Чи може йти вітрило проти вітру. Чому вітрильник може пливти проти вітру? Істинний і вимпелий вітру в яхтингу

Пересування вітрильної яхти за вітром фактично визначається простим тиском вітру на її вітрило, що штовхає судно вперед. Однак, як показали дослідження в аеродинамічній трубі, подорож під вітрилом проти вітру піддає вітрило впливу складнішого набору сил.

Коли повітря, що набігає, обтікає увігнуту задню поверхню вітрила, швидкість повітря зменшується, у той час як при обтіканні опуклої передньої поверхні вітрила ця швидкість зростає. У результаті задньої поверхні вітрила утворюється область підвищеного тиску, але в передній - зниженого. Різниця тисків на двох сторонах вітрила створює силу, що тягне (штовхає), яка переміщає яхту вперед під кутом до вітру.

Вітрильна яхта, розташована приблизно під прямим кутом до вітру (за морською термінологією - яхта йде галсом), швидко рухається вперед. Вітрило піддається впливу тягнучої та бічної сил. Якщо Парусна яхтайде під гострим кутом до вітру, її швидкість уповільнюється через зменшення сили, що тягне, і збільшення бічної. Чим сильніше вітрило повернене до корми, тим повільніше яхта рухається вперед, зокрема через велику бічну силу.

Вітрильна яхта не може пливти прямо проти вітру, проте може просуватися вперед, здійснюючи серію зигзагоподібних коротких переміщень під кутом до вітру, які називаються галсами. Якщо вітер дме в лівий борт (1), кажуть, що яхта йде лівим галсом, якщо правий борт (2) - правим галсом. Щоб швидше пройти дистанцію, яхтсмен намагається збільшувати до межі швидкість яхти, регулюючи положення її вітрила, як і показано малюнку зліва внизу. Для мінімізації відхилення у бік від прямої лінії, яхта пересувається, змінюючи курс з правого галсу на лівий і навпаки. Коли яхта змінює курс, вітрило перекидається в інший борт, і збігу його площині з лінією вітру якийсь час полощется, тобто. перебуває у бездіяльності (середній малюнок під текстом). Яхта потрапляє в так звану мертву зону, втрачаючи швидкість доти, доки вітер знову не надує вітрило з протилежного боку.

Російський поет Михайло Юрійович Лермонтов любив мореі у своїх творах часто згадував про нього. Він написав чудовий вірш про біліючий вітрило, що мчить серед хвиль у далеких морських просторах. Напевно, тобі знайомий лермонтівський вірш, адже це найвідоміші віршовані рядки про вітрильників. Читаючи їх, можна уявити бурхливе море та красиві кораблі серед його хвиль. Вітер надує вітрила. І завдяки силі вітру кораблі рухаються вперед. Але як вітрильникам вдається пливти проти вітру?

Для того щоб на це відповісти, тобі спочатку доведеться вивчити незнайоме слово «галс».Галсомназивається напрямок руху судна щодо вітру. Галс може бути лівим, коли вітер дме зліва, або правим, якщо вітер дме праворуч. Важливо знати і друге значення слова "галс" - це частина шляху, вірніше, його відрізок, який проходить вітрильник, коли рухається проти вітру. Запам'ятав?

Тепер, щоб зрозуміти, як вітрильникам вдається плисти проти вітру, розберемося з вітрилами. Вони на вітрильнику бувають різних форм та розмірів – прямі та косі. І кожний виконує свою роботу. Коли дме зустрічний вітер, корабель керується за допомогою косих вітрил, які повертаються то в один бік, то в інший.

Слідом за ними і судно повертається у той чи інший бік. Повертається і йде вперед. Моряки називають такий рух рухом змінними галсами. Його суть полягає в тому, що вітер тисне на косі вітрила і зносить судно трохи вбік і вперед. Кермо вітрильника не дає йому повністю обернутися, та й умілі матроси вчасно рухають вітрила, змінюючи їх становище. Так, невеликими зигзагами і рухається вперед.

Звичайно, рух змінними галсами – дуже важка справа для всієї команди вітрильника. Але матроси – загартовані хлопці. Вони не бояться труднощів і дуже люблять море.

Перш ніж приступати до розгляду роботи вітрила, слід зупинитись на двох коротких, але важливих моментах:
1.Визначити, який саме вітер впливає на вітрила.
2. Розповісти про специфічну морську термінологію, пов'язану з курсами щодо вітру.

Справжній і вимпел вітру в яхтингу.

Вітер, який діє на судно, що рухається, і все, що знаходиться на ньому, відрізняється від того, який діє на який-небудь нерухомий об'єкт.
Власне вітер як атмосферне явище, що дме щодо землі чи води, ми називаємо справжнім вітром.
У яхтингу вітер щодо яхти, що рухається, називається вимпельним і є сумою істинного вітру і зустрічного потоку повітря, викликаного рухом судна.
Вимпельний вітер завжди дме під гострішим кутом до човна, ніж справжній.
Швидкість вимпельного вітру може бути більшою (якщо справжній вітер зустрічний або бічний), або меншим від справжнього (якщо він з попутних напрямків).

Напрями щодо вітру.

На вітріотже, звідки дме вітер.
Під вітром- З того боку, куди дме вітер.
Ці терміни, а також похідні від них, такі як «навітряний», «підвітряний», вживаються дуже широко, і не тільки в яхтингу.
Коли ці терміни застосовують до судна, прийнято також говорити про навітряний та підвітряний борти.
Якщо вітер дме з боку правого борту яхти, цей борт називають навітряним, лівий борт - підвітрянимвідповідно.
Лівий і правий галс - два терміни, безпосередньо пов'язані з попередніми: якщо вітер дме в правий борт судна, то кажуть, що воно йде правим галсом, якщо в лівий - то лівим.
В англійській морській термінології те, що пов'язане з правим та лівим бортом, відрізняється від звичайних Right та Left. Про правий борт і все, що до нього відноситься, кажуть Starboard, про лівий – Port.

Курси щодо вітру.

Курси щодо вітру різняться залежно від кута між напрямом вимпельного вітру та напрямом руху судна. Їх можна розділити на гострі та повні.

Бейдевінд - гострий курс щодо вітру. коли вітер дме під кутом менше 80 °. Може бути крутий бейдевінд (до 50 °) та повний (від 50 до 80 °).
Повними курсами щодо вітру називаються курси, коли вітер дме під кутом 90° і більше напряму руху яхти.
До таких курсів відносяться:
Галфвінд - вітер дме під кутом від 80 до 100 °.
Бакштаг - вітер дме під кутом від 100 до 150 ° (крутий бакштаг) і від 150 до 170 ° (повний бакштаг).
Фордевінд - вітер дме в корму під кутом понад 170 °.
Левентик – вітер строго зустрічний чи близький до такого. Оскільки проти такого вітру вітрило судно рухатися не може, його частіше називають не курсом, а положенням щодо вітру.

Маневри щодо вітру.

Коли яхта, що йде під вітрилами, змінює свій курс так, що кут між вітром та напрямом руху зменшується, то кажуть, що судно наводиться. Іншими словами, привестися значить піти під гострішим кутом до вітру.
Якщо відбувається зворотний процес, тобто яхта змінює курс у бік збільшення кута між ним та вітром, судно звалюється .
Уточнимо, що терміни («наводитися» і «увалюватися» використовуються тоді, коли човен змінює курс щодо вітру в межах одного й того ж галсу.
Якщо ж судно змінює галс, тоді (і тільки тоді!) такий маневр у яхтингу називається поворотом.
Існує два різні способи зміни галсу і, відповідно, два повороти: оверштагі фордевінд .
Поворот оверштаг – це поворот проти вітру. Судно наводиться, ніс човна перетинає лінію вітру, рано чи пізно судно проходить через положення левентик, після чого лягає на інший галс.
Яхтинг при повороті фордевінд відбувається протилежним чином: судно звалюється, корми перетинають лінію вітру, вітрила переносять на інший борт, яхта лягає на інший галс. Найчастіше це поворот з одного повного курсу на інший.

Робота вітрила під час яхтингу.

Одне з основних завдань для яхтсмена при роботі з вітрилами полягає в тому, щоб орієнтувати вітрило під оптимальним кутом щодо вітру найкращим чиномпросуватися вперед. Для цього потрібно розуміти, як вітрило взаємодіє з вітром.
Робота вітрила багато в чому аналогічна роботі крила літака і відбувається за законами аеродинаміки. Для особливо допитливих яхтсменів докладніше ознайомитися з аеродинамікою вітрила як крила можна у серії статей: . Але краще це зробити після прочитання цієї статті, поступово переходячи від легені до складнішого матеріалу. Хоча, кому я це говорю? Справжніх яхтсменів проблеми не лякають. І можна все зробити з точністю навпаки.

Основна відмінність вітрила від літакового крила в тому, що для появи на вітрилі аеродинамічної сили потрібен якийсь ненульовий кут між ним та вітром, цей кут називають кутом атаки. Крило літака має несиметричний профіль і може нормально працювати при нульовому куті атаки, вітрило немає.
У процесі обтікання вітрила вітром з'являється аеродинамічна сила, яка у результаті рухає яхту вперед.
Розглянемо роботу вітрила у яхтингу під різними курсами щодо вітру. Спочатку для простоти уявімо, що щогла з одним вітрилом укопана в землю і ми можемо спрямовувати вітер під різними кутами до вітрила.

