Трудно представить себе, как могут парусные суда идти "против ветра" - или, по выражению моряков, идти "в бейдевинд". Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра 3 . Но угол этот мал - около четверти прямого угла,- и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
3 (Использовать только энергию ветра и двигаться строго против ветра можно, если парус заменить ветродвигателем типа ветряной мельницы, который будет вращать гребной винт корабля. Существует даже известная задача П. Л. Капицы о таком необычном на первый взгляд судне (см. также журнал: Катера и яхты, 1981, № 1, с. 25). )
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса.
В самом деле. Пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рис. 17, линия АВ изображает парус.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем силу давления ветра силой R , приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р направленную вдоль него вперед. Сила Р никуда не толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК(рис. 18) изображает килевую линию судна. Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном стрелками. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рис.18. за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу В, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении В встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила В почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, двигает судно под углом, как бы навстречу ветру * . Обычно это движение выполняется зигзагами, как показано на рис.19. На языке моряков такое движение судна называется "лавировкой" в полном смысле слова 4 .
* (Можно доказать, что сила S получает наибольшее значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра. )
4 (В парусном спорте есть ряд вопросов, интересных с точки зрения физика. Подробнее об этом виде спорта и некоторых технических проблемах плавания под парусами можно узнать, например, из книг: Гловацкий В. Увлекательный мир парусов: Очерки но истории парусного спорта.- М.: Прогресс, 1979; Проктор Я. Плавание под парусом. Ветер, волнение и течение.- Л.: Гидрометеоиздат, 1981. )
Курс судна относительно ветра - угол между направлением ветра и диаметральной плоскостью судна, то есть курсовой угол на точку горизонта, откуда дует ветер, выражающийся в угловых градусах или румбах.
В зависимости от величины этого угла курсы относительно ветра имеют собственные наименования:
1 - крутой бейдевинд (30° - 45°);
2 - полный бейдевинд (45° - 75°);
3 - гальфвинд (около 90°);
4 - бакштаг (110° - 160°);
5 - фордевинд (160°- 200°);
6 - левентик (по 30° на каждый борт)
Левентик (фр. le vent) - курс, образующий с направлением ветра угол, близкий к 180 градусам, то есть ветер по отношению к кораблю дует практически точно спереди. Поскольку парусное судно идти таким курсом не может, обычно говорят не «курс», а «положение левентик».
Бейдевинд (нидерл. bij de wind) - курс, при котором угол между направлением ветра и направлением движения судна составляет более 100 градусов (меньше 8 румбов). Выделяют бейдевинд полный (от 100 до 120 градусов) и крутой (более 120 градусов). Тяга паруса целиком определяется его подъёмной силой, при увеличении лобового сопротивления сила тяги уменьшается, зато возрастает сила дрейфа. Таким образом, на этом курсе парус, устанавливаемый с минимальным углом атаки к вымпельному ветру (5-10 °), работает как аэродинамическое крыло.
Лучшие парусные суда ходят под углом 30-35 ° к направлению истинного ветра. Вследствие сложения векторов скорости ветра и встречного потока воздуха скорость вымпельного ветра на курсе бейдевинд оказывается максимальной, также как и аэродинамическая сила на парусе, пропорциональная квадрату скорости ветра. Максимальной величины достигает и сила дрейфа. Если попытаться идти под более острым углом к ветру, то скорость судна будет снижаться, парус станет заполаскивать, аэродинамическая сила снизится и, наконец, наступит момент, когда лобовое сопротивление паруса и сопротивление воды движению лодки намного превысят тягу. Судно получит задний ход.
Галфвинд (нидерл. halve wind), или полветра - курс, при котором угол между направлением ветра и направлением движения судна составляет ок. 8 румбов (от 80 до 100 градусов). На этом курсе ветер дует перпендикулярно ДП, а вымпельный ветер оказывается направленным с носа под острым углом к ДП. Соответственно, парус устанавливается под меньшим углом атаки, его тяга равна подъёмной силе, а сила дрейфа - лобовому сопротивлению паруса. на этом курсе парус должен делить угол между ДП и направлением вымпельного ветра примерно пополам.
