Volio je ruskog pjesnika Mihaila Jurijeviča Ljermontova more i često ga je spominjao u svojim radovima. Napisao je divnu pjesmu o izbjeljivanju ploviti, koji juri među valovima u dalekim morskim prostranstvima. Vjerovatno vam je poznata Lermontovljeva pjesma, jer su ovo najpoznatiji stihovi poezije o jedrenjacima. Čitajući ih, možete zamisliti bijesno more i prekrasne brodove među njegovim valovima. Vjetar puni jedra. I, zahvaljujući snazi vjetra, brodovi se kreću naprijed. Ali kako jedrilice uspijevaju ploviti protiv vjetra?
Da biste odgovorili na ovo pitanje, prvo ćete morati naučiti nepoznatu riječ "tack".Galsom Smjer kretanja broda u odnosu na vjetar naziva se. Traka može biti lijevo kada vjetar duva s lijeve strane ili desno kada vjetar duva s desne strane. Važno je znati drugo značenje riječi "tack" - to je dio puta, odnosno njegov dio koji jedrilica prolazi kada se kreće protiv vjetra. Sjećaš se?
Sada, da bismo razumjeli kako jedrilice uspijevaju ploviti protiv vjetra, pogledajmo jedra. Oni su na jedrilici različite forme i veličine - pravo i koso. I svako radi svoj posao. Kada puše čeoni vjetar, brodom se upravlja pomoću kosih jedara, koja se okreću prvo u jednu, a zatim u drugu stranu.
Prateći ih, brod se okreće u jednom ili drugom smjeru. Okreće se i ide naprijed. Mornari ovaj pokret zovu - krećući se naizmjenično. Njegova suština je da vjetar pritiska kosa jedra i lagano raznosi brod u stranu i naprijed. Kormilo jedrilice ne dozvoljava joj da se potpuno okrene, a vješti mornari na vrijeme pokreću jedra, mijenjajući njihov položaj. Dakle, u malim cik-cak, kreće se naprijed.
Naravno, kretanje naizmjeničnim trakama je vrlo težak zadatak za cijelu posadu jedrilice. Ali mornari su iskusni momci. Ne boje se teškoća i jako vole more.
Nastavljamo seriju publikacija koje je pripremio interaktivni naučno-popularni blog „Objasniću za dva minuta“. Blog govori o jednostavnim i složenim stvarima koje nas svakodnevno okružuju i ne postavljaju nikakva pitanja dok ne razmislimo o njima. Na primjer, tamo možete saznati kako svemirski brodovi ne promašuju i ne sudaraju se s ISS-om prilikom pristajanja.
1. Nemoguće je ploviti strogo protiv vjetra. Međutim, ako vjetar puše s prednje strane, ali malo pod uglom, jahta bi se mogla pomaknuti. U takvim slučajevima se kaže da brod plovi na oštrom kursu.
2. Potisak jedra stvaraju dva faktora. Prvo, vjetar jednostavno pritiska jedra. Drugo, kosa jedra postavljena na većini modernih jahti, kada zrak struji oko njih, rade kao krilo aviona i stvaraju "silu podizanja", samo što je usmjerena ne prema gore, već prema naprijed. Zbog aerodinamike, zrak na konveksnoj strani jedra kreće se brže nego na konkavnoj strani, a pritisak na vanjskoj strani jedra je manji nego na unutrašnjoj.
3. Ukupna sila koju stvara jedro usmjerena je okomito na platno. Prema pravilu vektorskog sabiranja moguće je razlikovati silu zanošenja (crvena strelica) i vučnu silu (zelena strelica).
4. Na oštrim kursevima sila zanošenja je velika, ali joj se suprotstavlja oblik trupa, kobilice i kormila: jahta ne može ići bočno zbog vodootpornosti. Ali voljno klizi naprijed čak i uz malu vučnu silu.
5. Da bi plovila striktno protiv vjetra, jahta se kreće: okreće se vjetru prvo na jednu ili drugu stranu, krećući se naprijed u segmentima - čavlima. Koliko dugi treba da budu i pod kojim uglom u odnosu na vjetar - važna pitanja skiperske taktike.
6. Postoji pet glavnih pravaca broda u odnosu na vjetar. Zahvaljujući Petru I, holandska pomorska terminologija ukorijenila se u Rusiji.
