FORÇA MOTORA DO VENTO
O site da NASA publicou materiais muito interessantes sobre vários fatores que influenciam a formação de sustentação por uma asa de aeronave. Existem também modelos gráficos interativos que demonstram que a sustentação também pode ser gerada por uma asa simétrica devido à deflexão do fluxo.
A vela, estando em ângulo com o fluxo de ar, desvia-o (Fig. 1d). Passando pelo lado “superior” de sotavento da vela, o fluxo de ar percorre um caminho mais longo e, de acordo com o princípio da continuidade do fluxo, move-se mais rápido do que vindo do lado “inferior” de barlavento. O resultado é que a pressão no lado de sotavento da vela é menor do que no lado de barlavento.
Ao navegar em cambalhota, quando a vela é posicionada perpendicularmente à direção do vento, o grau de aumento da pressão no lado de barlavento é maior que o grau de diminuição da pressão no lado de sotavento, ou seja, o vento empurra o iate mais do que puxa. À medida que o iate vira mais bruscamente contra o vento, essa proporção mudará. Assim, se o vento sopra perpendicularmente ao curso do iate, aumentar a pressão na vela a barlavento tem menos efeito na velocidade do que diminuir a pressão a sotavento. Em outras palavras, a vela puxa mais o iate do que empurra.
O movimento do iate ocorre devido ao fato do vento interagir com a vela. A análise desta interação leva a resultados inesperados para muitos iniciantes. Acontece que a velocidade máxima não é alcançada quando o vento sopra diretamente de trás, e o desejo de um “vento favorável” carrega um significado completamente inesperado.
Tanto a vela quanto a quilha, ao interagirem com o fluxo de ar ou água, respectivamente, criam sustentação, portanto, para otimizar seu funcionamento, pode-se aplicar a teoria da asa.
FORÇA MOTORA DO VENTO
O fluxo de ar possui energia cinética e, interagindo com as velas, é capaz de movimentar o iate. O trabalho da vela e da asa do avião é descrito pela lei de Bernoulli, segundo a qual um aumento na velocidade do fluxo leva a uma diminuição na pressão. Ao se mover no ar, a asa divide o fluxo. Parte dela contorna a asa por cima, parte por baixo. A asa de um avião é projetada de modo que o fluxo de ar na parte superior da asa se mova mais rápido do que o fluxo de ar na parte inferior da asa. O resultado é que a pressão acima da asa é muito menor do que abaixo. A diferença de pressão é a força de sustentação da asa (Fig. 1a). Graças ao seu formato complexo, a asa é capaz de gerar sustentação mesmo ao cortar um fluxo que se move paralelamente ao plano da asa.
A vela só pode mover o iate se estiver em um determinado ângulo em relação ao fluxo e o desviar. Permanece discutível quanto da sustentação se deve ao efeito Bernoulli e quanto é resultado da deflexão do fluxo. De acordo com a teoria clássica das asas, a sustentação surge unicamente como resultado da diferença nas velocidades do fluxo acima e abaixo de uma asa assimétrica. Ao mesmo tempo, é bem conhecido que uma asa simétrica é capaz de criar sustentação se instalada em um determinado ângulo em relação ao fluxo (Fig. 1b). Em ambos os casos, o ângulo entre a linha que liga os pontos dianteiro e traseiro da asa e a direção do fluxo é chamado de ângulo de ataque.
A sustentação aumenta com o aumento do ângulo de ataque, mas essa relação só funciona em pequenos valores desse ângulo. Assim que o ângulo de ataque excede um certo nível crítico e o fluxo para, numerosos vórtices são formados na superfície superior da asa e a força de sustentação diminui drasticamente (Fig. 1c).
Os iatistas sabem que o jibe não é o percurso mais rápido. Se o vento com a mesma força sopra em um ângulo de 90 graus em relação ao rumo, o iate se move muito mais rápido. Em um curso de jibe, a força com que o vento pressiona a vela depende da velocidade do iate. Com força máxima, o vento pressiona a vela de um iate imóvel (Fig. 2a). À medida que a velocidade aumenta, a pressão na vela diminui e torna-se mínima quando o iate atinge a velocidade máxima (Fig. 2b). A velocidade máxima em um percurso de jibe é sempre menor que a velocidade do vento. As razões são várias: em primeiro lugar, o atrito: durante qualquer movimento, parte da energia é gasta na superação de diversas forças que impedem o movimento. Mas o principal é que a força com que o vento pressiona a vela é proporcional ao quadrado da velocidade do vento aparente, e a velocidade do vento aparente em um curso de jibe é igual à diferença entre a velocidade do vento vento verdadeiro e a velocidade do iate.