Бакштаг (нидерл. bakstag) - курс, образующий с направлением ветра угол больше 8, но меньше 16 румбов (более десяти и менее восьмидесяти градусов), то есть ветер по отношению к кораблю дует сзади-сбоку; отличают курс полный бакштаг, при котором угол составляет не более двадцати градусов, то есть приближающийся к фордевинду; парус устанавливается под углом к ветру с подветренного борта. Обычно на этом курсе парусное судно развивает наивысшую скорость. На бакштаге парус работает с большим углом атаки, при котором лобовое сопротивление играет основную роль в создании тяги паруса. Сила дрейфа практически отсутствует.
Фордевинд (нидерл. voor de wind) - курс, при котором ветер направлен в корму корабля.
Фордевинд - тот самый «попутный ветер», которого желают морякам, хотя в парусном спорте этот курс отнюдь не самый быстрый, как следовало бы ожидать. Кроме того, он требует от рулевого внимания и владения искусством управлять дополнительными парусами (обычно это спинакер). Парус при этом ставится перпендикулярно направлению ветра, тяга на нем создаётся благодаря лобовому сопротивлению. Слабый ветер на этом курсе практически не ощущается, так как скорость вымпельного ветра равна разности скорости истинного ветра и скорости встречного потока воздуха.
Фордевинд - один из двух поворотов (поворот - смена галса) парусного судна, при котором направление ветра в момент поворота проходит через корму. В отличие от поворота «оверштаг», поворот фордевинд более сложный и, порой, опасный, требует чётких действий команды при работе с парусами. Не случайно и команда подаётся с уточнением: «Приготовиться к повороту фордевинд!», тогда как при повороте «оверштаг» командир просто командует «Приготовиться к повороту!».
Лавировка
Лавировка парусного судна. α - лавировочный угол
Прямо против ветра парусник идти не может. Если необходимо попасть в какую-либо точку, расположенную с наветра, то применяется лавировка - движение к цели курсом бейдевинд переменными галсами. Для смены галса необходимо совершить поворот.
Если же сохраняя галс нужно пойти под более острым углом к направлению ветра, то говорят, что нужно «привестись к ветру». Если наоборот, нужно увеличить угол между направлением ветра и ДП лодки, то говорят, что необходимо «увалиться под ветер». (Следует, однако, помнить, что «ветер дует в компа́с», то есть его направления даются не по тому, куда ветер дует, а откуда. Это значит, что если курс судна, например, норд и ветер от норда, он дует не попутно, а навстречу судну.)
Для того, чтобы при этих маневрах установить парус под оптимальным углом атаки, его необходимо подтягивать к ДП - «выбирать», или же отпускать - «травить». Эти термины яхтсмены применяют при всех манипуляциях со снастями - шкотами, оттяжками и т. п.
В зависимости от борта, с которого дует ветер, курсы относительно ветра могут быть правого и левого галса.
При курсовом угле ветра, равном 26 румбам, бейдевинд правого галса в парусном флоте иногда называли штирборд, а левого (курсовой угол ветра 6 румбов) - бакборд. Для уточнения курса относительно ветра применялись выражения: «корабль идет правым галсом 7 румбов к ветру» (то есть бейдевинд при курсовом угле ветра 78°); «Корабль идет бакштаг правым галсом 10 румбов» (то есть курсовой угол ветра 112°); «Корабль идёт штирборд полнее 6 румбов» (то есть бакштаг при курсовом угле 12 румбов, или 135°). Применяют также понятие «крутой бейдевинд», как острейший курс относительно ветра, при котором парусное судно может идти вперёд (он колеблется от 3 до 6 румбов 33,3/4° до 67,1/2°); крутой и полный бакштаг (до 12 румбов и более 12 рубмов, или до 135 ° и более 135 ° соответственно).