Кут атаки 0 °. Вітер дме вздовж вітрила, вітрило майорить, як прапор. Жодної аеродинамічної сили на вітрилі немає, є тільки сила лобового опору.
Кут атаки 7 °. Починає з'являтися аеродинамічна сила. Вона спрямована перпендикулярно вітрилу і поки що невелика за величиною.
Кут атаки близько 20 °. Аеродинамічна сила досягла свого максимального значення за величиною, спрямована перпендикулярно до вітрила.
Кут атаки 90 °. По відношенню до попереднього випадку аеродинамічна сила істотно не змінилася ні за величиною, ні за напрямом.
Таким чином, ми бачимо, що аеродинамічна сила завжди спрямована перпендикулярно до вітрила і величина її практично не змінюється в діапазоні кутів від 20 до 90°.
Кути атаки більше 90° немає сенсу розглядати, оскільки вітрила на яхті зазвичай не ставляться під такими кутами щодо вітру.

Наведені вище залежності аеродинамічної сили від кута атаки є спрощеними і усередненими.
Насправді ці властивості помітно різняться залежно від форми вітрила. Наприклад, довгий, вузький і плоский грот гоночних яхт матиме максимум аеродинамічної сили при куті атаки близько 15°, на великих кутах сила буде дещо меншою. Якщо ж вітрило більш пузате і має не дуже велике подовження, то аеродинамічна сила на ньому може бути максимальною при куті атаки близько 25-30 °.

Тепер розглянемо роботу вітрила на яхті.

Для простоти уявімо, що вітрило на яхті один. Хай це буде грот.
Спочатку варто подивитися, як поводиться система яхта + вітрило при русі найгострішими курсами щодо вітру, так як це зазвичай викликає найбільше питань.

Допустимо, на яхту діє вітер під кутом 30-35 ° до корпусу. Орієнтувавши вітрило на курсі під кутом приблизно 20 ° до вітру, ми отримаємо на ньому достатню за величиною аеродинамічну силу А.
Оскільки ця сила діє під прямим кутом до вітрила, бачимо, що вона тягне яхту сильно убік. Розклавши силу А на дві складові, можна побачити, що сила тяги вперед Т в рази менша, ніж сила, що штовхає човен (D, сила дрейфу).
За рахунок чого в такому разі яхта рухається вперед?
Справа в тому, що конструкція підводної частини корпусу така, що опір корпусу руху в бік (так зване бічне опір) також у рази більше, ніж опір руху вперед. Цьому сприяють кіль (або шверт), кермо та сама форма корпусу.
Однак бічне опір виникає тоді, коли є чому чинити опір, тобто, щоб воно почало працювати, обов'язково потрібно деяке зміщення корпусу вбік, так званий вітровий дрейф.

Це зміщення природним чином виникає під дією бічної складової аеродинамічної сили, і як реакція у відповідь відразу виникає сила бічного опору S, спрямована в протилежну сторону. Як правило, вони врівноважують один одного при куті дрейфу близько 10-15 °.
Отже, очевидно, що бічна складова аеродинамічної сили, що найяскравіше виражена на гострих курсах щодо вітру, викликає два небажані явища: вітровий дрейф і крен.

Вітровий дрейф означає, що траєкторія руху яхти не збігається з її діаметральною площиною (діаметральна площина, або ДП, - "розумний" термін, що позначає лінію ніс - корми). Відбувається постійне усунення яхти під вітер, рух як би трохи боком.
Відомо, що при яхтингу на курсі бейдевінд при середніх погодних умовахвітровий дрейф як кут між ДП та реальною траєкторією руху дорівнює приблизно 10-15°.

Просування проти вітру. Лавірування.

Оскільки яхтинг під вітрилами неможливий суворо проти вітру, а можна рухатися тільки під деяким кутом, добре мати уявлення про те, наскільки гостро до вітру в градусах може рухатися яхта. І який, відповідно, той неходовий сектор курсів щодо вітру, в якому рух проти вітру неможливий.
Досвід показує, що звичайна яхта круїз (не гоночна) може ефективно рухатися під кутом 50-55 ° до істинного вітру.

Таким чином, якщо мета, яку необхідно досягти, знаходиться суворо проти вітру, то яхтинг до неї відбуватиметься не прямою, а зигзагом одним галсом, то іншим. При цьому на кожному галсі, природно, потрібно буде намагатися максимально гостро йти до вітру. Такий процес називається лавіруванням.

Кут між траєкторіями руху яхт на двох сусідніх галсах при лавіруванні називається лавіровочним. Вочевидь, що з гостроти руху до вітру 50-55° лавірувальний кут становитиме 100-110°.

Величина куту лавіровки показує нам, наскільки ефективно ми можемо просуватися до мети, якщо вона знаходиться суворо проти вітру. Для кута 110°, наприклад, шлях до мети порівняно з рухом прямий збільшується в 1.75 рази.

Робота вітрила на інших курсах щодо вітру

Очевидно, що вже на курсі галфвінд сила тяги Т суттєво перевищує силу дрейфу D, тому дрейф і крен будуть невеликі.

При бакштагу як бачимо, порівняно з курсом галфвінд змінилося не так вже й багато. Грот поставлений у положення, майже перпендикулярне ДП, і це становище для більшості яхт є граничним, розгорнути його ще далі технічно неможливо.

Положення грота на курсі фордевінд нічим не відрізняється від положення на курсі бакштаг.
Тут для простоти при розгляді фізики процесу в яхтингу ми беремо до уваги лише одне вітрило — грот. Зазвичай на яхті поставлено два вітрила - грот і стаксель (переднє вітрило). Так ось, на курсі фордевінд стаксель (якщо він розташований з того ж боку, що й грот) знаходиться у вітровій тіні від грота і практично не працює. Це одна з кількох причин, з яких курс фордевінд нелюбимий яхтсменами.

Ми продовжуємо серію публікацій, підготовлених інтерактивним науково-популярним блогом «Поясню за дві хвилини». Блог розповідає про прості та складні речі, які щодня нас оточують і не викликають жодних питань рівно доти, доки ми про них не замислюємося. Наприклад, там можна дізнатися, як космічні корабліне промахуються та не стикаються з МКС при стикуванні.

1. Суворо проти вітру під вітрилом ходити неможливо. Однак якщо вітер дме спереду, але трохи під кутом, яхта цілком може рухатися. У таких випадках кажуть, що судно йде гострим курсом.

2. Тяга вітрила утворюється завдяки двом факторам. По-перше, вітер просто тисне на вітрила. По-друге, косі вітрила, встановлені на більшості сучасних яхт, при обтіканні повітрям працюють, як крило літака, і створюють «підйомну силу», спрямована вона не вгору, а вперед. Через особливості аеродинаміки повітря з опуклої сторони вітрила рухається швидше, ніж з увігнутої, і тиск із зовнішнього боку вітрила менше, ніж з внутрішньої.

3. Повна сила, створювана вітрилом, спрямована перпендикулярно полотну. За правилом складання векторів у ній можна виділити силу дрейфу (червона стрілка) та силу тяги (зелена стрілка).

4. На гострих курсах сила дрейфу велика, але їй протистоїть форма корпусу, кіль та кермо: яхта не може йти боком через опір води. Зате вперед вона охоче ковзає навіть за невеликої сили тяги.

5. Щоб йти суворо проти вітру, яхта лавірує: повертається до вітру то одним, то іншим бортом, просуваючись вперед відрізками - галсами. Наскільки довгими мають бути галси і під яким кутом до вітру йти важливі питання шкіперської тактики.

6. Вирізняють п'ять основних курсів судна щодо вітру. Завдяки Петру I у Росії вкоренилася голландська морська термінологія.

7. Левентик− вітер дме прямо в ніс судна. Таким курсом під вітрилом ходити не можна, проте поворот до вітру використовують, щоб зупинити яхту.

8. Бейдевінд− цей гострий курс. Коли йдеш бейдевіндом, вітер дме в обличчя, тож здається, що яхта розвиває дуже велику швидкість. Насправді це відчуття оманливе.

9. Галфвінд− вітер дме перпендикулярно до напрямку руху.

10. Бакштаг− вітер дме з корми та з борту. Це найшвидший курс. Швидкі гоночні судна, що йдуть бакштагом, здатні розігнатися до швидкості, що перевищує швидкість вітру, за рахунок підйомної сили вітрила.

11. Фордевінд- Той самий попутний вітер, що дме з корми. Попри очікування, не найшвидший курс: тут підйомна сила вітрила не використовується, і теоретична межа швидкості не перевищує швидкості вітру. Досвідчений шкіпер вміє передбачати невидимі повітряні течії так само, як пілот літака - висхідні та низхідні потоки.

Подивитися інтерактивну версію схеми можна у блозі «Поясню за дві хвилини».

До цих пір ми розглядали дію на яхту лише двох сил-сили плавучості та сили ваги, припускаючи, що вона знаходиться в рівновазі стані спокою. Але оскільки для руху вперед на яхті використовуються вітрила, на судно діє складна система сил. Схематично вона представлена ​​на рис. 4 де розглядається найбільш типовий випадок руху яхти в бейдевінд.

