóznymi silami je podobný rotácii veľkého ozubeného kolesa (cirkulácia) v zábere s malým hnacím ozubeným kolesom (štartovací vír).

Po výskyte obehu sa počiatočný vír odtrhne od vznikajúceho okraja, bodu b 2 sa približuje k tejto hrane, v dôsledku čoho už nie je rozdiel v rýchlostiach, ktorými horná a spodná časť prúdenia opúšťa krídlo. Cirkulácia okolo krídla spôsobuje vznik zdvíhacej sily Y, smerujúcej naprieč prúdením: na hornom povrchu krídla sa rýchlosť častíc vody zvyšuje v dôsledku cirkulácie, na spodnom povrchu, keď sa stretávajú s časticami zapojenými do cirkulácie, dochádza k spomaluje. Podľa toho na hornej ploche tlak v porovnaní s tlakom v prúdení pred krídlom klesá a na spodnej ploche stúpa. Tlakový rozdiel dáva zdvih Y.

Okrem toho bude sila pôsobiť na profil čelný(profil) odpor X, vznikajúce trením vody o povrch profilu a hydrodynamickým tlakom na jeho prednú časť.

Na obr. Obrázok 9 ukazuje výsledky merania tlaku na povrchu symetrického profilu vyrobeného v aerodynamickom tuneli. Na osi y je znázornená hodnota koeficientu S p, čo je pomer pretlaku (celkový tlak mínus atmosférický tlak) k rýchlosti. Na hornej strane profilu je tlak negatívny (vákuum), na spodnej strane je pozitívny. Zdvihová sila pôsobiaca na akýkoľvek profilový prvok je teda súčtom tlakových a riediacich síl, ktoré naň pôsobia, a vo všeobecnosti je úmerná ploche uzavretej medzi krivkami rozloženia tlaku pozdĺž profilovej tetivy (vytieňované na obr. 9).

Údaje uvedené na obr. 9 nám umožňujú vyvodiť niekoľko dôležitých záverov o fungovaní kýlu jachty. Po prvé, hlavnú úlohu pri vytváraní bočnej sily hrá vákuum, ktoré vzniká na povrchu plutvy z náveternej strany. Po druhé, vrchol riedenia sa nachádza v blízkosti vstupnej hrany kýlu. V súlade s tým je bod pôsobenia výslednej zdvíhacej sily na prednej tretine tetivy plutvy. Vo všeobecnosti sa zdvih zvyšuje až do uhla nábehu 15-18°, po ktorom náhle klesne.

V dôsledku vytvárania vírov na strane riedenia sa narúša plynulé obtekanie krídla, riedenie klesá a prúdenie sa zastavuje (podrobnejšie sa tomuto javu venujeme v kapitole 2 pri plachtách). Súčasne so zväčšovaním uhla nábehu sa odpor zvyšuje, dosahuje maximum pri a = 90°.

Drift modernej jachty len málokedy presiahne 5°, takže sa netreba báť, že by sa prúdenie odlomilo od kýlu. Kritický uhol nábehu však treba brať do úvahy pri kormidlách jácht, ktoré sú tiež konštruované a fungujú na princípe krídla.

Pozrime sa na hlavné parametre jachtových kýlov, ktoré majú významný vplyv na ich účinnosť pri vytváraní sily odolávajúcej driftu. Nasledujúce môže byť rovnako rozšírené na kormidlá, berúc do úvahy skutočnosť, že pracujú s výrazne väčším uhlom nábehu.

Hrúbka a tvar prierezu kýlu. Testy symetrických profilov krídla ukázali, že hrubšie profily (s väčším pomerom hrúbky prierezu t na jeho akord b) poskytnúť väčšiu zdvíhaciu silu. Ich odpor je vyšší ako u profilov s menšou relatívnou hrúbkou. Optimálne výsledky možno dosiahnuť, keď t/b = 0,09-0,12. Veľkosť vztlaku na takýchto profiloch pomerne málo závisí od rýchlosti jachty, takže kýly vyvíjajú dostatočnú odolnosť voči driftu aj pri slabom vetre.

Poloha maximálnej hrúbky profilu pozdĺž dĺžky tetivy má významný vplyv na veľkosť sily odporu driftu. Najúčinnejšie sú profily, ktorých maximálna hrúbka sa nachádza vo vzdialenosti 40-50% tetivy od ich „nosa“. Pre kormidlá pre jachty pracujúce pri vysokých uhloch nábehu sa používajú profily s maximálnou hrúbkou umiestnenou o niečo bližšie k prednej hrane - až do 30% tetivy.

Tvar „nosu“ profilu – polomer zaoblenia vstupnej hrany – má určitý vplyv na účinnosť kýlu. Ak je hrana príliš ostrá, prúd prúdiaci na kýl tu dostáva veľké zrýchlenie a odlamuje sa od profilu vo forme vírov.

V tomto prípade dochádza k poklesu zdvihu, obzvlášť výrazného pri vysokých uhloch nábehu. Preto je takéto ostrenie nájazdovej hrany pre kormidlá neprijateľné.

Aerodynamické rozšírenie. Na koncoch krídla prúdi voda z oblasti vysokého tlaku do zadnej časti profilu. Výsledkom je, že z koncov krídla sa vrhajú víry a vytvárajú dve vírové ulice. Na ich údržbu sa vynakladá pomerne značná časť energie, tvoria sa tzv indukčná reaktancia. Okrem toho v dôsledku vyrovnávania tlaku na koncoch krídla dochádza k lokálnemu poklesu vztlaku, ako je znázornené na diagrame jeho rozloženia po dĺžke krídla na obr. 10.

Čím kratšia je dĺžka krídla L vo vzťahu k jeho akordu b, t.j. tým menšie je jeho predĺženie L/b,čím je relatívne väčšia strata vztlaku a tým väčší je indukčný odpor. V aerodynamike je zvykom odhadnúť pomer strán krídla pomocou vzorca

(kde 5 je plocha krídel), ktoré možno aplikovať na krídla a plutvy akéhokoľvek tvaru. Pri obdĺžnikovom tvare sa aerodynamický pomer strán rovná pomeru; pre delta krídlo l = 2 libry

Na obr. 10 znázorňuje krídlo zložené z dvoch lichobežníkových plutvových kýlov. Na jachte je kýl pripevnený širokou základňou ku dnu, takže tu nedochádza k prúdeniu vody na podtlakovú stranu a vplyvom trupu sa tlak na obe plochy vyrovnáva. Bez tohto vplyvu by sa aerodynamický pomer strán mohol považovať za dvojnásobok pomeru hĺbky kýlu k jeho ponoru. V praxi je tento pomer v závislosti od veľkosti kýlu, obrysov jachty a uhla náklonu prekročený len 1,2-1,3 krát.