Расчет пути судна по известным значениям компас. направления ветра, курс относительно ветра, поправки компаса и дрейфа наз. в парусном флоте исправлением румбов.
| Румбы | Градусы | Курс судна относительно ветра |
| 0 | 0 | Левентик |
| 1 | 11,25 | Бейдевинд крутой, галс левый |
| 2 | 22,5 | Бейдевинд крутой, галс левый |
| 3 | 33,75 | Бейдевинд крутой, галс левый |
| 4 | 45 | Бейдевинд крутой, галс левый |
| 5 | 56,25 | Бейдевинд полный, галс левый |
| 6 | 67,5 | Бейдевинд полный, галс левый |
| 7 | 78,75 | Бейдевинд полный, галс левый |
| 8 | 90 | Галфвинд, галс левый |
| 9 | 101,25 | Галфвинд, галс левый |
| 10 | 112,5 | Бакштаг, галс левый |
| 11 | 123,75 | Бакштаг, галс левый |
| 12 | 135 | Бакштаг, галс левый |
| 13 | 146,25 | Бакштаг, галс левый |
| 14 | 157,5 | Бакштаг, галс левый |
| 15 | 168,75 | Бакштаг, галс левый |
| 16 | 180 | Фордевинд |
| 17 | 191,25 | Бакштаг, галс правый |
| 18 | 202,5 | Бакштаг, галс правый |
| 19 | 213,75 | Бакштаг, галс правый |
| 20 | 225 | Бакштаг, галс правый |
| 21 | 236,25 | Бакштаг, галс правый |
| 22 | 247,5 | Бакштаг, галс правый |
| 23 | 258,75 | Галфвинд, галс правый |
| 24 | 270 | Галфвинд, галс правый |
| 25 | 281,25 | |
| 26 | 292,5 | Бейдевинд полный, галс правый |
| 27 | 303,75 | Бейдевинд полный, галс правый |
| 28 | 315 | |
| 29 | 326,25 | Бейдевинд крутой, галс правый |
| 30 | 337,5 | Бейдевинд крутой, галс правый |
| 31 | 348,75 | Бейдевинд крутой, галс правый |
| 32 | 360 | Левентик |
Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.
Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.
Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.
Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.
Мы продолжаем серию публикаций, подготовленных интерактивным научно-популярным блогом « Объясню за две минуты ». Блог рассказывает о простых и сложных вещах, которые ежедневно нас окружают и не вызывают никаких вопросов ровно до тех пор, пока мы о них не задумываемся. Например, там можно узнать, как космические корабли не промахиваются и не сталкиваются с МКС при стыковке.
1. Строго против ветра под парусом ходить невозможно. Однако если ветер дует спереди, но чуть под углом, яхта вполне может двигаться. В таких случаях говорят, что судно идет острым курсом.
2. Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во‑первых, ветер просто давит на паруса. Во‑вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.
3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).
4. На острых курсах сила дрейфа велика, но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.
5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.
6. Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.
7. Левентик － ветер дует прямо в нос судна. Таким курсом под парусом ходить нельзя, зато поворот к ветру используют, чтобы остановить яхту.
8. Бейдевинд － тот самый острый курс. Когда идешь бейдевиндом, ветер дует в лицо, поэтому кажется, что яхта развивает очень большую скорость. На самом деле это ощущение обманчиво.
9. Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.
10. Бакштаг － ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.
11. Фордевинд － тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же, как пилот самолета － восходящие и нисходящие потоки.
Посмотреть интерактивную версию схемы можно в блоге «Объясню за две минуты».
“Попутного ветра!” – желают всем морякам, и совершенно напрасно: когда ветер дует с кормы, яхта не способна развить максимальную скорость. Эту схему помог сделать Вадим Ждан , профессиональный шкипер, гонщик, организатор и ведущий яхтенных регат. Читайте всплывающие подсказки на схеме, чтобы разобраться.
2. Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во-первых, ветер просто давит на паруса. Во-вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и , только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.
3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).
5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.
9. Галфвинд
－ ветер дует перпендикулярно направлению движения.
11. Фордевинд
－ тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же,