При обтіканні вітрил повітряним потоком - вітром - на них створюється результуюча аеродинамічна силаА (див. гл. 2), спрямована приблизно перпендикулярно поверхні вітрила і прикладена в центрі парусності (ЦП) високо над поверхнею води. Відповідно до третього закону механіки, при встановленому русі тіла по прямій кожній силі, прикладеної до тіла, у разі- до вітрил, пов'язаних із корпусом яхти через щоглу, стоячий такелаж і шкіти, має протидіяти рівна їй за величиною і протилежно спрямована сила. На яхті це результуюча гідродинамічна сила Н, прикладена до підводної частини корпусу. Таким чином, між цими силами існує відома відстань-плечо, внаслідок чого утворюється момент пари сил.

І аеро- і гідродинамічна сили виявляються орієнтованими над площині, а просторі, тому щодо механіки руху яхти розглядають проекції цих сил головні координатні площини. Маючи на увазі згаданий третій закон Ньютона, випишемо попарно всі складові аеродинамічної сили та відповідні гідродинамічні реакції:

Для того, щоб яхта стійко йшла по курсу, кожна пара сил і кожна пара моментів сил повинні дорівнювати один одному. Наприклад, сила дрейфу Fд і сила опору дрейфу Rд створюють момент, що хрещує Мкр, який повинен бути врівноважений відновлюючим моментом Мв або моментом поперечної стійкості. Мв утворюється завдяки дії сил ваги D та плавучості яхти gV, що діють на плечі. l. Ці ж сили ваги та плавучості утворюють момент опору диференту або момент поздовжньої стійкості M l, рівний за величиною і протидіє моменту, що диференціює Мд. Доданками останнього є моменти пар сил Т-Rта Fв-Нв.

У наведену схему дії сил істотні зміни вносить, особливо на легких яхтах, екіпаж. Переміщаючись на навітряний борт або по довжині яхти, екіпаж своєю вагою ефективно відкренює судно або протидіє диференту па ніс. У створенні моменту, що увалює, Мд вирішальна роль належить відповідному відхиленню керма.

Аеродинамічна бічна сила Fд, крім крену, викликає бічний знос-дрейф, тому яхта рухається не строго по ДП, а з невеликим кутом дрейфу l. Саме ця обставина обумовлює утворення на кілі яхти сили опору дрейфу Rд, яка за своєю природою аналогічна підйомній силі, що виникає на крилі літака, що розташовується під кутом атаки до потоку, що набігає. Аналогічно крилу працює на курсі бейдевінд та вітрило, для якого кутом атаки є кут між хордою вітрила та напрямом вимпельного вітру. Таким чином, у сучасній теорії корабля парусна яхта розглядається як симбіоз двох крил: корпусу, що рухається у воді, і вітрила, на який впливає вимпеловий вітер.

Стійкість

Як ми вже говорили, яхта схильна до дії сил і моментів сил, які прагнуть нахилити її в поперечному та поздовжньому напрямках. Здатність судна протистояти дії цих сил і повертатися у пряме становище після припинення їхньої дії називається стійкістю.Найбільш важливою для яхти є поперечна стійкість.

Коли яхта плаває без крену, то сили тяжкості та плавучості, прикладені відповідно до ЦТ та ЦВ, діють по одній вертикалі. Якщо при крені екіпаж або інші складові масового навантаження не переміщаються, то за будь-якого відхилення ЦТ зберігає своє початкове положення в ДП (точка Gна рис. 5), обертаючись разом із судном. У той же час внаслідок форми підводної частини корпусу ЦВ, що змінилася, зміщується з точки С про бік накрененного борту до положення C 1 . Завдяки цьому виникає момент пари сил Dта g V зплечем l, рівним горизонтальній відстані між ЦТ та новим ЦВ яхти. Цей момент прагне повернути яхту у пряме становище і тому називається відновлюючим.

При крені ЦВ переміщається по кривій траєкторії C 0 C 1 радіус кривизни гякою називається поперечним метацентричнимрадіусом, r відповідний йому центр кривизни М -поперечним метацентром. Величина радіуса r відповідно форма кривої C 0 C 1 залежать від обводів корпусу. Загалом у разі збільшення крену метацентричний радіус зменшується, оскільки його величина пропорційна четвертого ступеня ширини ватерлінії.

Очевидно, що плече моменту, що відновлює, залежить від відстані GM -підвищення метацентру над центром тяжкості: чим воно менше, тим відповідно менше при крені і плече l. На початковій стадії нахилу величини GMабо hрозглядається суднобудівниками як міра стійкості судна і називається початковою поперечною метацентричною висотою.Чим більше h,тим необхідна велика сила хрещення, щоб нахилити яхту на якийсь певний кут крену, тим стійкіше судно. На крейсерсько-перегонових яхтах метацентрична висота становить зазвичай 0,75-1,2 м; на крейсерських швертботах-0,6-0,8м.

По трикутнику GMN легко встановити, що відновлює плече . Відновлюючий момент, враховуючи рівність gV і D, дорівнює:

Таким чином, незважаючи на те, що метацентрична висота змінюється в досить вузьких межах для яхт різних розмірів, величина відновлювального моменту прямо пропорційна водотоннажності яхти, отже, більш важке судно виявляється в стані витримати хрещення момент більшої величини.

Відновлююче плече можна представити як різницю двох відстаней (див. рис. 5): l ф - плеча стійкості форми і l - плеча стійкості ваги. Неважко встановити фізичний зміст цих величин, так як l визначається відхиленням при крен лінії дії сили ваги від первісного положення точно над C 0 , а l - зміщенням на підвітряний борт центру величини зануреного об'єму корпусу. Розглядаючи дію сил D і gV щодо З, можна помітити, що сила ваги D прагне нахилити яхту ще більше, а сила gV, навпаки, випрямити судно.

По трикутнику CoGKможна визначити, що , де СоС- піднесення ЦТ над ЦП в прямому положенні яхти. Таким чином, щоб зменшити негативну дію сил ваги, необхідно по можливості знизити ЦТ яхти. В ідеальному випадку ЦТ повинен би розташуватися нижче ЦВ, тоді плече стійкості ваги стає позитивним і маса яхти допомагає їй чинити опір дії моменту, що хрещує. Однак лише деякі яхти мають таку характеристику: поглиблення ЦТ нижче ЦВ пов'язане із застосуванням дуже важкого баласту, що перевищує 60% водотоннажності яхти, надмірним полегшенням конструкції корпусу, рангоуту та такелажу. Ефект, аналогічний до зниження ЦТ, дає переміщення екіпажу на навітряний борт. Якщо йдеться про легкий швертбот, то екіпажу вдається змістити загальний ЦТ настільки, що лінія дії сили Dперетинається з ДП значно нижче за ЦВ і плече стійкості ваги виходить позитивним.

У кільової яхти завдяки важкому баластному фальшкілю центр ваги знаходиться досить низько (найчастіше під ватерлінією або злегка вище за неї). Стійкість яхти завжди позитивна і досягає максимуму при крені близько 90 °, коли яхта лежить вітрилами на воді. Зрозуміло, такий крен може бути досягнутий лише на яхті з надійно закритими отворами в палубі та з самовідливним кокпітом. Яхта з відкритим кокпітом може бути залита водою при значно меншому вугіллі крену (яхта класу «Дракон», наприклад, при 52 °) і піти на дно не встигнувши випрямитися.

У морехідних яхт положення нестійкої рівноваги настає при крені близько 130 °, коли щогла вже знаходиться під водою, спрямованої вниз під кутом 40 ° до поверхні. При подальшому збільшенні крену плече стійкості стає негативним, перекидаючий момент сприяє досягненню другого положення нестійкої рівноваги при крені 180 ° (вгору кілем), коли ЦТ виявляється розташованим високо над ЦВ досить невеликої хвилі, щоб судно прийняло знову нормальне положення вниз кілем. Відомо чимало випадків, коли яхти робили повний оборот на 360 ° і зберігали свої морехідні якості.

Порівнюючи стійкість кільової яхти і швертбота, можна помітити, що головну роль у створенні моменту, що відновлює, у швертбота грає стійкістьформи, а біля кільової яхти - стійкість ваги.Тому і існує настільки помітна різниця в обводах їх корпусів: швертботи мають широкі корпуси L/B = 2,6-3,2, зі вилицею малого радіусу і великою повнотою ватерлінії. Ще більшою мірою форма корпусу визначає стійкість катамаранів, у яких об'ємна водотоннажність розділена порівну між двома корпусами. Вже при невеликому крен водотоннажність між корпусами різко перерозподіляється, збільшуючи силу плавучості корпусу, що занурюється у воду (рис. 6). Коли інший корпус виходить з води (при крені 8-15 °), плече стійкості досягає максимальної величини - воно трохи менше половини відстані між ДП корпусів. При подальшому збільшенні крену катамаран поводиться подібно до швертботу, екіпаж якого висить на трапеції. При крені 50-60 ° настає момент нестійкої рівноваги, після чого стійкість катамарану стає негативною.