Vplyv aerodynamického predĺženia kýlu na veľkosť sily odporu voči driftu, ktorú vyvíja R d možno odhadnúť z výsledkov testu plutvy s profilom NACA 009 (t/b=9 %) a ploche 0,37 m2 (obr. 11). Rýchlosť prúdenia zodpovedala rýchlosti jachty 3 uzly (1,5 m/s). Zaujímavosťou je zmena sily odporu driftu pri uhle nábehu 4-6°, čo zodpovedá uhlu driftu jachty na kurze ostro. Ak prijmete silu R d s predĺžením l = 1 na jednotku (6,8 pri a = 5°), potom so zvýšením l na 2 vzrastie odpor proti posunu viac ako 1,5-krát (10,4 kg) a pri l = 3 - presne dvojnásobný (13,6 kg). Rovnaký graf môže slúžiť na kvalitatívne posúdenie účinnosti kormidiel rôznych predĺžení, ktoré pôsobia v oblasti veľkých uhlov nábehu.

Zvýšením predĺženia kýlovej plutvy je teda možné získať požadované množstvo bočnej sily R d s menšou plochou kýlu, a teda s menšou zmáčanou povrchovou plochou a odolnosťou voči vode voči pohybu jachty. Dĺžka kýlu na moderných výletných a pretekárskych jachtách je v priemere l = 1-3. Kormidlové pero, ktoré slúži nielen na ovládanie plavidla, ale je aj neodmysliteľným prvkom pri vytváraní odolnosti jachty, má ešte väčšiu prieťažnosť, blížiacu sa l = 4.

Plocha a tvar kýlu. Najčastejšie sú rozmery kýlu určené štatistickými údajmi, porovnávajúc navrhnutú jachtu s osvedčenými plavidlami. Na moderných výletných a pretekárskych jachtách s kormidlom oddeleným od kýlu sa celková plocha kýlu a kormidla pohybuje od 4,5 do 6,5 % plochy plachiet jachty a plocha kormidla je 20 až 40 % oblasť kelu.

Na dosiahnutie optimálneho predĺženia sa konštruktér jachty snaží prijať maximálny ponor povolený podmienkami plavby alebo pravidlami merania. Najčastejšie má kýl tvar lichobežníka so sklonenou nábežnou hranou. Ako ukázali štúdie, pre jachtárske kýly s pomerom strán 1 ku 3 nemá uhol medzi nábežnou hranou a vertikálou v rozsahu od -8° do 22,5° prakticky žiadny vplyv na hydrodynamické charakteristiky kýlu. Ak je kýl (alebo stredová doska) veľmi úzky a dlhý, potom sklon prednej hrany o viac ako 15° k vertikále je sprevádzaný odchýlkou ​​čiar prúdenia vody dole profilom, smerom k spodnému zadnému rohu. V dôsledku toho sa zdvíhacia sila znižuje a odpor kýlu sa zvyšuje. V tomto prípade je optimálny uhol sklonu 5° k vertikále.

Veľkosť vztlaku vyvinutého kýlom a kormidlom je výrazne ovplyvnená kvalitou jeho povrchovej úpravy, najmä nábežnej hrany, kde sa vytvára obtekanie profilu. Preto sa odporúča preleštiť kýl a kormidlo vo vzdialenosti aspoň 1,5% profilovej tetivy.

Rýchlosť jachty. Vztlaková sila na akomkoľvek krídle je určená vzorcom:

(11)

Сy - koeficient vztlaku, v závislosti od parametrov krídla - tvaru profilu, pomeru strán, pôdorysu, ako aj od uhla nábehu - zvyšuje sa so zvyšujúcim sa uhlom nábehu;

r- hustota vody, ;

V- rýchlosť prúdenia okolo krídla, m/s;

S- plocha krídla, m2.

Sila odporu voči driftu je teda premenlivá hodnota úmerná štvorcu rýchlosti. V počiatočnom momente pohybu jachty, napríklad po obrate, keď loď stráca rýchlosť, alebo keď sa vzďaľuje od výložníka do protivetru, je zdvíhacia sila na kýle malá. Aby bola sila Y rovnal driftovej sile F D kýl by mal byť umiestnený smerom k prichádzajúcemu toku pod vysokým uhlom nábehu. Inými slovami, loď sa začne pohybovať s veľkým uhlom driftu. So zvyšujúcou sa rýchlosťou sa uhol driftu zmenšuje, kým nedosiahne svoju normálnu hodnotu - 3-5°.

Kapitán musí vziať túto okolnosť do úvahy a poskytnúť dostatočný priestor pre závetrie pri zrýchľovaní jachty alebo po otočení na nový smer. Veľký počiatočný uhol driftu sa musí použiť na rýchle získanie rýchlosti miernym potiahnutím listov. To mimochodom znižuje silu driftu na plachty.

Je potrebné pamätať aj na mechaniku generovania zdvihu, ktorý sa na plutve objaví až po oddelení štartovacieho víru a rozvinutí stabilnej cirkulácie. Na úzkom kýle modernej jachty prebieha cirkulácia rýchlejšie ako na trupe jachty s kormidlom namontovaným na kýle, teda na krídle s veľkou tetivou. Druhá jachta sa bude unášať viac po vetre, kým trup začne účinne brániť unášaniu.

Ovládateľnosť

Ovládateľnosť je kvalita plavidla, ktorá mu umožňuje sledovať daný kurz alebo meniť smer. Za ovládateľnú možno považovať len jachtu, ktorá primerane reaguje na posun kormidla.

Ovládateľnosť spája dve vlastnosti plavidla – stabilitu smeru a obratnosť.

Stabilita kurzu- to je schopnosť jachty udržiavať daný priamy smer pohybu, keď na ňu pôsobia rôzne vonkajšie sily: vietor, vlny atď. Stabilita kurzu závisí nielen od dizajnové prvky jachta a charakter pôsobenia vonkajších síl, ale aj na reakciu kormidelníka na vychýlenie plavidla z kurzu, jeho zmysel pre kormidlo.