Com um curso de vento golfo (a 90º em relação ao vento), os iates à vela são capazes de se mover mais rápido que o vento. Neste artigo, não discutiremos as características do vento aparente, apenas observaremos que em um curso de vento golfo, a força com que o vento pressiona as velas depende em menor grau da velocidade do iate (Fig. 2c ).
O principal fator que impede o aumento da velocidade é o atrito. Portanto, veleiros com pouca resistência ao movimento conseguem atingir velocidades muito superiores à velocidade do vento, mas não em curso de jibe. Por exemplo, um barco, devido ao facto dos patins terem uma resistência ao deslizamento insignificante, é capaz de acelerar até uma velocidade de 150 km/h com uma velocidade de vento de 50 km/h ou até menos.
A Física da Vela Explicada: Uma Introdução
ISBN 1574091700, 9781574091700
Penso que muitos de nós aproveitaríamos a oportunidade para mergulhar no abismo do mar em algum momento veículo subaquático, mas ainda assim, a maioria preferiria uma viagem marítima em um veleiro. Quando não havia aviões nem trens, só existiam veleiros. Sem eles o mundo não era o que era.
Veleiros com velas retas trouxeram os europeus para a América. Seus conveses estáveis e porões espaçosos transportavam homens e suprimentos para construir o Novo Mundo. Mas estes navios antigos também tinham as suas limitações. Eles caminharam devagar e quase na mesma direção do vento. Muita coisa mudou desde então. Hoje eles usam princípios completamente diferentes para controlar a força do vento e das ondas. Então, se você quiser andar em um moderno, terá que aprender um pouco de física.
A vela moderna não é apenas mover-se com o vento, é algo que atua sobre a vela e a faz voar como uma asa. E esse “algo” invisível é chamado de sustentação, que os cientistas chamam de força lateral.
Um observador atento não pôde deixar de notar que não importa para que lado sopre o vento, o iate à vela sempre se move para onde o capitão deseja - mesmo quando o vento está contrário. Qual é o segredo de uma combinação tão incrível de teimosia e obediência.
Muitas pessoas nem percebem que uma vela é uma asa, e o princípio de funcionamento de uma asa e de uma vela é o mesmo. É baseado na sustentação apenas se a sustentação da asa aeronave, usando o vento contrário, empurra o avião para cima, então a vela posicionada verticalmente direciona o veleiro para frente. Para explicar isso do ponto de vista científico, é necessário voltar ao básico – como funciona uma vela.
Veja o processo simulado que mostra como o ar atua no plano da vela. Aqui você pode ver que o ar flui por baixo do modelo, que tem uma curvatura maior, dobra para contorná-lo. Nesse caso, o fluxo tem que acelerar um pouco. Como resultado, aparece uma área de baixa pressão - isso gera sustentação. A baixa pressão na parte inferior puxa a vela para baixo.
Em outras palavras, uma área de alta pressão tenta se mover em direção a uma área de baixa pressão, pressionando a vela. Surge uma diferença de pressão, que gera sustentação. Devido ao formato da vela, a velocidade do vento no lado interno de barlavento é menor do que no lado de sotavento. Sobre fora um vácuo é formado. O ar é literalmente sugado para dentro da vela, o que empurra o iate para frente.
Na verdade, este princípio é bastante simples de entender: basta olhar mais de perto para qualquer navio à vela. O truque aqui é que a vela, não importa como esteja posicionada, transfere a energia eólica para o navio, e mesmo que visualmente pareça que a vela deve desacelerar o iate, o centro de aplicação das forças está mais próximo da proa do iate. veleiro, e a força do vento garante o movimento para a frente.
Mas isso é uma teoria, mas na prática tudo é um pouco diferente. Na verdade, um iate à vela não pode navegar contra o vento - ele se move em um determinado ângulo em relação a ele, as chamadas amuras.
Um veleiro se move devido ao equilíbrio de forças. As velas funcionam como asas. O máximo de a sustentação que eles produzem é direcionada para o lado e apenas uma pequena quantidade para a frente. Porém, o segredo desse maravilhoso fenômeno é a chamada vela “invisível”, que fica localizada sob o fundo do iate. Esta é uma quilha ou, em linguagem náutica, uma placa central. A elevação da placa central também produz sustentação, que também é direcionada principalmente para a lateral. A quilha resiste ao calcanhar e à força oposta que atua na vela.