7. Leventik－ vjetar duva direktno na pramac broda. Nemoguće je ploviti ovim putem, ali okretanje prema vjetru služi za zaustavljanje jahte.
8. Zatvoren vjetar- isti akutni tok. Kada idete na blizinu, vjetar vam duva u lice, pa se čini da jahta razvija vrlo veliku brzinu. U stvari, ovaj osjećaj je varljiv.
9. Gulfwind－ vjetar duva okomito na smjer kretanja.
10. Backstay－ vjetar duva s krme i sa strane. Ovo je najbrži kurs. Brzi trkaći čamci koji plove sa naslonom mogu ubrzati do brzina koje premašuju brzinu vjetra zbog sile podizanja jedra.
11. Fordewind- isti zadnji vjetar koji duva s krme. Suprotno očekivanjima, to nije najbrži kurs: ovdje se ne koristi snaga podizanja jedra, a teoretska granica brzine ne prelazi brzinu vjetra. Iskusni skiper može predvidjeti nevidljiva strujanja zraka baš kao što pilot aviona može predvidjeti uzlazno i silazno strujanje.
Interaktivnu verziju dijagrama možete pogledati na blogu „Objasniću za dva minuta“.
Teško je zamisliti kako jedrenjaci mogu ići "protiv vjetra" - ili, kako mornari kažu, ići "na blizinu". Istina, mornar će vam reći da ne možete jedriti direktno protiv vjetra, već se možete kretati samo pod oštrim uglom u odnosu na smjer vjetra. Ali ovaj ugao je mali - oko četvrtine pravog ugla - i čini se, možda, jednako neshvatljivim: da li ploviti direktno protiv vetra ili pod uglom od 22°.
U stvarnosti, međutim, to nije ravnodušno, a sada ćemo objasniti kako je moguće kretati se prema njemu pod blagim uglom uz pomoć siline vjetra. Prvo, pogledajmo kako vjetar općenito djeluje na jedro, odnosno gdje gura jedro kada puše na njega. Vjerovatno mislite da vjetar uvijek gura jedro u pravcu u kojem duva. Ali to nije tako: gdje god duva vjetar, on gura jedro okomito na ravan jedra. Zaista: neka vjetar duva u smjeru označenom strelicama na donjoj slici; linija AB označava jedro.
Vjetar uvijek gura jedro pod pravim uglom u odnosu na njegovu ravan.
Budući da vjetar ravnomjerno pritišće cijelu površinu jedra, pritisak vjetra zamjenjujemo silom R koja se primjenjuje na sredinu jedra. Podelimo ovu silu na dva dela: sila Q, okomito na jedro, i sila P usmjerena duž njega (vidi sliku iznad, desno). Posljednja sila ne gura jedro nikuda, jer je trenje vjetra o platnu neznatno. Snaga ostaje Q, koji gura jedro pod pravim uglom u odnosu na njega.
Znajući ovo, lako možemo razumjeti kako jedrenjak može ploviti pod oštrim uglom prema vjetru. Pusti liniju QC prikazuje liniju kobilice broda.
Kako možeš ploviti protiv vjetra?
Vjetar duva pod oštrim uglom u odnosu na ovu liniju u smjeru označenom nizom strelica. Linija AB prikazuje jedro; postavljen je tako da njegova ravan deli ugao između pravca kobilice i smera vetra. Pratite raspodjelu sila na slici. Predstavljamo snagu vjetra na jedro Q, za koje znamo da bi trebalo biti okomito na jedro. Podelimo ovu silu na dva dela: sila R, okomito na kobilicu, i sila S, usmjeren naprijed, duž linije kobilice plovila. Pošto je kretanje broda u pravcu R nailazi na jaku otpornost na vodu (uglaviti se jedrenjaci postaje veoma duboka), tada snaga R gotovo potpuno uravnotežen vodootpornošću. Ostaje samo snaga S, koji je, kao što vidite, usmjeren naprijed i stoga pomiče brod pod uglom, kao prema vjetru. [Može se dokazati da je sila S dobija najveću vrijednost kada ravnina jedra prepolovi ugao između smjerova kobilice i vjetra.]. Obično se ovaj pokret izvodi u cik-cak, kao što je prikazano na slici ispod. Na jeziku mornara, takvo kretanje broda naziva se "tacking" u strogom smislu riječi.
