4.4. Działanie wiatru na żagiel

Na łódź pod żaglami działają dwa media: przepływ powietrza działający na żagiel i powierzchnię łodzi oraz woda działająca na podwodną część łodzi.

Dzięki kształtowi żagla nawet przy najbardziej niekorzystnym wietrze (złym wietrze) łódź może płynąć do przodu. Żagiel przypomina skrzydło, którego największe ugięcie wynosi 1/3-1/4 szerokości żagla od liku przedniego i wynosi 8-10% szerokości żagla (ryc. 44).

Jeśli wiatr o kierunku B (ryc. 45, a) napotka po drodze żagiel, okrąży go z dwóch stron. Po nawietrznej stronie żagla ciśnienie jest wyższe (+) niż po zawietrznej (-). Wypadkowa sił nacisku tworzy siłę P skierowaną prostopadle do płaszczyzny żagla lub cięciwy przechodzącej przez liki przednią i tylną i przyłożoną do środka nawiewu procesora (ryc. 45, b).

Ryż. 44. Profil żagla:
B - szerokość żagla wzdłuż cięciwy

Ryż. 45. Siły działające na żagiel i kadłub łodzi:
a - wpływ wiatru na żagiel; b - wpływ wiatru na żagiel i wodę na kadłub łodzi

Ryż. 46. ​​​​Prawidłowe ustawienie żagla przy różnych kierunkach wiatru: a - na wiatr; b - wiatr zatokowy; w - żart

Siła P rozkłada się na siłę ciągu T, skierowaną równolegle do płaszczyzny środkowej (DP) łodzi, zmuszając ją do poruszania się do przodu, oraz siłę znoszenia D, skierowaną prostopadle do DP, powodując znoszenie i przechylenie łodzi .

Siła P zależy od prędkości i kierunku wiatru względem żagla. Więcej
Jeśli
Wpływ wody na łódź w dużej mierze zależy od konturów jej podwodnej części.

Pomimo tego, że przy wiejącym wietrze siła znoszenia D przewyższa siłę ciągu T, łódź porusza się do przodu. Tutaj wpływa opór boczny R 1 podwodnej części kadłuba, który jest wielokrotnie większy niż opór czołowy R.

Ryż. 47. Wiatr proporzecowy:
V I - prawdziwy wiatr; В Ш - wiatr od ruchu łodzi; B B - wiatr proporzecowy

Siła D, pomimo sprzeciwu kadłuba, mimo to zrzuca łódź z kursu. Opracowane przez DP i kierunek prawdziwego ruchu łodzi IP
Zatem największy ciąg i najmniejsze znoszenie łodzi można uzyskać wybierając najkorzystniejsze położenie płaszczyzny środkowej łodzi i płaszczyzny żagla względem wiatru. Ustalono, że kąt między DP łodzi a płaszczyzną żagla powinien być równy połowie
Przy wyborze położenia żagla względem DP i wiatru sternik łodzi kieruje się nie wiatrem prawdziwym, ale proporzecowym (pozornym), którego kierunek wyznacza wypadkowa prędkości łodzi łodzi i prędkość prawdziwego wiatru (ryc. 47).

Wysięgnik, umieszczony przed przednią częścią stopy, pełni rolę listwy. Strumień powietrza przepływający pomiędzy fokiem a fokiem zmniejsza nacisk po zawietrznej stronie foka i tym samym zwiększa jego siłę napędową. Dzieje się tak tylko pod warunkiem, że kąt między wysięgnikiem a DP łodzi jest nieco większy niż kąt między dziobem a DP (ryc. 48, a).

O oddziaływaniu wiatru na statek decyduje jego kierunek i siła, kształt i wielkość powierzchni żagli statku, położenie środka żagla, wartości zanurzenia, przechyłu i przegłębienia.

Działanie wiatru w zakresie kątów kursu 0-110° powoduje utratę prędkości, a przy dużych kątach kursu i sile wiatru nie większej niż 3-4 punkty – część jej przyrostu.

Działaniu wiatru w zakresie 30-120° towarzyszy dryf i przechył wiatru.