Діаграма статичної стійкості. Очевидно, що повною характеристикою стійкості яхти може бути крива зміни моменту, що відновлює Мвзалежно від кута нахилу або діаграма статичної стійкості (рис. 7). На діаграмі добре помітні моменти максимуму стійкості (Ж) і граничного кута нахилу, при якому судно, будучи надане саме собі, перекидається (3-кут заходу діаграми статичної стійкості).

За допомогою діаграми капітан судна має можливість оцінювати, наприклад, здатність яхти нести ту чи іншу парусність за вітру певної сили. Для цього на діаграму стійкості наносять криві зміни моменту, що нахиляє Мкр в залежності від кута крену. Точка Б перетину обох кривих вказує на кут крену, який отримає яхта при статичній, з плавним наростанням дії вітру. На рис. 7 яхта отримає крен, що відповідає точці Д - близько 29°. Для суден, що мають явно виражені низхідні гілки діаграми стійкості (швертботів, компромісів і катамаранів), плавання може бути допущене тільки при кутах крену, що не перевищують точки максимуму на діаграмі стійкості.

Мал. 7. Діаграма статичної стійкості крейсерсько-перегонової яхти

На практиці екіпажам яхт доводиться нерідко мати справу з динамічною дією зовнішніх сил, при якому момент, що хрещує, досягає значної величини в порівняно короткий проміжок часу. Таке буває при шквалі або ударі хвилі в навітряну вилицю. У цих випадках важлива не тільки величина моменту, що кренить, але і кінетична енергія, що повідомляється судну і поглинається роботою відновлювального моменту.

На діаграмі статичної стійкості робота обох моментів може бути представлена ​​у вигляді площ, укладених між відповідними кривими та осями ординат. Умовою рівноваги яхти за динамічного впливу зовнішніх сил буде рівність площ ОАБВЕ (робота Мкр) та ОБГВЕ (робота Мв). Враховуючи, що площі ОБВЕ загальні, можна розглядати рівність площ ОАБ та БГВ. На рис. 7 видно, що у разі динамічної дії вітру кут крену (точка Е близько 62°) помітно перевищує крен від вітру такої ж сили при його статичній дії.

За діаграмою статичної стійкості може бути визначено граничний динамічний хрещениймомент, що перекидає швертбот або загрожує безпеці яхти з відкритим кокпітом. Очевидно, що дія відновлюючого моменту може розглядатися тільки до кута заливання кокпіту або початкової точки зниження статичної стійкості діаграми.

Прийнято вважати, що кілеві яхти, забезпечені важким баластом, практично неперекидаються. Однак у вже згадуваній Фастнетській гонці 1979 77 яхт були перекинуті на кут крену більше 90 °, причому частина з них деякий час (від 30 сек до 5 хв) залишалася на плаву вгору кілем, а кілька яхт стали потім в нормальне положення через інший борт. Найбільш серйозними пошкодженнями були втрати щогл (на 12 яхтах), падіння зі своїх гнізд акумуляторів, важких камбузних плит та іншого обладнання. До небажаних наслідків призвело і влучення води всередину корпусів. Сталося це під динамічною дією крутої 9-10-метрової хвилі, профіль якої різко ламався при переході з океану в мілководне Ірландське море, при вітрі швидкістю 25-30 м/с.

Чинники, що впливають на поперечну стійкість.Таким чином, ми можемо зробити певні висновки щодо впливу різних елементів проекту яхти на її стійкість. На малих кутах крену головну роль у створенні моменту, що відновлює, грають ширина яхти і коефіцієнт повноти площі ватерлінії. Чим ширша яхта і повніша її ватерлінія, тим далі від ДП зміщується ЦВ при крені судна, тим більше плече стійкості форми. Діаграма статичної стійкості досить широкої яхти має більш круту висхідну гілку, ніж тонкої, - до = 60-80 °.

Чим нижче розташований центр ваги яхти, тим вона стійкіша, причому вплив глибокого осаду і великого баласту позначається практично по всій діаграмі стійкості яхти. Займаючись модернізацією яхти, корисно пам'ятати просте правило: кожен кілограм під ватерлінією підвищує стійкість, а кожен кілограм над ватерлінією погіршує її.Особливо відчутний для стійкості важкий рангоут та такелаж.

При однаковому розташуванні центру тяжіння яхта з надлишковим надводним бортом має вищу стійкість на кутах крену більше 30-35°, коли на судні з нормальною висотою борту палуба починає входити у воду. Високобортна яхта має велику величину максимального моменту, що відновлює. Ця якість притаманна також яхтам, що мають водонепроникні рубки досить великого обсягу.

Особливо слід зупинитися на вплив води у трюмі та рідин у цистернах. Справа не тільки в переміщенні мас рідин у бік нахрещеного борту; головну роль грає наявність вільної поверхні рідини, що переливається, а саме - її момент інерції щодо поздовжньої осі. Якщо, наприклад, поверхня води у трюмі має довжину /, а ширину Ь,то метацентрична висота зменшується на величину

, м. (9)

Особливо небезпечна вода у трюмі, вільна поверхня якого має велику ширину. Тому при плаванні у штормових умовах воду з трюму потрібно вчасно видаляти.

Для зменшення впливу вільної поверхні рідин у цистернах встановлюють поздовжні відбійні перебирання, які по ширині ділять кілька частин. У перебирання роблять отвори для вільного перетікання рідини.

Поперечна стійкість і швидкість яхти.При збільшенні крену понад 10-12 ° опір води руху яхти помітно зростає, що призводить до втрати швидкості. Тому важливо, щоб при посиленні вітру яхта довше могла нести ефективну парусність, не маючи надмірного крену. Нерідко навіть порівняно великих яхтах під час гонок екіпаж розташовується на навітряному борту, намагаючись зменшити крен.

Наскільки ефективно переміщення вантажу (екіпажу) на один борт, неважко уявити за найпростішою формулою, яка справедлива для невеликих кутів (в межах 0-10 °) крену;

, (10)

М o-момент, що хрещує яхту на 1 °;

D -водотоннажність яхти, т;

h -початкова поперечна метацентрична висота, м-код.

Знаючи масу вантажу, що переміщається, і відстань нового місця розташування його від ДП, можна визначити момент, що хрещує, а розділивши його на Мо,отримати кут крену в градусах. Наприклад, якщо на яхті водотоннажністю 7 т при А=1м п'ять осіб розташуються біля борту на відстані 1,5 м від ДП, то створюваний ними момент, що хрещує, додасть яхті крен в 4,5° (або зменшить приблизно на стільки ж крен на інший борт ).

Поздовжня стійкість.Фізика явищ, що відбуваються при поздовжніх нахилах яхти, аналогічна явищам при крені, але поздовжня метацентрична висота за величиною порівнянна з довжиною яхти. Тому поздовжні нахили, диферент, зазвичай невеликі і вимірюються над градусах, а, по змінам опади носом і кормою. І тим не менше, якщо з яхти вичавлюють всі її можливості, не можна не зважати на дію сил, що диференціюють яхту на ніс і переміщують центр величини вперед (див. рис. 4). Цьому можна протидіяти, переміщуючи екіпаж до кормової частини палуби.

Найбільшої величини сили, що диференціюють на ніс, досягають при плаванні в бакштаг; на цьому курсі, особливо у сильний вітер, екіпаж слід зміщувати якнайдалі в корму. На курсі бейдевінд диференціюючий момент невеликий, і екіпажу найкраще розташовуватись біля міделя, відкренюючи судно. На фордевінді диференціюючий момент виявляється меншим, ніж на бакштазі, особливо якщо яхта несе спинакер і блупер, що дають певну підйомну силу.

У катамаранів величина поздовжньої метацентричної висоти порівнянна з поперечною, іноді меншою за неї. Тому дія диферентуючого моменту, практично непомітна на кільовій яхті, може перекинути катамаран таких самих головних розмірів.

Статистика аварій відзначає випадки перекидання через ніс на попутних курсах крейсерських катамаранів із високою парусністю.

1.7. Опір дрейфу

Поперечна сила Fд (див. рис. 4) не тільки нахиляє яхту, вона викликає бічний знос- дрейф під вітер.Сила дрейфу залежить від курсу яхти щодо вітру. При плаванні в крутий бейдевінд вона втричі перевищує силу тяги, що рушить яхту вперед; на галфвінді обидві сили приблизно рівні в крутий бакштаг (справжній вітер близько 135 ° щодо курсу яхти) рушійна сила виявляється в 2-3 рази більше сили дрейфу, а на чистому фордевінді сила дрейфу зовсім відсутня. Отже, для того щоб судно успішно просувалося попереду курсом від бейдевінду до галфвінду, воно повинно мати достатній бічний опір дрейфу, що набагато перевищує опір води руху яхти по курсу.

Функцію створення сили опору дрейфу у сучасних яхт виконують здебільшого шверти, плавникові кілі та керма.

Як ми говорили, неодмінною умовою виникнення сили опору дрейфу є рух яхти під невеликим кутом до ДП - кутом дрейфу. Розглянемо, що при цьому відбувається в потоці води безпосередньо біля кіля, який є крилом з поперечним перерізом у вигляді тонкого симетричного аеродинамічного профілю (рис. 8).

