ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
На сайте NASA опубликованы очень интересные материалы о разных факторах оказывающих влияние на формирование крылом самолета подъемной силы. Там же представлены интерактивные графические модели,которые демонстрируют, что подъемная сила может формироваться и симметричным крылом за счет отклонения потока.
Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его (рис. 1г). Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. Результат - давление с подветренной стороны паруса меньше, чем с наветренной стороны.
При движении курсом фордевинд, когда парус установлен перпендикулярно к направлению ветра, степень увеличения давление с наветренной стороны больше, чем степень понижения давления с подветренной стороны, другими словами ветер больше толкает яхту, чем тянет. По мере того, как яхта будет поворачивать острее к ветру, это соотношение будет меняться. Так, если ветер дует перпендикулярно курсу яхты, увеличение давления на парус с наветренной стороны оказывает меньшее влияние на скорость, чем снижение давления с подветренной стороны. Другими словами парус больше тянет яхту, чем толкает.
Движение яхты происходи благодаря тому, что ветер взаимодействует с парусом. Анализ этого взаимодействия приводит к неожиданным, для многих новичков, результатам. Оказывается, что максимальная скорость достигается, вовсе не когда ветер дует точно сзади, а пожелание «попутного ветра» несет в себе совершенно неожиданный смысл.
Как парус, так и киль, при взаимодействии с потоком, соответственно, воздуха или воды, создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации их работы можно применить теорию крыла.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА
Воздушный поток обладает кинетической энергией и, взаимодействуя с парусами, способен двигать яхту. Работа, как паруса, так и крыла самолета, описывается законом Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к уменьшению давления. При перемещении в воздушной среде, крыло разделяет поток. Часть его обходит крыло сверху, часть снизу. Крыло самолета спроектировано так, что воздушный поток, проходящий над верхней стороной крыла движется быстрее, чем поток, который проходит под нижней частью крыла. Результат - давление над крылом значительно ниже, чем под. Разница давления и есть подъемная сила крыла (рис. 1а). Благодаря сложной форме, крыло способно генерировать подъемную силу даже в том случае, когда рассекает поток, который движется параллельно плоскости крыла.
Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Дискуссионным остается вопрос о том, какая часть подъемной силы связана с эффектом Бернулли, а какая является результатом отклонения потока. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Вместе с тем хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку (рис. 1б). В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.
Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается (рис. 1в).
Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. С максимальной силой ветер давит на парус стоящей без движения яхты (рис. 2а). По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорости (рис. 2б). Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра. Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.
Курсом галфвинд (под 90º к ветру) парусные яхты способны двигаются быстрее ветра. В рамках этой статьи мы не будем обсуждать особенности вымпельного ветра, отметим только, что на курсе галфвинд, сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты (рис. 2в).
Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.
The Physics of Sailing Explained: An Introduction
ISBN 1574091700, 9781574091700
Думаю, что многие из нас воспользовались бы шансом погрузиться в морскую бездну на каком-нибудь подводном аппарате, но все же, большинство бы предпочло морское путешествие на паруснике. Когда еще не было ни самолетов, ни поездов были лишь только парусники. Без них мир был, не стал таким.
Парусники с прямыми парусами привезли европейцев в Америку. Их устойчивые палубы и вместительные трюмы доставили людей и припасы для строительства Нового мира. Но и у этих старинных кораблей были свои ограничения. Они шли медленно и практически в одном направлении по ветру. С тех пор многое изменилось. Сегодня используют совсем другие принципы управления силой ветра и волн. Так что если захотите прокатиться на современном , придется подучить физику.
Современный парусный спорт это не просто движение по ветру, это нечто воздействующее на парус, и заставляющее его лететь подобно крылу. И это невидимое «нечто» называется подъемной силой, которую ученые называют боковой силой.
Внимательный наблюдатель не мог не заметить, что не зависимо от того куда дует ветер парусная яхта всегда движется туда, куда нужно капитану - даже когда ветер встречный. В чем же секрет такого удивительного сочетания упрямства и послушания.
Многие даже не догадываются, что парус это крыло, и принцип работы крыла и паруса один. В его основе лежит подъемная сила, только если подъемная сила крыла летательного аппарата, используя встречный ветер, толкает самолет вверх, то вертикально расположенный парус направляет парусник вперед. Чтобы объяснить это с научной точки зрения необходимо вернуться к истокам - как работает парус.
Посмотрите, на смоделированный процесс, который показывает, как воздух действует на плоскость паруса. Здесь можно видеть, что потоки воздуха под моделью, имеющие больший изгиб, изгибаются, чтобы обойти ее. При этом потоку приходиться немного ускориться. В результате возникает область низкого давления - это и генерирует подъемную силу. Низкое давление на нижней стороне тянет парус к низу.