Na poruszający się statek działa wiatr względny (pozorny), co wiąże się z prawdziwymi zależnościami (rys. 7.1) (2):

Gdzie Vi jest rzeczywistą prędkością wiatru, m/s;

VK – pozorna prędkość wiatru, m/s;

V0 - prędkość statku, m/s;

βo – kąt dryfu statku, stopnie.

Yk - pozorny kąt wiatru;

Yi to kąt prawdziwego wiatru.

Specyficzne ciśnienie wiatru na statku w kgf / m oblicza się ze wzoru

Gdzie W - prędkość wiatru, m/s.

Ryż. 7.1. Zależność wiatru rzeczywistego i pozornego

Ryż. 7.2. akcja w momencie przechylania

Zatem podczas huraganu, gdy prędkość wiatru osiąga 40-50 m/s, wielkość obciążenia wiatrem osiąga 130-200 kgf/m2.

Całkowite ciśnienie wiatru na statku określa się z wyrażenia P = pΩ, gdzie jest powierzchnia żagla statku.

Wartość momentu przechylającego Mkr (rys. 7.2) w kgf m dla przypadku ruchu ustalonego i działania siły parcia wiatru P, prostopadle do DP statku, wyznacza się ze wzoru

Gdzie zn jest rzędną środka żagla, m;

T to średnie zanurzenie statku, m.

Najbardziej znaczący wpływ na statek ma szorstkość morza. Towarzyszy temu działanie na kadłub znacznych obciążeń dynamicznych i przechylanie statku. Podczas żeglugi na falach zwiększają się opory kadłuba statku i pogarszają się warunki wspólnej pracy śrub napędowych, kadłuba i silników głównych.

Ryż. 7.3. Elementy falowe

W rezultacie maleje prędkość, wzrasta obciążenie głównych maszyn, wzrasta zużycie paliwa i zmniejsza się zasięg rejsu statku. Kształt i wielkość fal charakteryzują następujące elementy (ryc. 7.3):

Wysokość fali h - odległość w pionie od góry do dołu fali;

Długość fali λ to pozioma odległość między dwoma sąsiadującymi grzbietami lub podeszwami;

Okres fali t to przedział czasu, w którym fala pokonuje drogę równą jej długości (3);

Prędkość fali C to odległość, jaką przebywa fala w jednostce czasu.

Ze względu na pochodzenie fale dzielą się na wiatrowe, pływowe, anemobaryczne, trzęsienia ziemi (tsunami) i fale morskie. Najczęściej spotykane są fale wiatru. Istnieją trzy rodzaje fal: wiatr, fale i mieszane. Fale wiatru – powstają pod bezpośrednim wpływem wiatru, w przeciwieństwie do falowania, które jest falą bezwładności, czyli falą wywołaną wiatrem sztormowym wiejącym w odległym obszarze. Profil fali wiatru nie jest symetryczny. Jego zawietrzna strona jest bardziej stroma niż strona nawietrzna. Na szczytach fal wiatrowych tworzą się grzbiety, których wierzchołki zapadają się pod działaniem wiatru, tworząc pianę (jagnięta) i odrywają się przy silnym wietrze. Kierunek wiatru i kierunek fal wiatru na otwartym morzu z reguły pokrywają się lub różnią się o 30-40 °. Wielkości fal wiatru zależą od prędkości wiatru i czasu jego oddziaływania, długości drogi przepływu wiatru nad powierzchnią wody oraz głębokości danego obszaru (tabela 7.1).

TABELA 7.1. MAKSYMALNE WARTOŚCI ELEMENTÓW FALI DLA MORZA GŁĘBOKIEGO (H/Λ > 1/2)

Najbardziej intensywny wzrost fali obserwuje się przy stosunku C/W< 0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста волн. По­этому волны опасны не в момент наибольшего ветра, а при последующем его ослаблении.

Do przybliżonych obliczeń średniej wysokości fali stałej fali oceanicznej stosuje się następujące wzory:

Przy wietrze do 5 punktów

Przy wietrze powyżej 5

Gdzie B jest siłą wiatru w punktach skali Beauforta (§ 23.3).