Якщо кут дрейфу відсутній (рис. 8, а), то потік води, зустрічаючись із профілем кіля в точці a,поділяється на дві частини. У цій точці, яка називається критичною, швидкість потоку дорівнює О, тиск максимальний, що дорівнює швидкісному натиску , де r - масова щільність води (для прісної води ); v -швидкість руху яхти (м/с). І верхня і нижня частини потоку одночасно обтікають поверхні профілю і знову зустрічаються у точці bна кромці, що виходить. Очевидно, що жодної сили, спрямованої впоперек потоку, на профілі виникнути не може; діятиме лише одна сила опору тертя, обумовлена ​​в'язкістю води.

Якщо ж профіль відхилити деякий кут атаки a(у разі яхтового кіля – кут дрейфу), то картина обтікання профілю зміниться (рис. 8, б).Критична точка апереміститься на нижню частину носика профілю. Шлях, який має пройти частка води вздовж верхньої поверхні профілю, подовжиться, а точка Ь 1де за умовами нерозривності потоку мали б зустрітися частинки, що обтікають верхню і нижню поверхні профілю, пройшовши рівний шлях, виявляється на верхній поверхні. Однак при обгинанні гострої кромки профілю, що виходить, нижня частина потоку зривається c кромки у вигляді вихору (рис. 8, в і г). Цей вихор, званий стартовим, обертаючись проти годинникової стрілки, викликає циркуляцію води навколо профілю у зворотному напрямку, тобто за годинниковою стрілкою (рис. 8, д).Це явище, викликане силами в'язкості, аналогічне обертанню великого зубчастого колеса (циркуляція), що знаходиться в зачепленні з малою ведучою шестернею (стартовий вихор).

Після того як виникає циркуляція, стартовий вихор зривається з кромки, що виходить, точка b 2переміщається ближче до цієї кромки, внаслідок чого тут більше немає різниці швидкостей, з якими крило залишають верхня і нижня частини потоку. Циркуляція навколо крила стає причиною виникнення підйомної сили У, спрямованої поперек потоку: у верхній поверхні крила швидкість частинок води за рахунок циркуляції збільшується, у нижній, зустрічаючись з частинками, залученими в циркуляцію,-гальмується. Відповідно, у верхній поверхні тиск знижується в порівнянні з тиском в потоці перед крилом, а у нижній поверхні - підвищується. Різниця тисків і дає підйомну силу Y.

Крім того, на профіль діятиме сила лобового(профільного) опору X,що виникає внаслідок тертя води поверхню профілю та гідродинамічного тиску на його передню частину.

На рис. 9 представлені результати вимірювання тиску у поверхні симетричного профілю, зробленого в аеродинамічній трубі. По осі ординат відкладено значення коефіцієнта Зр, який є відношенням надлишкового тиску (повний тиск мінус атмосферне) до швидкісного натиску . На верхній стороні профілю тиск негативний (розрідження), на нижній-позитивний. Таким чином, підйомна сила, що діє на будь-який елемент профілю, складається з сил тиску і розрідження, що діють на нього, а в цілому вона пропорційна площі, укладеної між кривими розподілу тиску по хорді профілю (на рис. 9 заштриховано).

Дані на рис. 9 дозволяють зробити ряд важливих висновків про роботу яхтового кіля. По-перше, головну роль створенні бічної сили грає розрідження, що виникає на поверхні плавця з боку навітряного борту. По-друге, пік розрідження розташовується поблизу кромки кіля. Відповідно точка докладання результуючої підйомної сили знаходиться на передній третині хорди плавця. В цілому ж підйомна сила зростає до кута атаки 15-18°, після чого раптово падає.

Внаслідок утворення завихрень на стороні розрідження плавне обтікання крила порушується, розрідження падає і відбувається зрив потоку (це явище більш докладно розглянуте у гл. 2 для вітрил). Одночасно зі збільшенням кута атаки зростає лобове опір-воно досягає максимуму при a = 90 °.

Розмір дрейфу сучасної яхти рідко перевищує 5°, отже зриву потоку з кіля можна побоюватися. Однак критичний кут атаки повинен враховуватися для яхтових кермів, які проектуються та працюють також за принципом крила.

Розглянемо основні параметри яхтових кілів, які істотно впливають на їх ефективність у створенні сили опору дрейфу. В рівній мірі викладене далі можна поширити і на кермо з урахуванням того, що вони працюють із значно більшим кутом атаки.

Товщина та форма поперечного перерізу кіля.Випробування симетричних аеродинамічних профілів показали, що товстіші профілі (з більшою величиною відношення товщини перерізу) tдо його хорди Ь)дають велику підйомну силу. Їх лобовий опір вищий, ніж у профілів із меншою відносною товщиною. Оптимальні результати можуть бути отримані за t/b = 0,09-0,12. Величина підйомної сили на таких профілях порівняно мало залежить від швидкості яхти, тому кілі розвивають достатню силу опору дрейфу та слабкий вітер.

Істотний вплив на величину сили опору дрейфу робить положення максимальної товщини профілю по довжині хорди. Найбільш ефективними виявляються профілі, у яких максимальна товщина розташована на відстані 40-50% хорди від їхнього «носика». Для яхтових кермів, що працюють під великими кутами атаки, використовують профілі з максимальною товщиною, розташованої трохи ближче до передньої кромки, - до 30% хорди.

Певний вплив на ефективність кіля має форма «носика» профілю-радіус округлення вхідної кромки. Якщо кромка занадто гостра, то потік, що набігає на кіль, отримує тут велике прискорення і зривається з профілю у вигляді вихорів.

При цьому відбувається падіння підйомної сили, особливо суттєве при великих кутах атаки. Тому подібне загострення кромки, що входить, неприпустимо для кермів.

Аеродинамічний подовження.У кінці крила виявляється перетікання води з області підвищеного тиску на спинку профілю. В результаті з кінців крила зриваються вихори, що утворюють дві вихрові доріжки. На їхню підтримку витрачається досить значна частина енергії, утворюючи так зване індуктивний опір.Крім того, внаслідок вирівнювання тисків у кінці крила відбувається місцеве падіння підйомної сили, як це показано на епюрі розподілу її по довжині крила на рис. 10.

Чим коротша довжина крила Lпо відношенню до його хорди Ь,тобто чим менше його подовження L/Ь,тим більше втрата підйомної сили і тим більше індуктивний опір. В аеродинаміці прийнято оцінювати подовження крила за формулою

(де 5-площа крила), яка може бути застосована для крил та плавців будь-яких контурів. При прямокутній формі аеродинамічний подовження дорівнює співвідношенню; для трикутного крила l = 2Llb.

На рис. 10 показано крило, складене з двох трапецієподібних плавникових кілей. На яхті кіль кріпиться широкою основою до днища, тому тут перетікання води на бік розрідження відсутнє і під впливом корпусу тиску на обох поверхнях вирівнюється. Без цього впливу можна було б вважати аеродинамічний подовження вдвічі більшим, ніж відношення глибини кіля до його осаду. Насправді це ставлення, залежить від розмірів кіля, обводів яхти і кута крену перевищується лише 1,2-1,3 разу.

Вплив аеродинамічного подовження кіля на величину сили опору дрейфу, що розвивається ним. Rд можна оцінити за результатами випробувань плавника, що має профіль NACA 009 (t/b=9%) та площа 0,37 м 2 (рис. 11). Швидкість потоку відповідала швидкості руху яхти 3 вузла (1,5 м/с). Інтерес представляє зміну сили опору дрейфу при куті атаки 4-6 °, що відповідає куту дрейфу яхти на курсі бейдевінд. Якщо прийняти силу Rд при подовженні l = 1 за одиницю (6,8 при а-=5°), то при збільшенні l до 2 опір дрейфу збільшується більш ніж у 1,5 рази (10,4 кг), а при l=3-рівно удвічі (13,6 кг). Цей графік може бути якісної оцінки ефективності кермів різного подовження, які працюють у області великих кутів атаки.

Таким чином, збільшуючи подовження плавника кіля, можна отримати необхідну величину бічної сили Rд при меншій площі кіля і, отже, при меншій площі змоченої поверхні та опорі води руху яхти. Подовження кілів на сучасних крейсерсько-перегонових яхтах складає в середньому l = 1-3. Перо керма, що служить не тільки для управління судном, але і є складовим елементом у створенні опору яхти, має ще більше подовження, що наближається до l = 4.

Площа та форми кіля.Найчастіше розміри кіля визначають за статистичними даними, порівнюючи проектовану яхту з судами, що добре зарекомендували себе. На сучасних крейсерсько-гоночних яхтах з роздільним від кіля кермом сумарна площа кіля і керма становить від 4,5 до 6,5% площі парусності яхти, а площа керма-20-40% площі кіля.

Для отримання оптимального подовження конструктор яхти прагне прийняти осаду найбільшою за умов плавання або правилами обміру. Найчастіше кіль має вигляд трапеції із похилою передньою кромкою. Як показали дослідження, для яхтових кілів, що мають подовження від 1 до 3, кут між передньою кромкою та вертикаллю в межах від -8° до 22,5° практично не впливає на гідродинамічні характеристики кіля. Якщо кіль (або шверт) дуже вузький і довгий, то нахил передньої кромки більше 15 ° до вертикалі супроводжується відхиленням ліній струму води вниз по профілю у напрямку до нижнього заднього кута. Внаслідок цього падає підйомна сила та зростає лобовий опір кіля. У разі оптимальний кут нахилу становить 5° до вертикалі.