Ništa manje važna od otpora trupa je vučna sila koju razvijaju jedra. Da bismo jasnije zamislili rad jedara, upoznajmo se s osnovnim konceptima teorije jedara.
Već smo govorili o glavnim silama koje djeluju na jedra jahte koja plovi uz vjetar u leđa (jibed kurs) i čeoni vjetar (iza vjetra). Saznali smo da se sila koja djeluje na jedra može razložiti na silu koja uzrokuje da se jahta kotrlja i zanosi niz vjetar, na silu zanošenja i silu vuče (vidi slike 2 i 3).
Pogledajmo sada kako se određuje ukupna sila pritiska vjetra na jedra i o čemu ovise sile potiska i zanošenja.
Da bismo zamislili rad jedra na oštrim kursevima, zgodno je prvo razmotriti ravno jedro (slika 94), koje doživljava pritisak vjetra pod određenim kutom napada. U tom slučaju iza jedra nastaju vrtlozi, sile pritiska nastaju na vjetrovitoj strani, a sile razrjeđivanja nastaju na strani zavjetrine. Njihov rezultujući R je usmjeren približno okomito na ravninu jedra. Da bismo pravilno razumjeli rad jedra, zgodno je zamisliti ga kao rezultantu dviju komponentnih sila: X usmjerene paralelno sa strujanjem zraka (vjetar) i Y usmjerene okomito na njega.
Sila X usmjerena paralelno sa strujom zraka naziva se sila otpora; Nju, osim jedra, stvaraju i trup, oprema, ramovi i posada jahte.
Sila Y usmjerena okomito na strujanje zraka u aerodinamici se naziva uzgonom. To je ono što stvara potisak u smjeru kretanja jahte na oštrim kursevima.
Ako se uz isti otpor jedra X (Sl. 95) sila dizanja poveća, na primjer, na vrijednost Y1, tada će se, kao što je prikazano na slici, rezultanta sile uzgona i otpora promijeniti za R i , prema tome, sila potiska T će se povećati na T1.
Takva konstrukcija olakšava provjeru da se s povećanjem otpora X (pri istoj sili dizanja), potisak T smanjuje.
Dakle, postoje dva načina da se poveća vučna sila, a time i brzina na oštrim kursevima: povećanje sile dizanja jedra i smanjenje otpora jedra i jahte.
U modernom jedrenju, sila dizanja jedra se povećava tako što mu se daje konkavni oblik s malo "trbuha" (Sl. 96): veličina od jarbola do najdubljeg dijela "trbuha" obično je 0,3-0,4 puta veća. širina jedra, a dubina "trbuha" -oko 6-10% širine. Sila dizanja takvog jedra je 20-25% veća od one potpuno ravnog jedra s gotovo istim otporom. Istina, jahta s ravnim jedrima plovi malo strmije u vjetar. Međutim, s trbušastim jedrima, brzina napredovanja u tack je veća zbog većeg potiska.
Rice. 96. Profil jedra
Imajte na umu da se kod trbušastih jedara povećava ne samo potisak, već i sila zanošenja, što znači da je kotrljanje i zanošenje jahti s trbušastim jedrima veće nego kod relativno ravnih. Stoga je "izbočenje" jedra veće od 6-7% pri jakom vjetru neisplativo, jer povećanje nagiba i zanošenja dovodi do značajnog povećanja otpora trupa i smanjenja efikasnosti jedara, koja "jedu" efekat povećanja potiska. Pri slabom vjetru bolje vuku jedra sa “trbuhom” od 9-10%, jer je zbog niskog ukupnog pritiska vjetra na jedro peta mala.
Svako jedrenje pod napadnim uglovima većim od 15-20°, odnosno kada se jahta kreće od 40-50° prema vjetru ili više, može smanjiti podizanje i povećati otpor, budući da se na zavjetrinoj strani stvara značajna turbulencija. A budući da se glavni dio sile dizanja stvara glatkim strujanjem bez turbulencija oko zavjetrinske strane jedra, uništavanje ovih vrtloga trebalo bi imati veliki učinak.
Turbulencija koja se stvara iza glavnog jedra uništava se postavljanjem floka (Sl. 97). Protok zraka koji ulazi u procjep između glavnog jedra i flok povećava njegovu brzinu (tzv. efekat mlaznice) i, kada je flok pravilno podešen, „liže“ vrtloge s glavnog jedra.