W warunkach rozwiniętych fal dochodzi do interferencji poszczególnych fal (do 2% ogólnej liczby i więcej), które osiągają swój maksymalny rozwój i dwu-, trzykrotnie przekraczają średnią wysokość fali. Takie fale są szczególnie niebezpieczne.

Superpozycja jednego układu falowego na drugi następuje najintensywniej przy zmianie kierunku wiatru, częstych naprzemiennych wiatrach sztormowych oraz przed frontem cyklonów tropikalnych (4).

Energia powstałych fal jest niezwykle wysoka. Dla statku dryfującego dynamiczny wpływ fal można wyznaczyć z wyrażenia p=0,1 τ², gdzie τ jest prawdziwym okresem fali, s.

Zatem dla okresów fal trwających około 6-10 s wartość P może osiągnąć imponujące wartości (3,6-10 t/m²).

Kiedy statek porusza się pod falę, dynamiczny efekt fal będzie wzrastał proporcjonalnie do kwadratu prędkości statku, wyrażonej w metrach na sekundę.

Długość fali w metrach, prędkość w metrach na sekundę i okres w sekundach są powiązane następującymi zależnościami:

Praktycznie poruszający się statek spotyka nie prawdziwy, ale względny (pozorny) okres fali τ”, który wyznacza się na podstawie wyrażenia

Gdzie a jest kątem kursu czoła grzbietu fali, mierzonym wzdłuż dowolnego boku.

Plus odnosi się do przypadku ruchu pod falę, minus - wzdłuż fali.

Przy zmianie kursu statek znajduje się względem zmniejszonej długości fali λ”:

Charakter przechyłu statku ma złożony związek pomiędzy elementami fal (h, λ, τ i C) a elementami statku (L, D, T1,2 i δ).

O bezpieczeństwie statku pod względem stateczności decyduje nie tylko jego konstrukcja i rozmieszczenie ładunku, ale także jego kurs i prędkość. W warunkach rozwiniętej falowania kształt wodnicy eksploatacyjnej ulega ciągłym zmianom. W związku z tym zmienia się kształt zanurzonej części kadłuba, ramiona stabilizujące kształt i momenty przywracające.

Pobytowi statku na dnie fali towarzyszy wzrost momentów przywracających. Przebywanie statku (szczególnie przez długi czas) na grzbiecie fali jest niebezpieczne i może doprowadzić do wywrócenia się statku. Najbardziej niebezpieczne jest przechylenie rezonansowe, w którym okres drgań własnych statku T1,2 jest równy widzialnemu (obserwowanemu) okresowi fali?” Charakter przechyłu rezonansowego na pokładzie pokazano na rys. 7.4.< T1 /τ" < 1,3

Kołysanie rezonansowe jest szczególnie niebezpieczne, gdy statek znajduje się z opóźnieniem w stosunku do fali.
Gdy statek podąża kursem pod falę, straty prędkości znacznie wzrastają, kończyny są odsłonięte, a obroty gwałtownie rosną. Uderzenia fal w dno dziobu (zjawisko „wyszczuplania”) mogą prowadzić do deformacji kadłuba i wyrwania poszczególnych mechanizmów i urządzeń z fundamentów.

Podążając za falą, statek jest mniej podatny na uderzenia fal. Jednak podążanie za nią wzdłuż fali z prędkością bliską prędkości fali VK = (0,6-1,4) C (statek „osiodłał” falę) prowadzi do gwałtownej utraty stateczności bocznej w wyniku zmiany kształtu i powierzchni czynnej wodnicy, a to prowadzi do powstania momentu żyroskopowego, który działa w płaszczyźnie wodnicy i znacząco pogarsza sterowność statku.

Ryż. 7.4. rolka rezonansowa

Najbardziej niebezpieczna jest żegluga małego statku po czystym morzu, gdy λ=L statku i VK=C.

Yu.V. Remeza

Uniwersalny wykres przechyłu określa zależność obserwowanych elementów fal od zmian elementów ruchu statku.

Wykres jest obliczany według wzoru

Gdzie V to prędkość statku, w węzłach.

