Як працює парус

18


Думаю, що багато хто з нас шансом скористалися б зануритися в морську безодню на якомусь підводному апараті, але все ж, більшість би вважало за краще морську подорож на вітрильнику. Коли ще не було ні літаків, ні поїздів було лише вітрильники. Без них світ був, не став таким.
Вітрильники з прямими вітрилами привезли європейців до Америки. Їх стійкі палуби і місткі трюми доставили людей та припаси для будівництва Нового світу. Але й у цих старовинних кораблів були свої обмеження. Вони йшли повільно і практично в одному напрямку вітру. З тих пір багато чого змінилося. Сьогодні вітрильники використовують зовсім інші принципи управління силою вітру і хвиль. Так що якщо захочете покататися на сучасному вітрильному кораблі, доведеться опанувати фізику.

Сучасний вітрильний спорт це не просто рух за вітром, це щось впливає на вітрило, і змушує його летіти подібно крила. І це невидиме «щось» називається підйомною силою, яку вчені називають бічною силою.
Уважний спостерігач не міг не помітити, що не залежно від того куди дме вітер вітрильна яхта завжди рухається туди, куди потрібно капітанові — навіть коли вітер зустрічний. У чому ж секрет такого дивного поєднання впертості і слухняності.
Багато хто навіть не здогадуються, що вітрило це крило, і принцип роботи крила і вітрила один. В його основі лежить підйомна сила, тільки якщо підйомна сила крила літального апарату, використовуючи зустрічний вітер, штовхає літак вгору, то вертикально розташований парус направляє вітрильник уперед. Щоб пояснити це з наукової точки зору необхідно повернутися до витоків — як працює парус.

Подивіться, на змодельований процес, який показує, як повітря діє на площину вітрила. Тут можна бачити, що потоки повітря під моделлю, мають більший вигин, згинаються, щоб обійти його. При цьому потоку доводиться трохи прискоритися. В результаті виникає область низького тиску — це і створює підйомну силу. Низький тиск на нижній стороні тягне парус до низу.
Іншими словами область з високим тиском намагається перейти до області низького тиску, чинячи тиску на вітрило. Виникає різниця тисків, що породжує підйомну силу. Завдяки формі вітрила, з внутрішньої навітряного боку, швидкість вітру менше, ніж з підвітряного боку. На зовнішній стороні утворюється розрідження. У вітрило в буквальному сенсі всмоктується повітря, яке і штовхає вітрильну яхту вперед.

Насправді цей принцип досить простий для розуміння, досить придивитися на будь-яке вітрильне судно. Фокус тут в тому, що парус як би ні був розташований, передає судну енергію вітру і навіть якщо візуально здається, що вітрило повинен гальмувати яхту, центр прикладення сил знаходиться ближче до носу вітрильника, і сила вітру забезпечує поступальний рух.
Але це теорія, а на практиці все трохи по-іншому. Насправді вітрильна яхта не може йти проти вітру — вона рухається під певним кутом до нього, так званими галсами.
Вітрильник рухається за рахунок балансу сил. Вітрила діють як крила. Велика частина виробленої ними підйомної сили спрямоване в бік, і лише невелика кількість вперед. Втім, секрет в цьому чудовому явище в так званому «невидимому» парусі, який знаходиться під днищем яхти. Це кіль або на морському мовою — шверт. Підйомна сила шверте також виробляє підйомну силу, яка теж спрямована в основному в бік. Кіль протистоїть крену і протилежної силі, що діє на вітрило.

Крім підйомної сили виникає ще й крен — шкідливий для руху вперед і небезпечне для екіпажу судна явище. Але для того на яхті та існує команда, щоб служити живим противагою невблаганним фізичним законам.

У сучасному вітрильнику і кіль, і вітрило спільними зусиллями направляють вітрильник уперед. Але як підтвердить будь-який початківець моряк на практиці все набагато складніше, ніж в теорії. Досвідчений моряк знає, що найменші зміни вигину вітрила дають можливість отримати більше підйомної сили і контролювати її напрямок. Змінюючи вигин вітрила, умілий моряк управляє розміром і розташуванням області, що виробляє підйомну силу. З допомогою глибокого вигину спрямованого вперед можна створити велику зону тиску, але якщо вигин занадто великий або передня кромка занадто крута молекули повітря, оточуючі парус перестануть дотримуватися його вигину. Іншими словами, якщо у предмета гострі кути частки потоку не зможуть зробити поворот — занадто сильний імпульс руху, це явище отримало назву «відокремився потік». Результат цього ефекту — парус «заполощет», втративши вітер.
А ось ще кілька практичних порад використання вітрової енергії. Оптимальний курс виходу на вітер (гоночний бейдевінду). Моряки називають його «хід проти вітру». Вымпельный вітер, що має швидкість 17 вузлів, відчутно швидше істинного вітру, що створює хвильову систему. Різниця їх напрямів становить 12°. Курс до вымпельному вітрі — 33° до істинного вітрі — 45°. Вітрильник йде зі швидкістю 5 вузлів.
Повний Курс бейдевінду під кутом 50° до вымпельному вітром. Швидкість останнього становить 16 вузлів, що вище швидкості справжнього вітру. Різниця напрямків вітру досягає 21°, швидкість вітрильника — 6 вузлів.

зліва — курс гоночний бейдевінду, праворуч — курс повний бейдевінду
Курс галфвинд найбільш швидкий — вітрильник йде зі швидкістю 8 вузлів. Швидкість вымпельного вітру, як і раніше вище швидкості істинного, руху яхти хвилювання не заважає.
Курс повний бакштаг. Вітер діє на вітрила з відносно невеликою силою — вітрила на курсі 160° до істинного вітру працюють не ідеально.

зліва — курс галфвинд, праворуч — курс галфвинд
Курс фордевінд або «прямо за вітром». Навіть швидкісні вітрильні яхти розвивають у цьому випадку невисокі швидкості, оскільки швидкість вымпельного вітру падає до 8 вузлів.

Так звана вітрова карусель — графічне зображення напрямків і швидкостей вымпельного вітру щодо справжнього вітру на всіх курсах яхти. Швидкість вымпельного вітру змінюється від 8 до 17 вузлів при незмінній швидкості справжнього вітру в 13 вузлів.

Що ж, якщо ви захотіли навчитися керувати сучасним вітрильником, то у вас є над чим подумати. Але те, що стосується фізики, в даній публікації ми лише ковзнули по поверхні, але конструктори авіаційних і космічних апаратів продовжують заглиблюватися в деталі. Для них вітрильний спорт це циркуляційний поле обтікання, теорія в’язкості і стартові вихори, а в цих областях навіть вони не завжди приходять до згоди. Однак справжньому морякові допомагають чуття і досвід, так що не обов’язково розбиратися у всіх тонкощах фізики, щоб стати добрим моряком.