Vráťme sa opäť k diagramu pôsobenia vonkajších síl na plachty a trup jachty (pozri obr. 4). Vzájomná poloha dvoch párov síl má rozhodujúci význam pre stabilitu jachty na kurze. Nášľapná sila F d a sila odporu driftu R d majú tendenciu tlačiť provu jachty do vetra, zatiaľ čo druhá para-ťah sila T a odpor voči pohybu R privádza jachtu k vetru. Je zrejmé, že reakcia jachty závisí od pomeru veľkosti uvažovaných síl a ramien A A b, na ktorých pôsobia. Ako sa uhol nakláňania zväčšuje, rameno páru pohonu b tiež zvyšuje. Rameno padajúceho páru A závisí od relatívnej polohy stredu plachty (CS) - bodu pôsobenia výsledných aerodynamických síl na plachty a stredu bočného odporu (CLR) - bodu pôsobenia výsledných hydrodynamických síl na trup lode. jachta. Poloha týchto bodov sa mení v závislosti od mnohých faktorov: kurz jachty voči vetru, tvar a nastavenie plachiet, náklon a trim jachty, tvar a profil kýlu a kormidla atď.

Preto pri navrhovaní a opätovnom vybavovaní jácht pracujú s konvenčnými CP a CB, berúc do úvahy, že sú umiestnené v ťažiskách plochých figúrok, čo sú plachty umiestnené v stredovej rovine jachty, a podvodné obrysy DP s kýl, plutvy a kormidlo (obr. 12).

Je známe, že ťažisko trojuholníkovej plachty sa nachádza v priesečníku dvoch stredníc a spoločné ťažisko oboch plachiet sa nachádza na priamke spájajúcej CP oboch plachiet a rozdeľuje tento segment na nepriamo úmerne k ich ploche. Zvyčajne sa neberie do úvahy skutočná plocha výložníka, ale nameraná plocha trojuholníka prednej plachty.

Polohu centrálneho stredu je možné určiť vyvážením profilu podvodnej časti DP, vyrezaného z tenkej lepenky, na špičke ihly. Keď je šablóna umiestnená striktne horizontálne, ihla je umiestnená v konvenčnom bode centrálneho stredu. Pripomeňme, že pri vytváraní sily odporu voči driftu má hlavnú úlohu kýl plutiev a kormidlo. Stredy hydrodynamických tlakov na ich profiloch možno pomerne presne nájsť napríklad pri profiloch s relatívnou hrúbkou t/b pri približne 8 % je tento bod vzdialený približne 26 % tetivy od prednej hrany. Trup jachty, aj keď sa v malej miere podieľa na vytváraní bočnej sily, robí určité zmeny v charaktere prúdenia okolo kýlu a kormidla a mení sa v závislosti od uhla náklonu a sklonu, ako napr. ako aj rýchlosť jachty. Vo väčšine prípadov sa na kurze ostro ťahá skutočné ťažisko dopredu.

Dizajnéri spravidla umiestňujú CPU v určitej vzdialenosti (pokročilej) pred centrálny nervový systém. Typicky je náskok špecifikovaný ako percento dĺžky plavidla pri vodoryske a je 15-18% pre bermudskú šalupu. L kvl.

Ak sa ukáže, že skutočný CP je umiestnený príliš ďaleko pred CS, jachta na kurze ostro padá proti vetru a kormidelník musí neustále držať kormidlo naklonené proti vetru. Ak je CP za CB, potom má jachta tendenciu nakláňať sa smerom k vetru; požadovaný Práca na plný úväzok kormidlo na ovládanie lode.

Nepríjemná je najmä tendencia jachty potápať sa. V prípade nehody s kormidlom sa jachta nemôže dostať na kurz ostro len pomocou plachiet, navyše má zvýšený drift; Faktom je, že kýl jachty odkláňa tok vody, ktorá z nej tečie, bližšie k DP plavidla. Ak je teda kormidlo rovné, funguje pod výrazne nižším uhlom nábehu ako kýl. Ak nakloníte kormidlo na náveternú stranu, ukáže sa, že zdvíhacia sila, ktorá sa na ňom vytvára, smeruje na záveternú stranu - v rovnakom smere ako sila driftu na plachty. V tomto prípade sú kýl a kormidlo „ťahané“ rôznymi smermi a jachta je nestabilná.

Ďalšou vecou je ľahký sklon jachty k riadeniu. Kormidlo, posunuté pod malým uhlom (3-4°) po vetre, pracuje s rovnakým alebo mierne väčším uhlom nábehu ako kýl a účinne sa podieľa na odolnosti voči driftu. Bočná sila vznikajúca na kormidle spôsobuje výrazné posunutie celého centrálneho systému riadenia smerom k korme, zároveň sa zmenšuje uhol driftu, jachta leží stabilne na kurze.

Ak však pri kurze ostro musí byť kormidlo neustále posunuté proti vetru o viac ako 3-4°, mali by ste myslieť na nastavenie vzájomnej polohy centrálneho volantu a centrálnej riadiacej jednotky. Na už postavenej jachte je to jednoduchšie urobiť posunutím CPU dopredu, inštaláciou sťažňa v stepi do krajnej polohy predklonu alebo naklonením dopredu.

Príčinou unášania jachty môže byť aj hlavná plachta – príliš „potbellied“ alebo s prerobeným predným lemom. V tomto prípade sa hodí medzivzpera, pomocou ktorej môžete sťažeň v strednej časti (na výšku) ohnúť dopredu a tým sploštiť plachtu, ako aj oslabiť lem. Môžete tiež skrátiť dĺžku lemu hlavnej plachty.

Je ťažšie presunúť centrálny stĺpik riadenia na kormu, pre ktorú musíte nainštalovať zadnú plutvu pred kormidlo alebo zväčšiť plochu kormidla.

Už sme povedali, že so zvyšujúcim sa náklonom sa zvyšuje aj tendencia jachty k náklonu. K tomu dochádza nielen v dôsledku zvýšenia ramena sčítacieho páru síl - T A R. Počas rolovania sa zvyšuje hydrodynamický tlak v oblasti lúčovej vlny, čo vedie k posunu centrálneho nervového systému dopredu. Preto v čerstvom vetre, aby ste znížili tendenciu jachty k driftovaniu, by ste mali posunúť hlavnú plachtu dopredu a: na tento kurz si vezmite koral na hlavnej plachte alebo ju trochu podtesajte. Užitočná je aj zmena ramena na menší, čím sa zmenší zoznam a lem jachty na prove.

Skúsený projektant pri výbere hodnoty zálohy A zvyčajne berie do úvahy stabilitu jachty, aby sa kompenzoval nárast jazdného momentu pri náklone: ​​pre jachtu s menšou stabilitou je nastavená veľká hodnota predstihu, pre stabilnejšie lode sa predstih berie ako minimálny.