Wykres określa zależność pomiędzy X i V sin a dla różnych wartości m”. Jest zbudowany w odniesieniu do panującego układu falowego, który można wyróżnić w dowolnej fali i który ma najbardziej znaczący wpływ na kołysanie statku (§ 23.4 Diagram uniwersalny można stosować tylko w obszarach o wystarczająco dużych głębokościach (więcej niż 0,4X fal).

Zastosowanie uniwersalnego diagramu pitchingu pozwala rozwiązać następujące główne zadania:
- określić kurs i prędkość, z jaką statek może uzyskać pozycję kołysania rezonansowego (stępka i burta);

Określ długość fali w obszarze nawigacyjnym;

Określić sektory kursu i zakresy prędkości, przy których statek będzie doświadczał silnego kołysania, bliskiego rezonansowi;

Określić kursy i prędkości, przy których statek znajdzie się w stanie najniebezpieczniejszego zmniejszonej stateczności bocznej;

Wyznacz kursy i prędkości, przy jakich statek będzie doświadczał zjawiska „trzaskania”.

(1) Dalszemu wzrostowi wiatru towarzyszą fale wiatru, które zmniejszają prędkość statku.
(2) Współrzędne wiatru prawdziwego są powiązane z ziemią, a wiatru pozornego ze statkiem.
(3) W praktyce ruch cząsteczek wody fal wiatrowych odbywa się po orbitach zbliżonych do koła lub elipsy, porusza się jedynie profil fali.
(4) Charakter powstawania fal i jego związek z elementami wiatru są szczegółowo omawiane w trakcie oceanografii.

Myślę, że wielu z nas zdecydowałoby się na zanurzenie w morskie otchłanie na jakimś podwodnym pojeździe, jednak większość wolałaby rejs morski na żaglówce. Kiedy nie było samolotów ani pociągów, były tylko żaglówki. Bez nich świat nie był taki sam.

Żaglówki z prostymi żaglami przywiozły Europejczyków do Ameryki. Ich stabilne pokłady i pojemne ładownie dostarczały ludzi i zaopatrzenie na budowę Nowego Świata. Ale te starożytne statki miały również swoje ograniczenia. Poruszali się powoli i niemal w tym samym kierunku, pod wiatr. Od tego czasu wiele się zmieniło. Dziś stosuje się zupełnie inne zasady sterowania siłą wiatru i fal. Jeśli więc chcesz jeździć nowoczesnym, będziesz musiał nauczyć się fizyki.

Współczesne żeglarstwo to nie tylko poruszanie się z wiatrem, to coś, co wpływa na żagiel i sprawia, że ​​lata on jak skrzydło. A to niewidzialne „coś” nazywa się siłą nośną, którą naukowcy nazywają siłą boczną.

Uważny obserwator nie mógł nie zauważyć, że niezależnie od tego, w którą stronę wieje wiatr, jacht żaglowy zawsze porusza się tam, gdzie potrzebuje kapitan – nawet gdy wieje przeciwny wiatr. Jaki jest sekret tak niesamowitego połączenia uporu i posłuszeństwa.

Wielu nawet nie zdaje sobie sprawy, że żagiel to skrzydło, a zasada działania skrzydła i żagla jest taka sama. Opiera się na sile nośnej, tylko jeśli siła nośna skrzydła statku powietrznego, wykorzystując czołowy wiatr, wypchnie samolot do góry, wówczas pionowo umieszczony żagiel skieruje żaglówkę do przodu. Aby wyjaśnić to z naukowego punktu widzenia, trzeba wrócić do podstaw – jak działa żagiel.

Przyjrzyj się symulowanemu procesowi, który pokazuje, jak powietrze działa na płaszczyznę żagla. Tutaj widać, że prądy powietrza pod modelem, które mają większą krzywiznę, zaginają się, aby go ominąć. W takim przypadku przepływ musi nieco przyspieszyć. W efekcie powstaje obszar niskiego ciśnienia – co generuje siłę nośną. Niski nacisk na spód ściąga żagiel w dół.

