Почему парусник может плыть против ветра? Как парусникам удается плыть против ветра? Движение парусника
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. 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°.
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 рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но 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 изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке 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 R , перпендикулярную к килю, и силу S , направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S , которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова.
Недавно шли крутой бойдевинд.
И который раз замечаю, что когда встаешь на курс бойдевинд то скорость в райное 2-3 узлов.
Но если лодку разогнать мотором до 6-7 не меняя курса, а потом потихоньку мотор выключить, то
Она продолжает переть на 5-6 узлов без помощи мотора.
Что за барьерный эффект тут рулит?
Похоже на то, что нужно учитывать мощность ветра, которая пропорциональна кубу скорости и вот эта прибавка скорости встречного ветра на три узла достаточна, чтобы увеличить на три узла скорость лодки.
Иных идей пока нет.
Оригинал взят у mursic в Как ходить на парусной яхте против ветра?
В Западной Полинезии, в августе и сентябре преимущественно дуют пассаты , ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.
Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.
Маршрут "Джульетты"
Что делать в таком случае?
Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.
"Под парусами против ветра
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. 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°.
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 рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но 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 изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке 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 R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."
Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.
Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).
Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.
Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.
При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.
Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.
В общем, лодка с парусом, идущая против ветра – это не чудо, а реальность.
Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.
Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.
Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.
Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).
Направления относительно ветра.
На ветре
значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром
— с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным
, левый борт — подветренным
соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.
Курсы относительно ветра.
Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.
Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.
Маневры относительно ветра.
Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится
. Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается
.
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг
и фордевинд
.
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.
Работа паруса при яхтинге.
Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.
Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.
Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.
Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.
Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.
Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.
Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.
Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.
Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.
Продвижение против ветра. Лавировка.
Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.
Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.
Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.
Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.
Работа паруса на других курсах относительно ветра
Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.
При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.
Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.
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. )