Dobre centrované jachty majú často zvýšené vybočenie na zadnom kurze, keď hlavná plachta vytiahnutá na palubu má tendenciu otočiť jachtu predklonom proti vetru. Tomu napomáha aj vysoká vlna vychádzajúca z kormy pod uhlom k DP. Aby ste udržali jachtu v kurze, musíte tvrdo pracovať s kormidlom a vychýliť ho do kritického uhla, kedy je možné prúdenie z jej záveternej plochy (zvyčajne sa to stáva pri uhloch nábehu 15-20°). Tento jav je sprevádzaný stratou vztlaku na kormidle a následne aj ovládateľnosťou jachty. Jachta sa môže náhle prudko vrhnúť do vetra a získať veľký zoznam a v dôsledku zníženia prehĺbenia listu kormidla môže vzduch z hladiny vody preniknúť na stranu vákua.

Boj proti tomuto fenoménu, tzv brožovanie, sily zväčšiť plochu kormidla a jeho predĺženie, nainštalovať plutvu pred kormidlo, ktorej plocha je asi štvrtina plochy kormidla. Vďaka prítomnosti plutvy pred kormidlom je organizovaný usmernený tok vody, zväčšujú sa kritické uhly nábehu kormidla, zabraňuje sa prieniku vzduchu do kormidla a znižuje sa sila na kormidlo. Pri plavbe v zadnej opore by sa posádka mala snažiť zabezpečiť, aby ťah spinakru smeroval čo najviac dopredu, a nie do strán, aby sa predišlo nadmernému náklonu. Je tiež dôležité zabrániť vzhľadu obloženia na nose, ktoré by mohlo znížiť hĺbku volantu. Naťahovanie uľahčuje aj rolovanie jachty, ktoré sa objavuje v dôsledku prerušenia prúdenia vzduchu zo spinakru.

Stabilita kurzu, okrem uvažovaného vplyvu vonkajších síl a relatívnej polohy ich bodov pôsobenia, je určená konfiguráciou podvodnej časti RP. Predtým pre dlhé plavby Autor: otvorená voda uprednostňovali jachty s dlhou líniou kýlu, pretože majú väčšiu odolnosť voči otáčaniu a tým aj stabilitu na kurze. Tento typ plavidiel má však značné nevýhody, ako je veľká zmáčaná plocha a zlá manévrovateľnosť. Okrem toho sa ukázalo, že stabilita kurzu nezávisí ani tak od veľkosti bočného priemetu DP, ale od polohy volantu vzhľadom na centrálny systém riadenia, t. j. od „páky“, na ktorej je riadenie koleso funguje. Je potrebné poznamenať, že ak je táto vzdialenosť menšia ako 25 % L kvl , potom sa jachta vychýli a zle reaguje na vychýlenie kormidla. O l=40-45% L kvl (pozri obr. 12) udržať plavidlo na danom kurze nie je náročné.

Agility- schopnosť plavidla meniť pod vplyvom kormidla a plachiet smer pohybu a opisovať trajektóriu. Činnosť kormidla je založená na rovnakom princípe hydrodynamického krídla, aký bol uvažovaný pre kýl jachty. Pri posunutí volantu do určitého uhla vzniká hydrodynamická sila R, jednou zo zložiek ktorých N tlačí kormu jachty v opačnom smere, než v akom je umiestnené kormidlo (obr. 13). Pod jeho vplyvom sa loď začne pohybovať po zakrivenej trajektórii. Zároveň sila R dáva komponentu Q - odporovú silu, ktorá spomaľuje postup jachty.

Ak zafixujete kormidlo v jednej polohe, loď sa bude pohybovať približne v kruhu nazývanom obeh. Priemer alebo polomer cirkulácie je mierou schopnosti otáčania nádoby: čím väčší je polomer cirkulácie, tým horšia je schopnosť otáčania. Obehom sa pohybuje iba ťažisko jachty; Zároveň loď zažije unášanie spôsobené odstredivá sila a čiastočne aj silou N na volante.

Polomer obehu závisí od rýchlosti a hmotnosti jachty, jej momentu zotrvačnosti vzhľadom na vertikálnu os prechádzajúcu cez ťažisko, od účinnosti kormidla - veľkosti sily N a jeho rameno vzhľadom na ťažisko pre danú výchylku kormidla. Čím väčšia je rýchlosť a výtlak jachty, tým viac ťažkých hmôt (motor, kotvy, časti vybavenia) sa nachádza na koncoch plavidla, tým väčší je polomer obehu. Polomer obehu, určený počas námorných skúšok jachty, sa zvyčajne vyjadruje v dĺžkach trupu.

Obratnosť je tým lepšia, čím kratšia je podvodná časť plavidla a čím bližšie k strednej lodi je sústredená jeho hlavná oblasť. Napríklad plavidlá s dlhou kýlovou líniou (ako sú námorné člny) majú slabú schopnosť otáčania a naopak dobrú schopnosť otáčania - člny s úzkymi, hlbokými stredovými doskami.

Účinnosť kormidla závisí od plochy a tvaru pier, prierezového profilu, aerodynamického pomeru strán, typu inštalácie (na korme, oddelene od kýlu alebo na plutve) a tiež od vzdialenosti pažby od centrálny stĺpik riadenia. Najrozšírenejšie sú kormidlá riešené v tvare krídla s aerodynamickým profilom prierezu. Maximálna hrúbka profilu sa zvyčajne považuje za 10-12 % tetivy a nachádza sa 1/3 tetivy od prednej hrany. Plocha kormidla je zvyčajne 9,5-11% plochy ponorenej časti RP jachty.

Kormidlo s veľkým pomerom strán (pomer štvorca hĺbky kormidla k jeho ploche) vyvíja veľkú bočnú silu pri nízkych uhloch nábehu, vďaka čomu účinne prispieva k bočnej sile odporu voči driftu. Avšak, ako je znázornené na obr. 11, pri určitých uhloch nábehu profilov rôznych pomerov strán sa tok oddelí od povrchu riedenia, po čom sa zdvíhacia sila na profil výrazne zníži. Napríklad kedy l= 6 kritický uhol kormidla je 15°; pri l=2- 30°. Ako kompromis sú použité riadidlá s nadstavcami l = 4-5 (pomer strán pravouhlého volantu je 2-2,5) a na zvýšenie kritického uhla radenia je pred volantom nainštalovaná šikmá plutva. Kormidlo s veľkým pomerom strán reaguje rýchlejšie na radenie, pretože cirkulácia prúdenia, ktorá určuje zdvíhaciu silu, sa okolo profilu s malou tetivou rozvíja rýchlejšie ako okolo celej podvodnej časti trupu s kormidlom namontovaným na korme.