Innymi słowy, obszar wysokiego ciśnienia próbuje przesunąć się w stronę obszaru niskiego ciśnienia, wywierając nacisk na żagiel. Występuje różnica ciśnień, która generuje siłę nośną. Ze względu na kształt żagla, po wewnętrznej stronie nawietrznej prędkość wiatru jest mniejsza niż po zawietrznej. Na zewnątrz tworzy się próżnia. Do żagla dosłownie zasysane jest powietrze, które popycha jacht żaglowy do przodu.

W rzeczywistości zasada ta jest dość prosta do zrozumienia, wystarczy spojrzeć na dowolny statek żaglowy. Sztuczka polega na tym, że żagiel niezależnie od jego umiejscowienia przekazuje energię wiatru na statek i nawet jeśli wizualnie wydaje się, że żagiel powinien spowalniać jacht, to środek przyłożenia sił znajduje się bliżej dziobu żaglówkę, a siła wiatru zapewnia ruch translacyjny.

Ale to teoria, ale w praktyce wszystko jest trochę inne. Tak naprawdę jacht żaglowy nie może płynąć pod wiatr – porusza się do niego pod pewnym kątem, tzw. halsami.

Żaglówka porusza się dzięki równowadze sił. Żagle działają jak skrzydła. Większość siły nośnej, którą wytwarzają, jest skierowana na bok, a tylko niewielka część jest skierowana do przodu. Sekret tkwi jednak w tym cudownym zjawisku w tzw. „niewidzialnym” żaglu, który znajduje się pod dnem jachtu. To kil lub w języku morskim - miecz. Uniesienie miecza wytwarza również siłę nośną, która również jest skierowana głównie na bok. Kil jest odporny na przechylenie i przeciwną siłę działającą na żagiel.

Oprócz siły nośnej występuje także przechylenie – zjawisko szkodliwe dla poruszania się do przodu i niebezpieczne dla załogi statku. Ale w tym celu na jachcie znajduje się zespół, który stanowi żywą przeciwwagę dla nieubłaganych praw fizycznych.

W nowoczesnej żaglówce zarówno kil, jak i żagiel współpracują, aby poprowadzić żaglówkę do przodu. Ale jak potwierdzi każdy początkujący żeglarz, w praktyce wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane niż w teorii. Doświadczony żeglarz wie, że najmniejsza zmiana pochylenia żagla pozwala uzyskać większą siłę nośną i kontrolować jego kierunek. Zmieniając dziób żagla, doświadczony żeglarz kontroluje wielkość i położenie obszaru wytwarzającego siłę nośną. Głęboki zakręt do przodu może stworzyć dużą strefę ciśnienia, ale jeśli zakręt jest zbyt duży lub krawędź natarcia jest zbyt stroma, cząsteczki powietrza nie będą już podążać za zakrętem. Innymi słowy, jeśli obiekt ma ostre narożniki, cząsteczki strumienia nie mogą wykonać skrętu – impuls ruchu jest zbyt silny, zjawisko to nazywa się „przepływem oddzielnym”. Efektem tego efektu jest to, że żagiel „umyje się”, tracąc wiatr.

A oto kilka praktycznych wskazówek dotyczących wykorzystania energii wiatrowej. Optymalny kurs pod wiatr (wyścigi na krótkim dystansie). Żeglarze nazywają to „płyneniem pod wiatr”. Wiatr pozorny, który osiąga prędkość 17 węzłów, jest zauważalnie szybszy od wiatru prawdziwego, który tworzy układ fal. Różnica w ich kierunkach wynosi 12°. Kurs na wiatr pozorny wynosi 33°, na wiatr prawdziwy – 45°.

SIŁA NAPĘDU WIATRAKU

Na stronie NASA ukazały się bardzo ciekawe materiały dotyczące różnych czynników wpływających na powstawanie siły nośnej przez skrzydło samolotu. Istnieją również interaktywne modele graficzne, które pokazują, że siła nośna może być również generowana przez symetryczne skrzydło w wyniku ugięcia przepływu.