Além da força de sustentação, ocorre também um rolamento - fenômeno prejudicial ao movimento de avanço e perigoso para a tripulação do navio. Mas é por isso que a tripulação existe no iate, para servir de contrapeso vivo às inexoráveis leis da física.
Num veleiro moderno, tanto a quilha como a vela trabalham juntas para impulsionar o veleiro para a frente. Mas como qualquer marinheiro novato confirmará, na prática tudo é muito mais complicado do que na teoria. Um marinheiro experiente sabe que a menor mudança na curvatura da vela permite obter mais sustentação e controlar sua direção. Ao alterar a curvatura da vela, um marinheiro habilidoso controla o tamanho e a localização da área que produz sustentação. Com uma curvatura profunda para a frente você pode criar grande área pressão, mas se a curvatura for muito grande ou a borda frontal das moléculas de ar for muito íngreme, o fluxo ao redor delas não seguirá mais a curvatura. Em outras palavras, se o objeto tiver cantos agudos, as partículas do fluxo não poderão fazer uma curva - o momento do movimento é muito forte, esse fenômeno é chamado de “fluxo separado”. O resultado desse efeito é que a vela vai “varrer”, perdendo o vento.
Aqui estão mais algumas dicas práticas para usar a energia eólica. Direção ideal contra o vento (vento de forte direção). Os marinheiros chamam isso de “navegar contra o vento”. O vento aparente, que tem velocidade de 17 nós, é visivelmente mais rápido que o vento verdadeiro que cria o sistema de ondas. A diferença em suas direções é de 12°. Rumo ao vento aparente - 33°, para vento verdadeiro- 45°.
É difícil imaginar como os navios à vela podem ir “contra o vento” - ou, como dizem os marinheiros, ir “de bolina curta”. É verdade que um marinheiro lhe dirá que você não pode navegar diretamente contra o vento, mas só pode mover-se em um ângulo agudo em relação à direção do vento. Mas este ângulo é pequeno - cerca de um quarto de um ângulo recto - e parece, talvez, igualmente incompreensível: navegar directamente contra o vento ou num ângulo de 22° em relação a ele.
Na realidade, porém, isso não é indiferente, e explicaremos agora como é possível avançar ligeiramente em sua direção pela força do vento. Primeiramente, vejamos como o vento geralmente atua sobre a vela, ou seja, para onde ele empurra a vela quando sopra nela. Você provavelmente pensa que o vento sempre empurra a vela na direção em que ela sopra. Mas não é assim: onde quer que o vento sopre, ele empurra a vela perpendicularmente ao plano da vela. Na verdade: deixe o vento soprar na direção indicada pelas setas na figura abaixo; linha AB denota uma vela.
O vento sempre empurra a vela perpendicularmente ao seu plano.
Como o vento pressiona uniformemente toda a superfície da vela, substituímos a pressão do vento por uma força R aplicada no meio da vela. Vamos dividir essa força em duas: força P, perpendicular à vela, e a força P direcionada ao longo dela (veja a figura acima, à direita). A última força não empurra a vela para lugar nenhum, pois o atrito do vento na tela é insignificante. A força permanece P, que empurra a vela perpendicularmente a ela.
Sabendo disso, podemos facilmente compreender como um veleiro pode navegar num ângulo agudo em direção ao vento. Deixe a linha Controle de qualidade retrata a linha da quilha do navio.
Como você pode navegar contra o vento?
O vento sopra num ângulo agudo em relação a esta linha na direção indicada por uma série de setas. Linha AB retrata uma vela; ele é colocado de modo que seu plano divida o ângulo entre a direção da quilha e a direção do vento. Siga a distribuição de forças na figura. Representamos a força do vento na vela P, que sabemos que deveria ser perpendicular à vela. Vamos dividir essa força em duas: força R, perpendicular à quilha, e a força S, direcionado para frente, ao longo da linha da quilha da embarcação. Como o movimento do navio é na direção R encontra forte resistência à água (a quilha dos navios à vela é muito profunda), então a força R quase completamente equilibrado pela resistência à água. Só resta a força S, que, como vocês podem ver, está direcionado para frente e, portanto, move o navio em ângulo, como se estivesse na direção do vento. [Pode ser provado que a força S recebe o maior valor quando o plano da vela divide o ângulo entre as direções da quilha e do vento.]. Normalmente esse movimento é realizado em ziguezagues, conforme mostra a figura abaixo. Na linguagem dos marinheiros, tal movimento do navio é chamado de “viragem” no sentido estrito da palavra.