Horný okraj volantu musí tesne priliehať k telu v rámci pracovných odchýlok ± 30°, aby sa zabránilo pretekaniu vody; inak sa výkon riadenia zhorší. Niekedy je na kormidle, ak je namontované na priečniku, pripevnená aerodynamická podložka vo forme širokej dosky v blízkosti vodorysky.

To, čo bolo povedané o tvare kýlov, platí aj pre kormidlá: za optimálny sa považuje lichobežníkový tvar s pravouhlým alebo mierne zaobleným spodným okrajom. Aby sa znížili sily pôsobiace na kormidlo, volant je niekedy vyrobený ako vyvažovací typ, s osou otáčania umiestnenou 1/4-1/5 tetivy od „nosa“ profilu.

Pri riadení jachty je potrebné brať do úvahy špecifiká volantu v rôznych podmienkach a predovšetkým narušenie prúdenia z jeho chrbta. Na začiatku zákruty nemôžete urobiť náhle zmeny volantu; tok sa zastaví, dôjde k bočnej sile. N na volante klesne, ale sila odporu sa rýchlo zvýši R. Jachta sa dostane do obehu pomaly a s veľkou stratou rýchlosti. Je potrebné začať zákrutu posunutím kormidla do malého uhla, ale akonáhle sa korma vytočí smerom von a uhol nábehu kormidla sa začne zmenšovať, mal by sa posunúť do väčšieho uhla vzhľadom na RP jachty.

Malo by sa pamätať na to, že bočná sila na kormidlo sa rýchlo zvyšuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou jachty. Pri slabom vetre je zbytočné pokúšať sa jachtu rýchlo otočiť posunutím kormidla do veľkého uhla (mimochodom, hodnota kritického uhla závisí od rýchlosti: pri nižších rýchlostiach dochádza k oddeleniu prúdenia pri nižších uhloch útok).

Odpor kormidla pri zmene kurzu jachty v závislosti od jej tvaru, konštrukcie a umiestnenia sa pohybuje od 10 do 40% celkového odporu jachty. Preto treba techniku ​​riadenia kormidla (a centrovanie jachty, od ktorého závisí stabilita kurzu) brať veľmi vážne a kormidlo sa nesmie vychýliť pod väčším uhlom, ako je potrebné.

Miera predaja

Miera predaja sa vzťahuje na schopnosť jachty dosiahnuť určitú rýchlosť pri efektívnom využívaní veternej energie.

Rýchlosť, ktorú môže jachta dosiahnuť, závisí predovšetkým od rýchlosti vetra, pretože na plachty pôsobia všetky aerodynamické sily. vrátane ťažnej sily, zvýšenie úmerne druhej mocnine zdanlivej rýchlosti vetra. Okrem toho záleží aj na napájaní plavidla – pomere plochy plachty k jej rozmerom. Ako charakteristika dostupnosti energie sa najčastejšie používa pomer S" 1/2 /V 1/3(kde S je plocha vetra, m2; V- celkový výtlak, m 3) alebo J/Z (tu W je zmáčaný povrch trupu vrátane kýlu a kormidla).

Ťahová sila, a teda rýchlosť jachty, je tiež určená schopnosťou plachetnice vyvinúť dostatočný ťah v rôznych smeroch vzhľadom na smer vetra.

Uvedené faktory sa týkajú hnaných plachiet jachty, ktoré premieňajú veternú energiu na hnaciu silu T. Ako je znázornené na obr. 4, táto sila pri rovnomernom pohybe jachty musí byť rovnaká a opačná ako sila odporu voči pohybu R. Ten je projekciou výsledných všetkých hydrodynamických síl pôsobiacich na navlhčený povrch tela do smeru pohybu.

Existujú dva typy hydrodynamických síl: tlakové sily smerujúce kolmo na povrch telesa a viskózne sily pôsobiace tangenciálne k tomuto povrchu. Výslednica viskóznych síl dáva silu odolnosť proti treniu.

Tlakové sily sú spôsobené tvorbou vĺn na hladine vody, keď sa jachta pohybuje, takže ich výsledná sila dáva vlnový odpor.

Pri veľkom zakrivení povrchu trupu v zadnej časti sa môže hraničná vrstva odlepiť od kože a môžu sa vytvárať víry, ktoré absorbujú časť energie hnacej sily. To vytvára ďalšiu zložku odporu voči pohybu jachty - tvarová odolnosť.

Objavujú sa ďalšie dva typy odporu kvôli skutočnosti, že jachta sa nepohybuje priamo po DP, ale s určitým uhlom driftu a náklonom. Toto indukčné a podpätkové odpor. Významný podiel na indukčnom odpore zaberá odpor vyčnievajúcich častí – kýlu a kormidla.

Doprednému pohybu jachty napokon odoláva aj vzduch obmývajúci trup, posádku a vývoj systému lanových lán a plachiet. Tento kus odporu sa nazýva vzduchu.

Odolnosť proti treniu. Keď sa jachta pohybuje, zdá sa, že častice vody priamo susediace s plášťom trupu sa k nej prilepia a nesú sa spolu s loďou. Rýchlosť týchto častíc voči telesu je nulová (obr. 14). Ďalšia vrstva častíc, ktorá kĺže po prvej, už mierne zaostáva za zodpovedajúcimi bodmi trupu a v určitej vzdialenosti od trupu voda vo všeobecnosti zostáva nehybná alebo má rýchlosť vzhľadom na trup rovnajúcu sa rýchlosti jachty. v. Táto vrstva vody, v ktorej pôsobia viskózne sily a rýchlosť pohybu častíc vody vzhľadom k trupu sa zvyšuje z 0 na rýchlosť lode, sa nazýva hraničná vrstva. Jeho hrúbka je relatívne malá a pohybuje sa od 1 do 2 % dĺžky trupu pozdĺž vodorysky, avšak povaha alebo spôsob pohybu vodných častíc v nej má významný vplyv na veľkosť trecieho odporu.

Zistilo sa, že spôsob pohybu chasgitzu sa mení v závislosti od rýchlosti plavidla a dĺžky jeho mokrého povrchu. V hydrodynamike je táto závislosť vyjadrená Reynoldsovým číslom:

n je koeficient kinematickej viskozity vody (pre sladkú vodu n = 1,15-10 -6 m 2 /s);

L- dĺžka zmáčaného povrchu, m;

v- rýchlosť jachty, m/s.

Pri relatívne malom počte Re = 10 6 sa častice vody v hraničnej vrstve pohybujú vo vrstvách a tvoria sa laminárne tok. Jeho energia nestačí na prekonanie viskóznych síl, ktoré bránia priečnym pohybom častíc. Najväčší rozdiel v rýchlosti medzi vrstvami častíc nastáva priamo na povrchu puzdra; V súlade s tým sú tu trecie sily najväčšie.