Żagiel ustawiony pod kątem do strumienia powietrza powoduje jego ugięcie (ryc. 1d). Przepływając przez „górną”, zawietrzną stronę żagla, strumień powietrza pokonuje dłuższą drogę i zgodnie z zasadą ciągłości przepływu przemieszcza się szybciej niż od nawietrznej, „dolnej” strony. Rezultatem jest mniejsze ciśnienie po zawietrznej stronie żagla niż po nawietrznej.

Przy zwrocie z żaglem ustawionym prostopadle do kierunku wiatru wzrost ciśnienia po stronie nawietrznej jest większy niż spadek ciśnienia po zawietrznej, czyli inaczej wiatr bardziej pcha jacht niż ciągnie. W miarę jak łódź staje się coraz ostrzejsza pod wiatr, stosunek ten będzie się zmieniał. Tak więc, jeśli wiatr wieje prostopadle do kursu łodzi, wzrost nacisku żagla na nawietrzną ma mniejszy wpływ na prędkość niż spadek ciśnienia na zawietrzną. Inaczej mówiąc, żagiel bardziej ciągnie jacht niż pcha.

Ruch jachtu następuje dzięki interakcji wiatru z żaglem. Analiza tej interakcji prowadzi do nieoczekiwanych dla wielu początkujących wyników. Okazuje się, że maksymalną prędkość osiąga się wcale nie wtedy, gdy wiatr wieje dokładnie z tyłu, ale chęć „tylnego wiatru” ma zupełnie nieoczekiwane znaczenie.

Zarówno żagiel, jak i kil, oddziałując odpowiednio z przepływem powietrza lub wody, wytwarzają siłę nośną, dlatego w celu optymalizacji ich pracy można zastosować teorię skrzydeł.

SIŁA NAPĘDU WIATRAKU

Strumień powietrza ma energię kinetyczną i wchodząc w interakcję z żaglami jest w stanie poruszyć jachtem. Pracę żagla i skrzydła samolotu opisuje prawo Bernoulliego, zgodnie z którym wzrost prędkości przepływu prowadzi do spadku ciśnienia. Podczas poruszania się w powietrzu skrzydło oddziela przepływ. Część omija skrzydło od góry, część od dołu. Skrzydło samolotu jest zaprojektowane w taki sposób, że przepływ powietrza nad górną częścią skrzydła porusza się szybciej niż przepływ powietrza pod spodem skrzydła. W rezultacie ciśnienie nad skrzydłem jest znacznie niższe niż poniżej. Różnica ciśnień to siła nośna skrzydła (rys. 1a). Dzięki złożonemu kształtowi skrzydło jest w stanie wygenerować siłę nośną nawet wtedy, gdy przecina przepływ, który porusza się równolegle do płaszczyzny skrzydła.

Żagiel może poruszać jachtem tylko wtedy, gdy jest ustawiony pod pewnym kątem do przepływu i odchyla go. Pozostaje pytanie, która część siły nośnej jest związana z efektem Bernoulliego, a która jest wynikiem ugięcia przepływu. Według klasycznej teorii skrzydła siła nośna powstaje wyłącznie w wyniku różnicy prędkości przepływu powyżej i poniżej skrzydła asymetrycznego. Jednocześnie powszechnie wiadomo, że skrzydło symetryczne może również wytwarzać siłę nośną, jeśli zostanie zamontowane pod pewnym kątem do przepływu (rys. 1b). W obu przypadkach kąt między linią łączącą przedni i tylny punkt skrzydła a kierunkiem przepływu powietrza nazywany jest kątem natarcia.

Siła nośna rośnie wraz z kątem natarcia, jednak zależność ta działa tylko dla małych wartości tego kąta. Gdy tylko kąt natarcia przekroczy pewien poziom krytyczny i nastąpi przeciągnięcie przepływu, na górnej powierzchni skrzydła tworzą się liczne wiry, a siła nośna gwałtownie maleje (rys. 1c).