На величину підйомної сили, що розвивається кілем і кермом, значно впливає якість обробки його поверхні, особливо передньої кромки, де формується потік, що обтікає профіль. Тому рекомендується полірувати кіль та кермо на відстані не менше 1,5% хорди профілю.

Швидкість яхти.Підйомна сила на будь-якому крилі визначається за формулою:

(11)

Сy -коефіцієнт підйомної сили, що залежить від параметрів крила-форми профілю, подовження, контурів у плані, а також від кута атаки - зі збільшенням кута атаки він зростає;

r- масова щільність води;

V- швидкість потоку, що обтікає крило, м/с;

S-Площа крила, м 2 .

Таким чином, сила опору дрейфу-величина змінна, пропорційна квадрату швидкості. У початковий момент руху яхти, наприклад, після повороту оверштаг, коли судно втрачає хід, або при відході від бона в притискний вітер, підйомна сила на кілі невелика. Для того, щоб сила Yзрівнялася із силою дрейфу F D ,кіль повинен розташуватися до потоку, що набігає, під великим кутом атаки. Іншими словами, судно починає рухатися з великим кутом дрейфу. Принаймні набору швидкості кут дрейфу зменшується, доки досягне своєї нормальної величини - 3-5°.

Ця обставина має враховувати капітан, передбачаючи достатньо місця з підвітру при розгоні яхти або після повороту на новий галс. Великий початковий кут дрейфу необхідно використовувати для якнайшвидшого набору швидкості, злегка потравивши шкіти. До речі, завдяки цьому зменшується сила дрейфу на вітрилах.

Необхідно також пам'ятати механіку виникнення підйомної сили, яка з'являється на кілі лише після відриву стартового вихору та розвитку сталої циркуляції. На вузькому кілі сучасної яхти циркуляція виникає швидше, ніж на корпусі яхти з навісним на кілі кермом, тобто на крилі з великою хордою. Друга яхта більше сдрейфує під вітер, перш ніж корпус почне ефективно перешкоджати дрейфу.

Керованість

Керованістьназивається якість судна, що дозволяє йому слідувати за заданим курсом або змінювати напрямок руху. Керованою може вважатися тільки та яхта, яка реагує належним чином на перекладку керма.

Керованість поєднує дві властивості судна-стійкість на курсі та поворотливість.

Стійкість на курсі- це здатність яхти утримувати заданий прямолінійний напрямок руху при дії на неї різних зовнішніх сил: вітру, хвилювання і т. п. Стійкість на курсі залежить не тільки від конструктивних особливостейяхти та характеру дії зовнішніх сил, а й від реакції кермового на відхилення судна від курсу, його чуття керма.

Звернемося знову до схеми дії зовнішніх сил на вітрила та корпус яхти (див. рис. 4). Вирішальне значення стійкості яхти на курсі має взаємне розташування двох пар сил. Креняща сила Fд і сила опору дрейфу Rд прагнуть валіти ніс яхти під вітер, у той час як друга пара-сила тяги Тта опір руху Rприводить яхту до вітру. Очевидно, що реакція яхти залежить від співвідношення величини сил і плеч, що розглядаються. аі Ь,на яких вони діють. При збільшенні кута крену плече пари Ьтакож збільшується. Плечо валивальної пари азалежить від взаємного розташування центру парусності (ЦП) - точки застосування результуючої аеродинамічних сил до вітрил і центру бокового опору (ЦБС) - точки застосування результуючої гідродинамічних сил до корпусу яхти. Положення цих точок змінюється залежно від багатьох факторів: курсу яхти щодо вітру, форми та налаштування вітрил, крену та диферента яхти, форми та профілю кіля та керма тощо.

Тому при проектуванні та переозброєнні яхт оперують з умовними ЦП та ЦБС, вважаючи їх розташованими в центрах тяжкості плоских фігур, якими є вітрила, поставлені в діаметральній площині яхти, та підводні контури ДП з кілем, плавцями та кермом (рис. 12).

Відомо, що центр тяжкості трикутного вітрила розташовується на перетині двох медіан, а загальний центр тяжкості двох вітрил знаходиться на відрізку прямої, що з'єднує ЦП обох вітрил, і ділить цей відрізок назад пропорційно їх площі. Зазвичай до уваги береться не фактична площа стакселя, а обмірна площа переднього вітрильного трикутника.

Положення ЦБС можна визначити, врівноважуючи на вістря голки профіль підводної частини ДП, вирізаний з тонкого картону. Коли шаблон розташовується горизонтально, голка знаходиться в умовній точці ЦБС. Нагадаємо, що у створенні сили опору дрейфу головна роль належить плавниковому кілю та керму. Центри гідродинамічних тисків на їх профілях можуть бути знайдені досить точно, наприклад, для профілів з відносною товщиною t/Ьблизько 8% ця точка знаходиться на відстані близько 26% хорди від вхідної кромки. Однак корпус яхти, хоч і бере участь у створенні поперечної сили в малій мірі, вносить певні зміни до характеру обтікання кіля і керма, причому він змінюється в залежності від кута крену та диферента, а також швидкості яхти. Найчастіше на курсі бейдевінд істинний ЦБС переміщається вперед.

Конструктори, як правило, мають ЦП на деякій відстані (випередженні) попереду ЦБС. Зазвичай випередження визначається у відсотках довжини судна по ватерлінії і становить для бермудського шлюпу 15-18% Lквл.

Якщо справжній ЦП виявляється розташованим надто далеко попереду ЦБС, яхта на курсі бейдевінд упадає під вітер і рульовому доводиться постійно тримати кермо відхиленим на вітер. Якщо ж ЦП опиняється за ЦБС, то яхта прагне привести до вітру; потрібна постійна робота кермом, щоб стримувати судно.

Особливо неприємна тенденція яхти до увалювання. У разі аварії з кермом яхту не вдається за допомогою одних вітрил привести на курс бейдевінд, крім того, вона має підвищений дрейф. Справа в тому, що кіль яхти відхиляє потік води, що стікає з нього, ближче до ДП судна. Тому якщо кермо стоїть прямо, він працює із помітно меншим кутом атаки, ніж кіль. Якщо відхилити кермо в навітряну сторону, то підйомна сила, що утворюється на ньому, виявляється спрямованою в підвітряну сторону-туди ж, що і сила дрейфу на вітрилах. В даному випадку кіль і кермо «тягнуть» у різні боки, і яхта нестійка на курсі.

Інша річ легка тенденція яхти наводиться. Перекладений на невеликий кут (3-4°) під вітер кермо працює з таким самим або дещо більшим кутом атаки, що і кіль, і ефективно бере участь у опорі дрейфу. Поперечна сила, що виникає на кермі, викликає значне усунення загального ЦБС до корми, одночасно зменшується кут дрейфу, яхта стійко лежить на курсі.

Однак якщо на курсі бейдевінд кермо доводиться постійно перекладати під вітер на більшу величину, ніж 3-4 °, слід подумати про коригування відносного положення ЦПС і ЦП. На вже побудованій яхті це простіше робити, переміщуючи вперед ЦП, встановлюючи щоглу в степсі в крайнє носове положення або нахиляючи її вперед.

Причиною приведення яхти може бути грот - занадто «пузатий» або з перебраною задньою шкаториною. В цьому випадку корисний проміжний штаг, за допомогою якого можна надати щоглі в середній частині. (по висоті) прогин уперед і тим самим зробити вітрило більш плоским, а також послабити задню шкаторину. Можна також вкоротити довжину нижньої гроти.

Складніше змістити у корму ЦБС, навіщо потрібно встановити кормовий плавничок перед кермом чи збільшити площу пера керма.

Ми вже говорили, що зі збільшенням крену збільшується і тенденція яхти наводиться. Це відбувається не тільки внаслідок збільшення плеча пари сил, що приводить. Ті R.При крені гідродинамічний тиск у районі носової хвилі підвищується, що призводить до зміщення ЦПС вперед. Тому в свіжий вітер для зменшення тенденції яхти слід перемістити вперед і ЦП: взяти риф на гроті або трохи перетравити його для даного курсу. Корисно також змінити стаксель на менший за площею, завдяки чому зменшується крен та диферент яхти на ніс.

Досвідчений конструктор при виборі величини випередження азазвичай враховує стійкість яхти, щоб компенсувати зростання моменту при крені: для яхти з меншою стійкістю задається більша величина випередження, для більш стійких суден випередження приймається мінімальним.

Добре центровані яхти часто мають підвищену ризиковість на курсі бакштаг, коли потравлений на борт грот прагне розгорнути яхту носом до вітру. Цьому допомагає і висока хвиля, що набігає з корми під кутом до ДП. Щоб отримувати яхту на курсі, доводиться сильно працювати кермом, відхиляючи його на критичний кут, коли можливий зрив потоку з його підвітряної поверхні (зазвичай це трапляється при кутах атаки 15-20 °). Це супроводжується втратою підйомної сили на кермі і, отже, керованості яхти. Яхта раптово може різко кинутися до вітру та отримати великий крен, при цьому через зменшення поглиблення пера керма на бік розрідження може прорватися повітря з поверхні води.