Reynoldsovo číslo v hraničnej vrstve sa zvyšuje, keď sa častice vody vzďaľujú od stonky (so zvyšujúcou sa zmáčanou dĺžkou). Pri rýchlosti napríklad 2 m/s už vo vzdialenosti cca 2 m od nej Re dosiahne kritickú hodnotu, pri ktorej sa režim prúdenia v hraničnej vrstve stane vírovým, t.j. turbulentným a nasmerovaným cez hraničnú vrstvu. V dôsledku výslednej výmeny kinetickej energie medzi vrstvami sa rýchlosť častíc v blízkosti povrchu puzdra zvyšuje vo väčšej miere ako pri laminárnom prúdení. Rozdiel v rýchlosti Dv tu sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje trecí odpor. V dôsledku priečnych pohybov častíc vody sa hrúbka hraničnej vrstvy zväčšuje a odpor trenia sa prudko zvyšuje.

Režim laminárneho prúdenia pokrýva len malú časť trupu jachty v prednej časti a len pri nízkych rýchlostiach. Kritická hodnota Re, pri ktorom dochádza k turbulentnému prúdeniu okolo telesa, leží v rozmedzí 5-10 5-6-10 6 a do značnej miery závisí od tvaru a hladkosti jeho povrchu. Pri zvyšovaní rýchlosti sa bod prechodu laminárnej hraničnej vrstvy do turbulentnej posúva smerom k nosu a pri dostatočne vysokej rýchlosti môže nastať moment, kedy bude celý zmáčaný povrch trupu pokrytý turbulentným prúdením. Pravda, priamo v blízkosti kože, kde je rýchlosť prúdenia blízka nule, stále zostáva tenký film s laminárnym režimom – laminárna podvrstva.

Trecí odpor sa vypočíta podľa vzorca:

(13)

R tr - odpor trenia, kg;

ztr - koeficient odporu trenia;

r-hmotnostná hustota vody;

pre sladkú vodu:

v- rýchlosť jachty, m/s;

W-vlhčená plocha, m2.

Koeficient odporu trenia je premenlivá hodnota v závislosti od charakteru prúdenia v hraničnej vrstve a dĺžky telesa L kvl rýchlosti v a drsnosti povrchu puzdra.

Na obr. Obrázok 15 ukazuje závislosť koeficientu odporu trenia ztr od čísla Re a drsnosť povrchu krytu. Zvýšenie odporu drsného povrchu v porovnaní s hladkým možno ľahko vysvetliť prítomnosťou laminárnej podvrstvy v turbulentnej hraničnej vrstve. Ak sú tuberkulózy na povrchu úplne ponorené do laminárnej podvrstvy, nezavádzajú významné zmeny do povahy laminárneho toku podvrstvy. Ak nerovnosti presahujú hrúbku podvrstvy a vyčnievajú nad ňu, dochádza k turbulizácii pohybu častíc vody v celej hrúbke hraničnej vrstvy a zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje koeficient trenia.

Ryža. 15 nám umožňuje oceniť dôležitosť dokončenia spodnej časti jachty, aby sa znížil jej trecí odpor. Napríklad, ak sa jachta s dĺžkou 7,5 m pozdĺž vodorysky pohybuje rýchlosťou v= 6 uzlov (3,1 m/s), potom zodpovedajúce číslo

Predpokladajme, že dno jachty má drsnosť (priemerná výška nerovností) k== 0,2 mm, čo zodpovedá relatívnej drsnosti

L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4. Pre danú hrubosť a číslo R e koeficient trenia sa rovná z tr = 0,0038 (bod G).

Poďme zhodnotiť, či je možné v tomto prípade získať povrch dna, ktorý je takmer technicky hladký. O R e = 2-107 takýto povrch zodpovedá relatívnej drsnosti L/k= 3 10 5 alebo absolútna drsnosť k= 7500/3 105 = 0,025 mm. Prax ukazuje, že sa to dá dosiahnuť opatrným prebrúsením dna jemným brúsnym papierom a následným lakovaním. Bude tá námaha stáť za to? Z grafu vyplýva, že koeficient odporu trenia klesne na z tr = 0,0028 (bod D), čiže o 30 %, čo samozrejme nemôže zanedbať ani posádka počítajúca s úspechmi v pretekoch.

Čiara B umožňuje odhadnúť prípustnú drsnosť dna pre jachty rôznych veľkostí a rôznych rýchlostí. Je vidieť, že s narastajúcou dĺžkou a rýchlosťou ponoru sa zvyšujú požiadavky na kvalitu povrchu.

Pre orientáciu uvádzame hodnoty drsnosti (v mm) pre rôzne povrchy:

drevené, starostlivo lakované a leštené - 0,003-0,005;

drevené, maľované a brúsené - 0,02-0,03;

lakované patentovaným náterom - 0,04-0,C6;

drevené, maľované červeným olovom - 0,15;

bežná doska - 0,5;

dno porastené mušľami - do 4,0.

Už sme povedali, že pozdĺž časti dĺžky jachty, počnúc stopkou, môže byť zachovaná laminárna hraničná vrstva, pokiaľ nadmerná drsnosť neprispieva k turbulencii prúdenia. Preto je obzvlášť dôležité starostlivo spracovať predok trupu, všetky prichádzajúce okraje kýlu, plutvy a kormidlá. Pre malé priečne rozmery - struny - by mala byť celá plocha kýlu a kormidla zbrúsená. V zadnej časti trupu, kde sa zväčšuje hrúbka hraničnej vrstvy, môžu byť požiadavky na povrchovú úpravu o niečo znížené.

Zanesenie dna riasami a lastúrami má obzvlášť silný vplyv na odpor trenia. Ak pravidelne nečistíte dno jácht, ktoré sú neustále vo vode, po dvoch až troch mesiacoch sa môže trecí odpor zvýšiť o 50-80%, čo zodpovedá strate rýchlosti pri priemernom vetre 15-25 %.

Odolnosť formy. Dokonca aj s dobre aerodynamickým trupom môžete pri pohybe zaznamenať bdelý prúd, v ktorom voda robí vírivé pohyby. Je to dôsledok oddelenia hraničnej vrstvy od telesa v určitom bode (B na obr. 14). Poloha bodu závisí od charakteru zmeny zakrivenia povrchu pozdĺž dĺžky tela. Čím hladšie sú obrysy konca kormy, tým ďalej k korme dochádza k oddeľovaniu hraničnej vrstvy a tým k menšej tvorbe vírov.