Żeglarze wiedzą, że zwrot ze zwrotem nie jest najszybszą trasą. Jeśli wiatr o tej samej sile wieje pod kątem 90 stopni do kursu, łódź porusza się znacznie szybciej. Na zwrotnicy siła, z jaką wiatr napiera na żagiel, zależy od prędkości jachtu. Wiatr z maksymalną siłą naciska na żagiel stojącego jachtu (ryc. 2a). Wraz ze wzrostem prędkości nacisk na żagiel maleje i staje się minimalny, gdy jacht osiągnie prędkość maksymalną (rys. 2b). Maksymalna prędkość na zwrotnicy jest zawsze mniejsza niż prędkość wiatru. Powodów jest kilka: po pierwsze, tarcie, w każdym ruchu część energii jest wydawana na pokonywanie różnych sił utrudniających ruch. Ale najważniejsze jest to, że siła, z jaką wiatr naciska na żagiel, jest proporcjonalna do kwadratu prędkości wiatru pozornego, a prędkość wiatru pozornego na rufie jest równa różnicy między prędkością rzeczywistą wiatr i prędkość jachtu.

Na kursie Gulfwind (pod kątem 90° do wiatru) jachty żaglowe mogą poruszać się szybciej niż wiatr. W ramach tego artykułu nie będziemy omawiać cech wiatru proporzecowego, zauważymy jedynie, że na kursie Gulfwind siła, z jaką wiatr napiera na żagle, w mniejszym stopniu zależy od prędkości jachtu ( rys. 2c).

Głównym czynnikiem zapobiegającym wzrostowi prędkości jest tarcie. Dlatego żaglówki o niewielkim oporze mogą osiągać prędkości znacznie większe niż wiatr, ale nie na zwrotach z wiatrem. Przykładowo buer, ze względu na to, że łyżwy mają znikomą odporność na poślizg, może rozpędzić się do prędkości 150 km/h przy prędkości wiatru 50 km/h lub nawet mniejszej.

Wyjaśnienie fizyki żeglarstwa: wprowadzenie

ISBN 1574091700, 9781574091700

Wiatry wiejące z zachodu na południowym Pacyfiku. Dlatego też nasza trasa została tak ułożona, że ​​na jachcie żaglowym „Juliet” przemieszczamy się ze wschodu na zachód, czyli tak, aby wiatr wiał w plecy.

Jeśli jednak spojrzysz na naszą trasę, zauważysz, że często, np. przemieszczając się z południa na północ z Samoa do Tokelau, musieliśmy poruszać się prostopadle do wiatru. Czasem zupełnie zmieniał się kierunek wiatru i trzeba było jechać pod wiatr.

Trasa Julii

Co zrobić w tym przypadku?

Żaglowce od dawna potrafią pływać pod wiatr. Długo i prosto pisał o tym klasyk Jakow Perelman w swojej Drugiej książce z serii Zabawna Fizyka. Fragment ten cytuję tutaj dosłownie ze zdjęciami.

„Żeglowanie pod wiatr

Trudno sobie wyobrazić, jak żaglowce mogą płynąć „pod wiatr” – lub, jak mówią marynarze, „ciągnąć”. To prawda, żeglarz powie Ci, że nie możesz płynąć bezpośrednio pod wiatr, ale możesz poruszać się tylko pod ostrym kątem do kierunku wiatru. Ale ten kąt jest niewielki - około jednej czwartej kąta prostego - i być może wydaje się równie niezrozumiały: czy płynąć bezpośrednio pod wiatr, czy pod kątem 22 ° do niego.

Tak naprawdę nie jest to jednak obojętne i teraz wyjaśnimy, jak pod wpływem wiatru można poruszać się w jego stronę pod niewielkim kątem. Zastanówmy się najpierw, jak wiatr w ogóle oddziałuje na żagiel, to znaczy, gdzie popycha żagiel, gdy na niego wieje. Pewnie myślisz, że wiatr zawsze popycha żagiel w kierunku, w którym wieje. Ale tak nie jest: gdziekolwiek wieje wiatr, popycha żagiel prostopadle do płaszczyzny żagla. Rzeczywiście: niech wiatr wieje w kierunku wskazanym strzałkami na poniższym rysunku; linia AB reprezentuje żagiel.

Wiatr spycha żagiel zawsze pod kątem prostym do płaszczyzny.