Боротьба з цим явищем, яке отримало назву брочинг,змушує збільшувати площу пера керма та його подовження, встановлювати перед кермом плавник, площа якого становить близько чверті площі пера. Завдяки наявності плавника перед кермом організується спрямований потік води, збільшуються критичні кути атаки керма, запобігає прориву повітря до нього та зменшується зусилля на румпелі. При плаванні в бакштаг екіпаж повинен прагнути до того, щоб тяга спинакера була спрямована наскільки можна вперед, а чи не вбік, щоб уникнути зайвого крену. Важливо також перешкоджати появі диференту на ніс, у якому може зменшитися поглиблення керма. Брочингу сприяє також бортова хитавицяяхти, що виникає внаслідок зривів потоку повітря зі спинакера.

Стійкість на курсі крім розглянутого впливу зовнішніх сил та взаємного розташування їх точок застосування визначається конфігурацією підводної частини ДП. Раніше для далеких плавань по відкритій воді віддавали перевагу яхтам з довгою кільовою лінією, як великим опором повороту і відповідно - стійкістю на курсі. Однак цьому типу суден властиві істотні недоліки, наприклад, велика змочена поверхня і погана поворотливість. До того ж з'ясувалося, що стійкість на курсі залежить не так від величини бічної проекції ДП, як від положення керма щодо ЦБС, тобто від «важеля», на якому діє кермо. Відзначено, що якщо ця відстань виявляється меншою за 25% Lквл , то яхта стає ревною і погано реагує на відхилення керма. При l=40-45% Lквл (див. рис. 12) утримання судна на заданому курсі не складає труднощів.

Поворотливість- здатність судна змінювати напрямок руху і описувати траєкторію під дією керма і вітрил. Дія керма заснована на тому самому принципі гідродинамічного крила, що розглядався і для яхтового кіля. При переведенні керма на деякий кут виникає гідродинамічна сила R,одна зі складових якої Nштовхає корму яхти у бік, протилежний тій, у яку покладено кермо (рис. 13). Під її дією судно починає рухатися кривою траєкторією. Одночасно сила Rдає складову Q - силу опору, що гальмує перебіг яхти.

Якщо закріпити кермо в одному положенні, то судно піде приблизно по колу, що називається циркуляцією. Діаметр чи радіус циркуляції є мірою поворотливості судна: що більше радіус циркуляції, то гірша поворотливість. По циркуляції рухається центр тяжкості яхти, корму виносить назовні. Одночасно судно отримує дрейф, викликаний відцентровою силою та частково силою Nна пере рулі.

Радіус циркуляції залежить від швидкості та маси яхти, її моменту інерції щодо вертикальної осі, що проходить через ЦТ, від ефективності керма – величини сили Nта її плеча щодо ЦТ при даному відхиленні керма. Чим більша швидкість і водотоннажність яхти, чим більше важких мас (двигун, якоря, деталі обладнання) розміщено на краях судна, тим більше радіус циркуляції. Зазвичай радіус циркуляції, визначений на ходових випробуваннях яхти, виражають у довжинах корпусу.

Поворотливість тим краща, чим коротша підводна частина судна і чим ближче до міделя сконцентрована її основна площа. Погана поворотливість має, наприклад, судна з довгою кільовою лінією (типу військово-морських шлюпок) і, навпаки, гарною - швертботи з вузькими глибокими швертами.

Ефективність керма залежить від площі та форми пера, профілю поперечного перерізу, аеродинамічного подовження, типу установки (на ахтерштевні, окремо від кіля або на плавнику), а також відстані балера від ЦБС. Найбільшого поширення набули керма, спроектовані у вигляді крила з аеродинамічним профілем поперечного перерізу. Максимальна товщина профілю приймається зазвичай у межах 10-12% хорди і розташовується на 1/3 хорди від передньої кромки. Площа керма зазвичай становить 9,5-11% площі зануреної частини ДП яхти.

Кермо з великим подовженням (відношення квадрата глибини занурення керма до його площі) розвиває велику поперечну силу на малих кутах атаки, завдяки чому він бере участь у забезпеченні бічної сили опору дрейфу. Однак, як показано на рис. 11 на певних кутах атаки профілів різного подовження відбувається відрив потоку від поверхні розрідження, після чого підйомна сила на профілі істотно падає. Наприклад, при l= 6 критичний кут перекладки керма становить 15 °; при l=2- 30 °. Як компроміс застосовують рулі з подовженням l = 4-5 (співвідношення сторін прямокутного керма 2-2,5), а підвищення критичного кута перекладки встановлюють перед кермом плавник-скег. Кермо з великим подовженням швидше реагує на перекладку, так як циркуляція потоку, що зумовлює підйомну силу, швидше розвивається навколо профілю з малою хордою, ніж навколо всієї підводної частини корпусу з кермом навісним на ахтерштевні.

Верхня кромка керма повинна щільно прилягати до корпусу в межах робочих відхилень ±30°, щоб перешкоджати перетіканню води через неї; інакше ефективність роботи керма погіршується. Іноді на пере рулі, якщо він навішений на транці, закріплюють аеродинамічну шайбу у вигляді широкої пластини поблизу ватерлінії.

Сказане про форму кілів можна застосувати і до кермів: оптимальною вважається трапецієподібна форма з прямокутною або злегка округленою нижньою кромкою. Для зменшення зусиль на румпелі кермо іноді роблять балансирного типу з віссю обертання, розташованої на 1/4-1/5 хорди від «носика» профілю.

При керуванні яхтою необхідно враховувати специфіку роботи керма в різних умовах, і перш за все зрив потоку з спинки. Не можна робити різких перекладок керма на борт на початку повороту-відбудеться зрив потоку, поперечна сила Nна кермі впаде, зате швидко збільшиться сила опору R.Яхта входитиме в циркуляцію повільно і з великою втратою швидкості. Починати поворот необхідно, переклавши кермо на невеликий кут, але як тільки корма покотиться назовні та кут атаки керма, почне зменшуватись, його слід перекласти на більший кут щодо ДП яхти.

Слід пам'ятати, що поперечна сила на кермі швидко збільшується зі збільшенням швидкості яхти. У слабкий вітер марно намагатися повернути яхту швидко, перекладаючи кермо на великий кут (до речі, величина критичного кута залежить від швидкості: на меншій швидкості відрив потоку відбувається при менших кутах атаки).

Опір керма при зміні курсу яхти в залежності від його форми, конструкції та розташування становить від 10 до 40% загального опору яхти. Тому до техніки, керування кермом (і до центрування яхти, від якої залежить стійкість, на курсі) треба ставитись дуже серйозно, не допускати відхилення керма на більший кут, ніж це необхідно.

Хідкість

Ходкістюназивають здатність яхти розвивати певну швидкість за ефективного використання енергії вітру.

Швидкість, яку може розвинути яхта, залежить насамперед від швидкості вітру, оскільки всі аеродинамічні сили, які діють вітрила. навіть сила тяги, зростають пропорційно квадрату швидкості вимпельного вітру. Крім того, вона залежить і від енергоозброєності судна - відношення площі вітрильні до його розмірів. Як характеристику енергоозброєності найчастіше застосовують відношення S" 1/2 /V 1/3(де S-площа парусності, м 2; V-повне водотоннажність, м 3) або S/W (тут W - змочена поверхня корпусу, включаючи кіль і кермо).

Сила тяги, а отже, і швидкість яхти визначається ще й здатністю вітрильного озброєннярозвивати достатню потяг на різних курсах по відношенню до напрямку вітру.

Перелічені фактори відносяться до вітрил-рушія яхти, що перетворює енергію вітру в рушійну силу Т.Як показано на рис. 4, ця сила при рівномірному русі яхти повинна дорівнювати і протилежно спрямована силі опору руху R.Остання є проекцією результуючих всіх гідродинамічних сил, що діють на змочену поверхню корпусу, на напрям руху.

Розрізняють два роду гідродинамічних сил: сили тиску, спрямовані перпендикулярно поверхні корпусу, і сили в'язкості, що діють щодо цієї поверхні. Результуюча сила в'язкості дає силу опору тертя.

Сили тиску обумовлені утворенням при русі яхти хвиль на поверхні води, тому їхня результуюча дає силу хвильового опору.

При великій кривизні поверхні корпусу в кормовій частині прикордонний шар може відриватися від обшивки, можуть утворюватися завихрення, що поглинають частину енергії рушійної сили. Так виникає ще одна складова опору руху яхти. опір форми.

Ще два види опору з'являються у зв'язку з тим, що яхта рухається не прямо вздовж ДП, а з деяким кутом дрейфу та з креном. Це індуктивне та креновеопору. Істотну частку в індуктивному опорі займає опір виступаючих частин - кіля та керма.

Нарешті, руху яхти вперед чинить опір і повітря, що омиває корпус, екіпаж, систему тросів такелажу і вітрила. Ця частина опору зветься повітряного.