Rice. 97. Jib rad
Profil mekog jedra teško je održavati konstantnim pri različitim uglovima napada. Ranije su gumenjaci imali niz letvica koje su prolazile kroz cijelo jedro - pravljene su tanje unutar “trbuha” i deblje prema luftu, gdje je jedro znatno ravnije. Danas se prolazne letve ugrađuju uglavnom na ledene čamce i katamarane, pri čemu je posebno važno održavati profil i krutost jedra pri niskim napadnim uglovima, kada se obično jedro već veže uz prečku.
Ako je izvor podizanja samo jedro, onda otpor stvara sve što završi u struji zraka koji struji oko jahte. Stoga se poboljšanje vučnih svojstava jedra može postići i smanjenjem otpora trupa, jarbola, opreme i posade jahte. U tu svrhu koriste se različite vrste obloga na nosaču i opremi.
Količina otpora jedra ovisi o njegovom obliku. Prema zakonima aerodinamike otpor krila aviona je manji, što je uži i duži za istu površinu. Zato pokušavaju da jedro (u suštini isto krilo, ali postavljeno okomito) učine visokim i uskim. Ovo vam takođe omogućava da koristite gornji vetar.
Otpor jedra u velikoj mjeri ovisi o stanju njegove prednje ivice. Lufts svih jedara treba biti dobro pokriven kako bi se spriječila mogućnost vibracija.
Potrebno je spomenuti još jednu vrlo bitnu okolnost - takozvano centriranje jedara.
Iz mehanike je poznato da je svaka sila određena svojom veličinom, smjerom i točkom primjene. Do sada smo govorili samo o veličini i smjeru sila primijenjenih na jedro. Kao što ćemo kasnije vidjeti, poznavanje tačaka primjene je od velike važnosti za razumijevanje rada jedara.
Pritisak vjetra je neravnomjerno raspoređen po površini jedra (njegov prednji dio doživljava veći pritisak), međutim, da bi se pojednostavili uporedni proračuni, pretpostavlja se da je raspoređen ravnomjerno. Za približne proračune, pretpostavlja se da je rezultujuća sila pritiska vjetra na jedra primijenjena na jednu tačku; centar gravitacije površine jedara uzima se kao kada su postavljena u središnju ravninu jahte. Ova tačka se zove centar jedra (CS).
Fokusirajmo se na najjednostavniji grafički metod za određivanje položaja CPU-a (slika 98). Nacrtajte površinu jedra jahte u potrebnom mjerilu. Zatim, na presjeku medijana - linija koje povezuju vrhove trokuta sa sredinama suprotnih strana - nalazi se središte svakog jedra. Dobivši tako na crtežu centre O i O1 dva trokuta koji čine glavno jedro i stalak, povucite dvije paralelne prave OA i O1B kroz ove centre i položite na njih u suprotnim smjerovima u bilo kojoj mjeri osim u istoj mjeri kao i više linearnih jedinice kao kvadratni metri u trokutu; Od centra glavnog jedra odvaja se područje floka, a od središta floka - područje glavnog jedra. Krajnje tačke A i B povezane su pravom linijom AB. Druga ravna linija - O1O povezuje centre trouglova. Na sjecištu pravih A B i O1O postojat će zajednički centar.
Rice. 98. Grafička metoda pronalaženja centra jedra
Kao što smo već rekli, sila zanošenja (smatrat ćemo da je primijenjena u središtu jedra) se suprotstavlja bočnom otporu trupa jahte. Smatra se da je sila bočnog otpora primijenjena u centru bočnog otpora (CLR). Centar bočnog otpora je težište projekcije podvodnog dijela jahte na središnju ravan.
Središte bočnog otpora možete pronaći tako što ćete iz debelog papira izrezati obris podvodnog dijela jahte i staviti ovaj model na oštricu noža. Kada je model izbalansiran, lagano ga pritisnite, zatim ga zarotirajte za 90° i ponovo izbalansirajte. Presjek ovih linija daje nam centar bočnog otpora.