Ponieważ wiatr wieje równomiernie po całej powierzchni żagla, ciśnienie wiatru zastępujemy siłą R przyłożoną do środka żagla. Rozkładamy tę siłę na dwie części: siłę Q, prostopadłą do żagla i siłę P, skierowaną wzdłuż niego (patrz rysunek powyżej, po prawej). Ostatnia siła popycha żagiel donikąd, ponieważ tarcie wiatru o płótno jest znikome. Pozostaje siła Q, która popycha żagiel pod kątem prostym do niego.

Wiedząc o tym, możemy łatwo zrozumieć, jak żaglowiec może płynąć pod ostrym kątem pod wiatr. Niech linia KK reprezentuje linię stępki statku.

Jak można płynąć pod wiatr.

Wiatr wieje pod ostrym kątem do tej linii, w kierunku wskazanym przez rząd strzałek. Linia AB przedstawia żagiel; jest umieszczony w taki sposób, że jego płaszczyzna przecina kąt między kierunkiem stępki a kierunkiem wiatru. Postępuj zgodnie ze schematem rozkładu sił. Napór wiatru na żagiel reprezentujemy siłą Q, która, jak wiemy, powinna być prostopadła do żagla. Rozkładamy tę siłę na dwie części: siłę R, prostopadłą do stępki i siłę S, skierowaną do przodu wzdłuż linii stępki statku. Ponieważ ruch statku w kierunku R napotyka duży opór wody (stępka w żaglowcach jest bardzo głęboka), siła R jest prawie całkowicie równoważona przez opór wody. Pozostaje tylko siła S, która, jak widać, jest skierowana do przodu i dlatego porusza statek pod kątem, jakby w stronę wiatru. [Można wykazać, że siła S jest największa, gdy płaszczyzna żagla dzieli kąt między kierunkami stępki i wiatru.]. Zwykle ruch ten wykonywany jest zygzakami, jak pokazano na poniższym rysunku. W języku marynarzy taki ruch statku nazywa się „halsem” w wąskim znaczeniu tego słowa.

Rozważmy teraz wszystkie możliwe kierunki wiatru w zależności od kursu łodzi.

Wykres kursów statku względem wiatru, czyli kąt pomiędzy kierunkiem wiatru a wektorem od rufy do dziobu (kurs).

Kiedy wiatr wieje w twarz (przeciwny wiatr), żagle zwisają z boku na bok i nie można nim poruszać. Oczywiście zawsze można opuścić żagle i włączyć silnik, ale w żeglarstwie nie ma to już znaczenia.

Kiedy wiatr wieje dokładnie z tyłu (zwrotek, wiatr tylny), rozproszone cząsteczki powietrza wywierają nacisk na żagiel z jednej strony i łódź płynie. W takim przypadku statek może poruszać się tylko wolniej niż prędkość wiatru. Działa tu analogia z jazdą na rowerze na wietrze – wiatr wieje w plecy i łatwiej jest pedałować.

Podczas ruchu pod wiatr (holowany) żagiel porusza się nie na skutek nacisku cząsteczek powietrza na żagiel od tyłu, jak w przypadku zwrotnicy, ale na skutek siły nośnej, która powstaje na skutek różnej prędkości powietrza po obu stronach wzdłuż żagla. Jednocześnie ze względu na stępkę łódź nie porusza się w kierunku prostopadłym do kursu łodzi, ale tylko do przodu. Oznacza to, że żagiel w tym przypadku nie jest parasolem, jak w przypadku złego wiatru, ale skrzydłem samolotu.

Podczas naszych rejsów żeglowaliśmy głównie z baksztagami i wiatrem zatokowym ze średnią prędkością 7-8 węzłów przy prędkości wiatru 15 węzłów. Czasami jechaliśmy pod wiatr, z półwiatrem i na krótkim dystansie. A kiedy ucichł wiatr, włączyli silnik.

Ogólnie rzecz biorąc, łódź z żaglem płynącym pod wiatr to nie cud, ale rzeczywistość.

Najciekawsze jest to, że łodzie mogą płynąć nie tylko pod wiatr, ale nawet szybciej od wiatru. Dzieje się tak, gdy łódź cofa się, tworząc własny wiatr.