Опір тертя.При русі яхти частинки води, що безпосередньо примикають до обшивки корпусу, ніби прилипають до неї і захоплюються разом із судном. Швидкість цих частинок щодо корпусу дорівнює нулю (рис. 14). Наступний шар частинок, ковзаючи по першому, вже трохи відстає від відповідних точок корпусу, а на певній відстані від обшивки вода взагалі залишається нерухомою або має швидкість відносно корпусу, що дорівнює швидкості яхти. v.Цей шар води, в якому діють сили в'язкості, а швидкість руху частинок води щодо корпусу зростає від 0 до швидкості судна називається прикордонним шаром. Товщина його відносно невелика і становить від 1 до 2% довжини корпусу ватерлінії, проте характер або режим руху частинок води в ньому істотно впливає на величину опору тертя.

Встановлено, що режим руху часгиць змінюється в залежності від швидкості судна та довжини його змоченої поверхні. У гідродинаміці ця залежність виражається числом Рейнольдса:

n - коефіцієнт кінематичної в'язкості води (для прісної води n = 1,15-10 -6 м 2 /с);

L -довжина змоченої поверхні, м;

v -швидкість яхти, м/с.

При відносно невеликій кількості Rе=10 6 частинки води в прикордонному шарі рухаються шарами, утворюючи ламінарнийпотік. Його енергії виявляється недостатньо, щоб подолати сили в'язкості, що перешкоджають поперечним переміщенням частинок. Найбільший перепад швидкості між шарами частинок виявляється безпосередньо біля поверхні корпусу; відповідно, і сили тертя мають тут найбільшу величину.

Число Рейнольдса у прикордонному шарі збільшується в міру віддалення частинок води від форштевня (із зростанням змоченої довжини). При швидкості 2 м/с, наприклад, вже на відстані близько 2 м від нього Reдосягне критичної величини, при якій режим потоку в прикордонному шарі стає вихровим, тобто турбулентним і спрямованим упоперек прикордонного шару. Внаслідок обміну кінетичної енергією між шарами швидкість частинок поблизу поверхні корпусу зростає більшою мірою, ніж при ламінарному потоці. Перепад швидкостей Dvтут зростає, відповідно зростає та опір тертя. Внаслідок поперечних рухів частинок води товщина прикордонного шару збільшується, а опір тертя різко збільшується.

Ламінарний режим обтікання охоплює лише невелику частину корпусу яхти в його носовій частині і лише на малих швидкостях. Критична величина Re,при якій виникає турбулентне обтікання корпусу, лежить в межах 5-105-6-106 і значною мірою залежить від форми і гладкості поверхні його. При підвищенні швидкості точка переходу ламінарного прикордонного шару в турбулентний переміщається у бік носа і за досить високої швидкості може настати момент, коли вся змочена поверхня корпусу буде охоплена турбулентним потоком. Щоправда, безпосередньо біля обшивки, де швидкість обтікання близька до нуля, все ж таки зберігається найтонша плівка з ламінарним режимом-ламінарний підшар.

Опір тертя розраховують за такою формулою:

(13)

Rтр – опір тертя, кг;

zтр – коефіцієнт опору тертя;

r-масова густина води;

для прісної води:

v -швидкість яхти, м/с;

W-змочена поверхня, м2.

Коефіцієнт опору тертя-величина змінна, що залежить від характеру потоку в прикордонному шарі, довжини корпусу Lквл швидкості v та шорсткості поверхні корпусу.

На рис. 15 показана залежність коефіцієнта опору тертя zтр від числа Reта шорсткості поверхні корпусу. Зростання опору шорсткої поверхні порівняно з гладкою легко пояснити наявністю в турбулентному прикордонному шарі ламінарного підшару. Якщо горбки лежить на поверхні повністю занурені в ламінарний підшар, всі вони не вносять істотних змін у характер ламінарного течії підшару. Якщо ж нерівності перевищують товщину підшару і виступають над ним, відбувається турбулізація руху частинок води по всій товщині прикордонного шару, і коефіцієнт тертя відповідно зростає.

Мал. 15 дозволяє оцінити важливість обробки днища яхти зниження її опору тертя. Наприклад, якщо яхта довжиною 7,5 м по ватерлінії йде зі швидкістю v= 6 вузл. (3,1 м/с), то відповідне число

Припустимо, що днище яхти має шорсткість (середню висоту нерівностей) k== 0,2 мм, що відповідає відносній шорсткості

L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4 . Для цієї шорсткості та числа R екоефіцієнт тертя дорівнює z тр = 0,0038 (точка г).

Оцінимо, чи можна отримати в даному випадку поверхню днища, близьку до технічно гладкої. При R е = 2-10 7 такої поверхні відповідає відносна шорсткість L/k= 3 10 5 або абсолютна шорсткість k= 7500/3 10 5 = 0,025 мм. Досвід показує, що цього можна досягти, ретельно відшліфувавши днище дрібною шкіркою, а потім відлакувавши його. Чи виправдаються витрачені зусилля? Графік показує, що коефіцієнт опору тертя знизиться до z тр =0,0028 (точка Д), або на 30%, ніж, звичайно, не може нехтувати екіпаж, що розраховує на успіх у перегонах.

Лінія Б дозволяє оцінити допустиму шорсткість днища для яхт різних розмірів та різної швидкості. Можна помітити, що зі збільшенням довжини ватерлінії та швидкості вимоги до якості поверхні зростають.

Для орієнтування наведемо значення шорсткості (мм) для різних поверхонь:

дерев'яна, ретельно лакована та шліфована - 0,003-0,005;

дерев'яна, забарвлена ​​та шліфована - 0,02-0,03;

пофарбована патентованим покриттям – 0,04-0,С6;

дерев'яна, забарвлена ​​суриком – 0,15;

звичайна дошка – 0,5;

обросле мушлями днище - до 4,0.

Ми вже говорили, що на частині довжини яхти, починаючи від форштевня, може зберігатися ламінарний прикордонний шар, якщо тільки надмірна шорсткість не сприятиме турбулізації потоку. Тому особливо важливо ретельно обробляти носову частинукорпуси, всі вхідні кромки кіля, плавців та кермів. При малих поперечних розмірах – хордах слід шліфувати всю поверхню кіля та керма. У кормовій частині корпусу, де товщина прикордонного шару збільшується, вимоги до обробки поверхні можуть бути знижені.

Особливо сильно відбивається на опорі тертя обростання днища водоростями та черепашками. Якщо періодично не очищати днище яхт, які постійно перебувають у воді, то через два-три місяці опір тертя може збільшитися на 50-80%, що рівнозначно втрати швидкості в середній вітер на 15-25%.

Опір форми.Навіть у добре обтічного корпусу на ходу можна виявити кільватерний слід-струм, в якому вода здійснює вихрові рухи. Це наслідок відриву від корпусу прикордонного шару у певній точці (Б на рис. 14). Положення точки залежить від характеру зміни кривизни поверхні довжиною корпусу. Чим плавніші обводи кормового краю, тим далі до корми відбувається відрив прикордонного шару і менше виховання.

При нормальних співвідношеннях довжини корпусу до ширини опір форми невеликий. Збільшення його може бути обумовлено наявністю гострих вилиць, зламів обводів корпусу, неправильно спрофільованих кілів, кермів та інших виступаючих частин. Опір форми збільшується, зі зменшенням протяжності зони, ламінарного прикордонного шару, тому слід зняти напливи фарби, зменшити шорсткість, закласти виїмки в обшивці, поставити обтічники на виступаючі патрубки і т. п.

Хвильовий опір.Виникнення хвиль у корпусу судна за його руху викликано дією сил тяжкості рідини межі розділу води та повітря. У носовому краю, у місці зустрічі корпусу з водою, тиск різко підвищується і вода піднімається на деяку висоту. Ближче до міделя, де внаслідок розширення корпусу судна швидкість обтікаючого потоку збільшується, тиск у ньому, згідно із законом Бернуллі, падає і рівень води знижується. У кормовій частині, де тиск знову підвищується, утворюється друга вершина хвилі. Частинки води починають коливання поблизу корпусу, які викликають вторинні коливання поверхні води.

Виникає складна система носових та кормових хвиль, яка за своїм характером однакова для суден будь-яких розмірів (рис. 16). На малій швидкості добре помітні хвилі, що розходяться, що зароджуються в носі і кормі судна. Їхні гребені розташовані під кутом 36-40° до діаметральної площини. На високих швидкостях виділяються поперечні хвилі, гребені яких виходять межі сект/ера, обмеженого кутом 18-20° до ДП судна. Носова та кормова системи поперечних хвиль взаємодіють один з одним, наслідком чого може бути як збільшення висоти сумарної хвилі за кормою судна, так і її зменшення. У міру віддалення від судна енергія хвиль поглинається середовищем і поступово згасають.

Розмір хвильового опору змінюється залежно від швидкості яхти. З теорії коливань відомо, що швидкість поширення хвиль пов'язана з їх довжиною lспіввідношенням

де p = 3,14; v-швидкість яхти, м/с; g = 9,81 м/с 2 – прискорення сили тяжіння.

Оскільки хвильова система рухається разом з яхтою, то швидкість поширення хвилі дорівнює швидкості яхти.

Якщо йдеться, наприклад, про яхту довжиною по ватерлінії 8 м, то при швидкості 4 уз на довжині корпусу розміститься близько трьох поперечних хвиль, при швидкості 6 уз - півтори. Залежність між довжиною поперечної хвилі X, створюваної корпусом довжиною Lквл! що рухаються зі швидкістю v,багато в чому визначає величину хвильового опору.