O movimento de um iate à vela com o vento é, na verdade, determinado pela simples pressão do vento em sua vela, empurrando o navio para frente. No entanto, pesquisas em túneis de vento mostraram que navegar contra o vento expõe a vela a um conjunto mais complexo de forças.
Quando o ar que entra flui ao redor da superfície traseira côncava da vela, a velocidade do ar diminui, enquanto ao fluir ao redor da superfície frontal convexa da vela, essa velocidade aumenta. Como resultado, uma área de alta pressão é formada na superfície posterior da vela e uma área de baixa pressão na superfície frontal. A diferença de pressão nos dois lados da vela cria uma força de tração (empurrão) que move o iate para frente em um ângulo em relação ao vento.
Um iate à vela localizado aproximadamente perpendicularmente ao vento (na terminologia náutica - o iate está chegando aderência), avança rapidamente. A vela está sujeita a forças de tração e laterais. Se um iate à vela navega em um ângulo agudo em relação ao vento, sua velocidade diminui devido à diminuição da força de tração e ao aumento da força lateral. Quanto mais a vela é virada para a popa, mais lentamente o iate avança, principalmente devido à grande força lateral.
Um iate à vela não pode navegar diretamente contra o vento, mas pode avançar fazendo uma série de movimentos curtos em zigue-zague em ângulo com o vento, chamados amuras. Se o vento sopra para a esquerda (1), diz-se que o iate navega com amuras a bombordo; se sopra para estibordo (2), diz-se que navega com amuras para estibordo. Para percorrer a distância mais rapidamente, o velejador tenta aumentar a velocidade do iate ao limite ajustando a posição de sua vela, conforme mostrado na figura abaixo à esquerda. Para minimizar o desvio lateral da linha reta, o iate se move, mudando o rumo de estibordo para bombordo e vice-versa. Quando o iate muda de rumo, a vela é lançada para o outro lado, e quando seu plano coincide com a linha do vento, ela oscila por algum tempo, ou seja, está inativo (imagem do meio abaixo do texto). O iate se encontra na chamada zona morta, perdendo velocidade até que o vento volte a inflar a vela na direção oposta.
O poeta russo Mikhail Yurievich Lermontov amou mar e muitas vezes o mencionou em suas obras. Ele escreveu um poema maravilhoso sobre o branqueamento velejar, que corre entre as ondas nas extensões distantes do mar. Você provavelmente conhece o poema de Lermontov, porque esses são os versos mais famosos da poesia sobre navios à vela. Ao lê-los, você pode imaginar um mar revolto e belos navios entre suas ondas. O vento enche as velas. E, graças à força do vento, os navios avançam. Mas como os veleiros conseguem navegar contra o vento?
Para responder a isso, primeiro você terá que aprender uma palavra desconhecida "aderir".Galsom A direção do movimento do navio em relação ao vento é chamada. A amura pode ser bombordo quando o vento sopra da esquerda, ou estibordo quando o vento sopra da direita. É importante conhecer o segundo significado da palavra “amarração” - esta é parte do caminho, ou melhor, o segmento dele que o veleiro passa ao se mover contra o vento. Lembrar?
Agora, para entender como os veleiros conseguem navegar contra o vento, vejamos as velas. Eles estão em um veleiro formas diferentes e tamanhos - reto e oblíquo. E cada um faz o seu trabalho. Quando sopra um vento contrário, o navio é governado por meio de velas oblíquas, que giram primeiro para um lado e depois para o outro.
Seguindo-os, o navio vira em uma direção ou outra. Ele se vira e caminha para frente. Os marinheiros chamam esse movimento - movendo-se em rumos alternados. Sua essência é que o vento pressiona as velas inclinadas e sopra o navio levemente para os lados e para a frente. O leme de um veleiro não permite que ele gire completamente, e marinheiros habilidosos acionam as velas a tempo, mudando sua posição. Assim, em pequenos ziguezagues, avança.
É claro que mudar de rumo é uma tarefa muito difícil para toda a tripulação de um veleiro. Mas os marinheiros são caras experientes. Não têm medo das dificuldades e amam muito o mar.