Другими словами область с высоким давлением пытается передвинуться к области низкого давления, оказывая давления на парус. Возникает разница давлений, что порождает подъемную силу. Благодаря форме паруса, с внутренней наветренной стороны, скорость ветра меньше, чем с подветренной стороны. На внешней стороне образуется разрежение. В парус в буквальном смысле всасывается воздух, который и толкает парусную яхту вперед.
На самом деле этот принцип довольно прост для понимания, достаточно присмотреться на любое парусное судно. Фокус здесь в том, что парус как бы ни был расположен, передает судну энергию ветра и даже если визуально кажется, что парус должен тормозить яхту, центр приложения сил находится ближе к носу парусника, и сила ветра обеспечивает поступательное движение.
Но это теория, а на практике все чуть по-другому. На самом деле парусная яхта не может идти против ветра - она движется под определенным углом к нему, так называемыми галсами.
Парусник движется за счет баланса сил. Паруса действуют как крылья. Большая часть производимой ими подъемной силы направлено в сторону, и лишь небольшое количество вперед. Впрочем, секрет в этом чудесном явление в так называемом «невидимом» парусе, который находится под днищем яхты. Это киль или на морском языке - шверт. Подъемная сила шверта также производит подъемную силу, которая тоже направлена в основном в бок. Киль противостоит крену и противоположной силе действующей на парус.
Кроме подъемной силы возникает еще и крен - вредное для движения вперед и опасное для экипажа судна явление. Но для того на яхте и существует команда, чтобы служить живым противовесом неумолимым физическим законам.
В современном паруснике и киль, и парус совместными усилиями направляют парусник вперед. Но как подтвердит любой начинающий моряк на практике все намного сложнее, чем в теории. Опытный моряк знает, что малейшие изменения изгиба паруса дают возможность получить больше подъемной силы и контролировать ее направление. Изменяя изгиб паруса, умелый моряк управляет размером и расположением области, производящей подъемную силу. С помощью глубокого изгиба направленного вперед можно создать большую зону давления, но если изгиб слишком велик или передняя кромка слишком крутая молекулы воздуха, обтекающие перестанут следовать его изгибу. Другими словами, если у предмета острые углы частицы потока не смогут совершить поворот - слишком силен импульс движения, это явление получило название «отделившийся поток». Результат этого эффекта - парус «заполощет», потеряв ветер.
А вот еще несколько практических советов использования ветровой энергии. Оптимальный курс выхода на ветер (гоночный бейдевинд). Моряки называют его «ход против ветра». Вымпельный ветер, имеющий скорость 17 узлов, ощутимо быстрее истинного ветра, создающего волновую систему. Разница их направлений составляет 12°. Курс к вымпельному ветру - 33°, к истинному ветру - 45°.
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.
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.
Русский поэт Михаил Юрьевич Лермонтов любил море и в своих произведениях часто упоминал о нем. Он написал замечательное стихотворение о белеющем парусе , который мчится среди волн в далеких морских просторах. Наверное, тебе знакомо лермонтовское стихотворение, ведь это самые известные стихотворные строчки о парусниках. Читая их, можно представить бушующее море и красивые корабли среди его волн. Ветер надувает паруса. И, благодаря силе ветра, корабли движутся вперед. Но как парусникам удается плыть против ветра?
Для того, чтобы на это ответить, тебе сначала придется выучить незнакомое слово «галс» . Галсом называется направление движения судна относительно ветра. Галс может быть левым, когда ветер дует слева, или правым, если ветер дует справа. Важно знать и второе значение слова «галс» – это часть пути, вернее, его отрезок, который проходит парусник, когда движется против ветра . Запомнил?
Теперь, чтобы понять, как парусникам удается плыть против ветра, разберемся с парусами. Они на паруснике бывают разных форм и размеров – прямые и косые . И каждый выполняет свою работу. Когда дует встречный ветер, корабль управляется с помощью косых парусов, которые поворачиваются то в одну сторону, то в другую.
Вслед за ними и судно поворачивается в ту или другую сторону. Поворачивается и идет вперед. Моряки называют такое движение – движением переменными галсами . Его суть состоит в том, что ветер давит на косые паруса и сносит судно слегка вбок и вперед. Руль парусника не дает ему полностью повернуться, да и умелые матросы вовремя приводят в движение паруса, меняя их положение. Так, небольшими зигзагами, и движется вперед.
Конечно, движение переменными галсами – очень трудное дело для всей команды парусника. Но матросы – закаленные ребята. Они не боятся трудностей и очень любят море.