Kada jahta plovi bez nagiba, CP treba da leži na istoj vertikalnoj pravoj liniji sa CB (Sl. 99). Ako CP leži ispred centralne stanice (Sl. 99, b), tada sila zanošenja, pomaknuta naprijed u odnosu na silu bočnog otpora, okreće pramac plovila u vjetar - jahta otpada. Ako je CPU iza centralne stanice, jahta će okrenuti pramac prema vjetru, ili će biti pokrenuta (Sl. 99, c).
Rice. 99. Poravnanje jahte
I pretjerano prilagođavanje vjetru, a posebno zastajanje (nepravilno centriranje) štetni su za plovidbu jahte, jer tjeraju kormila da stalno radi na kormilu kako bi održao ravnost, a to povećava otpor trupa i smanjuje brzinu plovila. Osim toga, pogrešno poravnavanje dovodi do pogoršanja upravljivosti, au nekim slučajevima i do njenog potpunog gubitka.
Ako centriramo jahtu kao što je prikazano na sl. 99, odnosno, CPU i centralni kontrolni sistem će biti na istoj vertikali, tada će brod biti vođen veoma snažno i biće veoma teško njime upravljati. Sta je bilo? Ovdje postoje dva glavna razloga. Prvo, prava lokacija CPU-a i centralnog nervnog sistema se ne poklapa sa teorijskom (oba centra su pomerena napred, ali ne podjednako).
Drugo, i ovo je glavna stvar, kada se nagiba, vučna sila jedara i uzdužna otporna sila trupa ispadaju u različitim vertikalnim ravninama (slika 100), ispada kao poluga koja tjera jahtu da se vozi. Što je veći kotrljaj, to je posuda sklonija nagibu.
Da bi se eliminisala takva adukcija, CP se postavlja ispred centralnog nervnog sistema. Moment vuče i uzdužnog otpora koji nastaje kod kotrljanja, zbog čega se jahta pokreće, kompenzira se momentom zarobljavanja sila zanošenja i bočnim otporom kada se CP nalazi na prednjem dijelu. Za dobro centriranje potrebno je postaviti CP ispred CB na udaljenosti od 10-18% dužine jahte duž vodene linije. Što je jahta manje stabilna i što je CPU više podignut iznad centralne stanice, to je više treba pomjeriti na pramac.
Da bi jahta imala dobar hod, mora se centrirati, odnosno postaviti CP i CB u poziciju u kojoj je plovilo na bliskom kursu na laganom vjetru bilo potpuno uravnoteženo jedrima, u drugom riječima, bio je stabilan na kursu sa kormilom zabačenim ili fiksiranim u DP (dozvoljeno je blagu sklonost plutanju pri vrlo slabom vjetru), a kod jačeg vjetra je imao tendenciju lebdenja. Svaki kormilar mora biti u stanju da pravilno centrira jahtu. Na većini jahti, tendencija prevrtanja se povećava ako su stražnja jedra remontirana, a prednja jedra olabavljena. Ako se prednja jedra remontuju, a stražnja jedra oštete, brod će potonuti. Sa povećanjem "trbušasti" glavnog jedra, to je također loše stajaća jedra jahta se u većoj mjeri vozi.
Rice. 100. Utjecaj pete na dovođenje jahte u vjetar
Mislim da bi mnogi od nas iskoristili priliku da na nekima zarone u morski ponor podvodno vozilo, ali ipak, većina bi više voljela putovanje morem na jedrilici. Kad nije bilo aviona ili vozova, bile su samo jedrilice. Bez njih svijet nije bio ono što je bio.
Jedrilice s ravnim jedrima dovele su Evropljane u Ameriku. Njihove stabilne palube i prostrana skladišta nosila su ljude i zalihe za izgradnju Novog svijeta. Ali i ovi drevni brodovi su imali svoja ograničenja. Išli su polako i skoro u istom pravcu sa vetrom. Od tada se mnogo toga promijenilo. Danas koriste potpuno drugačije principe za kontrolu snage vjetra i valova. Dakle, ako želite da vozite modernu, moraćete da naučite malo fizike.
Moderno jedrenje nije samo kretanje uz vjetar, to je nešto što djeluje na jedro i tjera ga da leti kao krilo. A to nevidljivo "nešto" zove se podizanje, što naučnici nazivaju bočna sila.