Pri normálnych pomeroch dĺžky tela k šírke je tvarová odolnosť nízka. Jeho nárast môže byť spôsobený prítomnosťou ostrých lícnych kostí, zlomených línií trupu, nesprávne profilovaných kýlov, kormidiel a iných vyčnievajúcich častí. Tvarová odolnosť sa zväčšuje s zmenšovaním rozsahu zóny, laminárnej hraničnej vrstvy, preto je potrebné odstraňovať nánosy farby, znižovať drsnosť, tmeliť priehlbiny v koži, na vyčnievajúce rúrky umiestniť aerodynamické kryty a pod.

Odolnosť voči vlnám. Vzhľad vĺn v blízkosti trupu lode počas jej pohybu je spôsobený pôsobením gravitácie kvapaliny na rozhraní medzi vodou a vzduchom. Na prednom konci, kde sa trup stretáva s vodou, prudko stúpa tlak a voda stúpa do určitej výšky. Bližšie k strednej časti, kde sa vplyvom rozpínania trupu lode zvyšuje rýchlosť prúdenia, tlak v ňom podľa Bernoulliho zákona klesá a hladina vody klesá. V zadnej časti, kde tlak opäť stúpa, sa vytvára vrchol druhej vlny. Častice vody začnú v blízkosti tela kmitať, čo spôsobuje sekundárne kmitanie vodnej hladiny.

Vzniká zložitý systém predných a zadných vĺn, ktorý je svojou povahou rovnaký pre lode akejkoľvek veľkosti (obr. 16). Pri nízkych rýchlostiach sú jasne viditeľné divergentné vlny pochádzajúce z prednej a zadnej časti lode. Ich hrebene sú umiestnené v uhle 36-40 ° k stredovej rovine. Pri vyšších rýchlostiach sa uvoľňujú priečne vlny, ktorých vrcholy nepresahujú sektu/éru, obmedzené uhlom 18-20° k DP plavidla. Predný a zadný systém priečnych vĺn na seba vzájomne pôsobí, čo môže mať za následok jednak zvýšenie výšky celkovej vlny za kormou plavidla, ako aj jej zníženie. Keď sa vzďaľujú od lode, energia vĺn je absorbovaná médiom a tie sa postupne tlmia.

Veľkosť odporu vĺn sa mení v závislosti od rýchlosti jachty. Z teórie kmitov je známe, že rýchlosť šírenia vĺn súvisí s ich dĺžkou l pomer

Kde p = 3,14; v- rýchlosť jachty, m/s; g = 9,81 m/s 2 - gravitačné zrýchlenie.

Keďže vlnový systém sa pohybuje s jachtou, rýchlosť šírenia vĺn sa rovná rýchlosti jachty.

Ak hovoríme napríklad o jachte s dĺžkou pozdĺž vodorysky 8 m, potom pri rýchlosti 4 uzlov budú po dĺžke trupu asi tri priečne vlny a pri rýchlosti 6 uzlov - jeden a pol. Vzťah medzi priečnou vlnovou dĺžkou X vytvorený telesom dĺžky Lkvl! pohybujúce sa rýchlosťou v, do značnej miery určuje hodnotu odporu vlny.

HNACIA SILA VETRA

Stránka NASA zverejnila veľmi zaujímavé materiály o rôznych faktoroch ovplyvňujúcich vznik vztlaku krídlom lietadla. Existujú aj interaktívne grafické modely, ktoré demonštrujú, že vztlak môže byť generovaný aj symetrickým krídlom v dôsledku vychýlenia prúdenia.

Plachta, ktorá je v uhle k prúdu vzduchu, ju vychyľuje (obr. 1d). Prúd vzduchu, ktorý prichádza cez „hornú“, záveternú stranu plachty, urazí dlhšiu dráhu a v súlade s princípom kontinuity prúdenia sa pohybuje rýchlejšie ako z náveternej „spodnej“ strany. Výsledkom je, že tlak na záveternú stranu plachty je menší ako na náveternú stranu.

Pri plavbe na jube, keď je plachta nastavená kolmo na smer vetra, je stupeň zvýšenia tlaku na náveternej strane väčší ako stupeň poklesu tlaku na záveternej strane, inými slovami, vietor tlačí jachta viac ako ťahá. Ako sa jachta ostrejšie stáča do vetra, tento pomer sa zmení. Ak teda vietor fúka kolmo na kurz jachty, zvýšenie tlaku na plachtu na náveternej strane má menší vplyv na rýchlosť ako zníženie tlaku na záveternej strane. Inými slovami, plachta jachtu viac ťahá ako tlačí.

Pohyb jachty nastáva v dôsledku toho, že vietor interaguje s plachtou. Analýza tejto interakcie vedie k neočakávaným výsledkom pre mnohých začiatočníkov. Ukazuje sa, že maximálna rýchlosť sa vôbec nedosiahne, keď vietor fúka priamo zozadu, a želanie „spravodlivého vetra“ má úplne neočakávaný význam.

Plachta aj kýl pri interakcii s prúdom vzduchu alebo vody vytvárajú vztlak, preto na optimalizáciu ich prevádzky možno použiť teóriu krídel.

HNACIA SILA VETRA

Prúd vzduchu má kinetickú energiu a vďaka interakcii s plachtami je schopný pohybovať jachtou. Prácu plachty aj krídla lietadla popisuje Bernoulliho zákon, podľa ktorého zvýšenie rýchlosti prúdenia vedie k zníženiu tlaku. Pri sťahovaní do vzdušné prostredie, krídlo rozdeľuje prúdenie. Časť obchádza krídlo zhora, časť zdola. Krídlo lietadla je navrhnuté tak, aby sa prúdenie vzduchu nad hornou časťou krídla pohybovalo rýchlejšie ako prúdenie vzduchu pod spodnou časťou krídla. Výsledkom je, že tlak nad krídlom je oveľa nižší ako pod. Tlakový rozdiel je zdvíhacia sila krídla (obr. 1a). Vďaka svojmu zložitému tvaru je krídlo schopné generovať vztlak aj pri prerezaní prúdu, ktorý sa pohybuje rovnobežne s rovinou krídla.

Plachta môže pohybovať jachtou iba vtedy, ak je pod určitým uhlom k prúdu a vychyľuje ju. Ostáva diskutabilné, aká veľká časť zdvihu je spôsobená Bernoulliho efektom a aká veľká je výsledkom vychýlenia prúdenia. Podľa klasickej teórie krídel vztlak vzniká výlučne ako výsledok rozdielu v rýchlosti prúdenia nad a pod asymetrickým krídlom. Zároveň je dobre známe, že symetrické krídlo je schopné vytvárať vztlak, ak je inštalované pod určitým uhlom k prúdeniu (obr. 1b). V oboch prípadoch sa uhol medzi čiarou spájajúcou predný a zadný bod krídla a smerom prúdenia nazýva uhol nábehu.