Pažljivi posmatrač nije mogao a da ne primeti da bez obzira na to u kom pravcu vetar duva, jedrilica se uvek kreće tamo gde kapetan želi - čak i kada vetar duva. Koja je tajna tako nevjerovatne kombinacije tvrdoglavosti i poslušnosti.
Mnogi ljudi ni ne shvataju da je jedro krilo, a princip rada krila i jedra je isti. Zasniva se na sili dizanja, samo ako sila dizanja krila aviona, koristeći čeoni vjetar, gura avion prema gore, tada okomito postavljeno jedro usmjerava jedrilicu naprijed. Da bismo ovo objasnili sa naučne tačke gledišta, potrebno je vratiti se na osnove – kako radi jedro.
Pogledajte simulirani proces koji pokazuje kako zrak djeluje na ravninu jedra. Ovdje možete vidjeti da struji zraka ispod modela, koji imaju veći zavoj, savijaju se da ga zaobiđu. U ovom slučaju, protok se mora malo ubrzati. Kao rezultat toga, pojavljuje se područje niskog pritiska - to stvara podizanje. Nizak pritisak na donjoj strani povlači jedro prema dolje.
Drugim riječima, područje visokog tlaka pokušava se pomaknuti prema području niskog pritiska, vršeći pritisak na jedro. Pojavljuje se razlika u pritisku, što stvara podizanje. Zbog oblika jedra brzina vjetra na unutrašnjoj vjetrovitoj strani je manja nego na zavjetrinoj. On vani formira se vakuum. Zrak se bukvalno usisa u jedro, što gura jedrilicu naprijed.
Zapravo, ovaj princip je prilično jednostavan za razumijevanje; samo bolje pogledajte bilo koji jedrenjak. Trik je u tome što jedro, bez obzira na to kako je postavljeno, prenosi energiju vjetra na brod, pa čak i ako se vizualno čini da bi jedro trebalo usporiti jahtu, centar primjene sila je bliže pramcu jedrilica, a sila vjetra osigurava kretanje naprijed.
Ali ovo je teorija, ali u praksi je sve malo drugačije. Zapravo, jedrilica ne može ploviti protiv vjetra - kreće se pod određenim uglom prema vjetru, tzv.
Jedrilica se kreće zbog ravnoteže sila. Jedra se ponašaju kao krila. Večina podizanje koje proizvode usmjereno je u stranu, a samo malo naprijed. Međutim, tajna ovog divnog fenomena je takozvano „nevidljivo“ jedro, koje se nalazi ispod dna jahte. Ovo je kobilica ili, nautičkim jezikom, centralna tabla. Podizanje središnje ploče također proizvodi podizanje, koje je također usmjereno uglavnom u stranu. Kobilica se opire peti i suprotstavljenoj sili koja djeluje na jedro.
Osim sile dizanja, javlja se i prevrtanje - pojava štetna za kretanje naprijed i opasna za posadu broda. Ali zato posada postoji na jahti, da služi kao živa protivteža neumoljivim zakonima fizike.
U modernoj jedrilici, i kobilica i jedro rade zajedno da pokreću jedrilicu naprijed. Ali kao što će potvrditi svaki nautičar početnik, u praksi je sve mnogo složenije nego u teoriji. Iskusni jedriličar zna da i najmanja promjena u zavoju jedra omogućava postizanje većeg uzgona i kontrolu njegovog smjera. Promjenom zavoja jedra, vješt mornar kontrolira veličinu i lokaciju područja koje proizvodi podizanje. Sa dubokim pregibom naprijed možete kreirati velika površina pritisak, ali ako je krivina prevelika ili je prednja ivica molekula zraka prestrma, strujanje oko njih više neće pratiti zavoj. Drugim riječima, ako predmet ima oštre uglove, čestice toka ne mogu se okrenuti - zamah kretanja je prejak, ova pojava se naziva "razdvojeni tok". Rezultat ovog efekta je da će jedro "pomesti", izgubivši vjetar.
Evo još nekoliko praktičnih savjeta za korištenje energije vjetra. Optimalno kretanje u vjetar (trkački vjetar s bliskim vučenjem). Mornari to zovu "plovidba protiv vjetra". Prividni vjetar, koji ima brzinu od 17 čvorova, primjetno je brži od pravog vjetra koji stvara talasni sistem. Razlika u njihovim smjerovima je 12°. Kurs na prividni vjetar - 33°, na pravi vjetar - 45°.