Vztlak sa zvyšuje so zvyšujúcim sa uhlom nábehu, ale tento vzťah funguje len pri malých hodnotách tohto uhla. Akonáhle uhol nábehu prekročí určitú kritickú úroveň a prúdenie sa zastaví, na hornej ploche krídla sa vytvoria početné víry a vztlaková sila sa prudko zníži (obr. 1c).

Jachtári vedia, že jibe nie je najrýchlejší kurz. Ak vietor rovnakej sily fúka pod uhlom 90 stupňov k kurzu, jachta sa pohybuje oveľa rýchlejšie. Na kurze jibe závisí sila, ktorou vietor tlačí na plachtu, od rýchlosti jachty. Vietor maximálnou silou tlačí na plachtu nehybne stojacej jachty (obr. 2a). So zvyšujúcou sa rýchlosťou tlak na plachtu klesá a stáva sa minimálnym, keď jachta dosiahne maximálnu rýchlosť (obr. 2b). Maximálna rýchlosť na trase jibe je vždy nižšia ako rýchlosť vetra. Existuje na to niekoľko dôvodov: po prvé, trenie pri akomkoľvek pohybe sa určitá časť energie vynakladá na prekonávanie rôznych síl, ktoré pohyb bránia; Ale hlavná vec je, že sila, ktorou vietor tlačí na plachtu, je úmerná druhej mocnine rýchlosti zdanlivého vetra a rýchlosť zdanlivého vetra na náklone sa rovná rozdielu medzi rýchlosťou zdanlivého vetra. skutočný vietor a rýchlosť jachty.

S kurzom gulfwind (90º k vetru) sa plachetnice môžu pohybovať rýchlejšie ako vietor. V tomto článku nebudeme rozoberať vlastnosti zdanlivého vetra, len si všimneme, že na kurze gulfwind závisí sila, ktorou vietor tlačí na plachty, v menšej miere od rýchlosti jachty (obr. 2c); ).

Hlavným faktorom, ktorý bráni zvýšeniu rýchlosti, je trenie. Preto sú plachetnice s malým odporom voči pohybu schopné dosiahnuť rýchlosť oveľa vyššiu ako je rýchlosť vetra, ale nie na kurze jibe. Napríklad loď, vzhľadom na to, že korčule majú zanedbateľný šmykový odpor, je schopná zrýchliť na rýchlosť 150 km/h pri rýchlosti vetra 50 km/h alebo aj menej.

Vysvetlenie fyziky plachtenia: Úvod

ISBN 1574091700, 9781574091700


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% lepšie ťahajú, 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.

Keď jachta pláva bez náklonu, CP by mala ležať na rovnakej vertikálnej priamke ako CB (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 pre plavbu jachty škodlivé, 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 ukazuje, že ťažná sila plachiet a sila pozdĺžneho odporu trupu ležia rôzne. 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 záchytným momentom driftových síl a bočným odporom, keď je CP umiestnený vpredu. Pre dobré centrovanie je potrebné umiestniť CP pred CB vo vzdialenosti rovnajúcej sa 10-18% dĺžky jachty pozdĺž vodorysky. Čím je jachta menej stabilná a čím vyššie je CPU zdvihnuté nad centrálnu stanicu, tým viac ju treba posunúť na provu.

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

Pohyb plachetnice vo vetre je v skutočnosti určený jednoduchým tlakom vetra na jej plachtu, ktorý tlačí loď dopredu. Výskum v aerodynamickom tuneli však ukázal, že plachtenie proti vetru vystavuje plachtu zložitejšiemu súboru síl.

Keď prichádzajúci vzduch obteká konkávnu zadnú plochu plachty, rýchlosť vzduchu klesá, zatiaľ čo pri obtekaní konvexnej prednej plochy plachty sa táto rýchlosť zvyšuje. V dôsledku toho sa na zadnom povrchu plachty vytvorí oblasť s vysokým tlakom a na prednom povrchu oblasť s nízkym tlakom. Tlakový rozdiel na oboch stranách plachty vytvára ťažnú (tlačnú) silu, ktorá posúva jachtu dopredu pod uhlom voči vetru.

Plachetnica umiestnená približne v pravom uhle k vetru (v námornej terminológii je jachta privrátená) sa rýchlo pohybuje vpred. Plachta je vystavená ťahu a bočným silám. Ak plachetnica pláva pod ostrým uhlom voči vetru, jej rýchlosť sa spomalí v dôsledku zníženia ťažnej sily a zvýšenia bočnej sily. Čím viac je plachta otočená smerom k korme, tým pomalšie sa jachta pohybuje dopredu, najmä kvôli veľkej bočnej sile.

Plachetnica nemôže plávať priamo proti vetru, ale môže sa pohybovať vpred vykonaním série krátkych cik-cak pohybov pod uhlom voči vetru, nazývaných cvaky. Ak vietor fúka na ľavú stranu (1), hovorí sa, že jachta pláva na vetre z ľavého boku (2), hovorí sa, že pláva na vetre z pravej strany. Aby prekonal vzdialenosť rýchlejšie, jachtár sa snaží zvýšiť rýchlosť jachty na limit úpravou polohy jej plachty, ako je znázornené na obrázku nižšie vľavo. Aby sa minimalizovala odchýlka na stranu od priamej línie, jachta sa pohybuje a mení kurz z proti smeru pravoboku na ľavý a naopak. Keď jachta zmení kurz, plachta sa prehodí na druhú stranu a keď sa jej rovina zhoduje s veternou čiarou, nejaký čas sa trepe, t.j. je neaktívna (obrázok v strede pod textom). Jachta sa ocitne v takzvanej mŕtvej zóne, stráca rýchlosť, kým vietor opäť nenafúkne plachtu z opačného smeru.

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 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 naráža na silnú odolnosť voči vode (keel in plachetnice sa stáva veľmi hlbokým), 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 dostáva najväčšiu hodnotu, keď rovina plachty rozpolí uhol medzi smermi kýlu a vetra.]. Zvyčajne sa tento pohyb vykonáva cikcakom, ako je znázornené na obrázku nižšie. V jazyku námorníkov sa takýto pohyb lode nazýva „prichytávanie“ v prísnom zmysle slova.

 

Môže byť užitočné prečítať si: