Movimento iate à vela a favor do vento é, na verdade, determinada 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.
Até agora, consideramos o efeito de apenas duas forças no iate - a força de empuxo e a força peso, assumindo que ele está em equilíbrio em repouso. Mas como o iate usa velas para avançar, um sistema complexo de forças atua sobre O navio. É mostrado esquematicamente na Fig. 4, onde é considerado o caso mais típico de um iate em movimento de bolina curta.
Quando um fluxo de ar – o vento – flui ao redor das velas, um efeito resultante é criado sobre elas. força aerodinâmica A (ver Capítulo 2), direcionado aproximadamente perpendicularmente à superfície da vela e aplicado no centro da vela (CS) bem acima da superfície da água. De acordo com a terceira lei da mecânica, durante o movimento constante de um corpo em linha reta, cada força aplicada ao corpo, neste caso às velas conectadas ao casco do iate através do mastro, cordame e escoras, deve ser neutralizada por uma força de igual magnitude e direção oposta. Num iate, esta é a força hidrodinâmica resultante H aplicada à parte submersa do casco. Assim, entre essas forças existe um braço de distância conhecido, a partir do qual se forma um momento de um par de forças.
Ambas as forças aerodinâmicas e hidrodinâmicas acabam sendo orientadas não em um plano, mas no espaço, portanto, ao estudar a mecânica do movimento de um iate, são consideradas as projeções dessas forças nos principais planos de coordenadas. Tendo em mente a mencionada terceira lei de Newton, escrevemos aos pares todos os componentes da força aerodinâmica e as reações hidrodinâmicas correspondentes:
Para que o iate mantenha um curso estável, cada par de forças e cada par de momentos de forças devem ser iguais entre si. Por exemplo, a força de deriva Fd e a força de resistência à deriva Rd criam um momento de adernamento Mkr, que deve ser equilibrado pelo momento de endireitamento Mv ou pelo momento de estabilidade lateral. MV é formado pela ação das forças do peso D e da flutuabilidade do iate gV atuando no ombro eu. As mesmas forças de peso e empuxo formam o momento de resistência ao caimento ou o momento de estabilidade longitudinal M eu, igual em magnitude e neutralizando o momento de corte Md. Os termos deste último são os momentos dos pares forças T-R e Fv-Nv.
Alterações significativas são feitas no diagrama de ação das forças, especialmente em iates leves, pela tripulação. Movendo-se para barlavento ou ao longo do comprimento do iate, a tripulação, com seu peso, inclina efetivamente o navio ou neutraliza seu caimento em direção à proa. Na criação do momento de estagnação Md, o papel decisivo é desempenhado pela deflexão de direção correspondente.
A força lateral aerodinâmica Fd, além do rolamento, provoca deriva-deriva lateral, de modo que o iate não se move estritamente ao longo do DP, mas com um pequeno ângulo de deriva l. É esta circunstância que provoca a formação de uma força de resistência à deriva Rd na quilha do iate, que é de natureza semelhante à força de sustentação que surge na asa de um avião localizado em um ângulo de ataque ao fluxo que se aproxima. Semelhante a uma asa, uma vela de bolina curta funciona em um curso, para o qual o ângulo de ataque é o ângulo entre a corda da vela e a direção do vento aparente. Assim, na teoria naval moderna, um iate à vela é visto como uma simbiose de duas asas: um casco que se move na água e uma vela, que é afetada pelo vento aparente.
Estabilidade
Como já dissemos, o iate está sujeito a forças e momentos de força que tendem a incliná-lo nas direções transversal e longitudinal. A capacidade de um navio resistir à ação dessas forças e retornar à posição vertical após cessar sua ação é chamada estabilidade. A coisa mais importante para um iate é estabilidade lateral.
Quando um iate flutua sem adernar, as forças da gravidade e da flutuabilidade, aplicadas respectivamente no CG e no CV, atuam ao longo da mesma vertical. Se durante um rolamento a tripulação ou outros componentes da carga de massa não se moverem, então para qualquer desvio o CG mantém sua posição original no DP (ponto G na Fig. 5), girando com o navio. Ao mesmo tempo, devido à alteração da forma da parte subaquática do casco, o CV muda do ponto C o em direção ao lado inclinado para a posição C 1. Graças a isso, surge um momento de algumas forças D e g Vs ombro l, igual à distância horizontal entre o CG e o novo CG do iate. Este momento tende a devolver o iate à posição vertical e por isso é chamado de restauração.
Ao rolar, o CV se move ao longo de uma trajetória curva C 0 C 1, raio de curvatura G que é chamado metacêntrico transversal raio, r centro de curvatura correspondente M-metacentro transversal. O valor do raio r e, consequentemente, a forma da curva C 0 C 1 dependem dos contornos do corpo. Em geral, à medida que o calcanhar aumenta, o raio metacêntrico diminui, pois seu valor é proporcional à quarta potência da largura da linha d'água.
Obviamente, o braço de momento restaurador depende da distância GM- elevação do metacentro acima do centro de gravidade: quanto menor for, menor será o ombro l durante o rolamento. No estágio inicial da inclinação da magnitude GM ou hé considerado pelos construtores navais como uma medida de estabilidade do navio e é chamado altura metacêntrica transversal inicial. O mais h, quanto maior a força de adernamento necessária para inclinar o iate em qualquer ângulo específico de rotação, mais estável será a embarcação. Em iates de cruzeiro e de corrida, a altura metacêntrica é geralmente de 0,75 a 1,2 m; em botes de cruzeiro - 0,6-0,8 m.
Usando o triângulo GMN, é fácil determinar que o ombro restaurador é . O momento restaurador, levando em consideração a igualdade de gV e D, é igual a:
Assim, apesar do fato de a altura metacêntrica variar dentro de limites bastante estreitos para iates de diferentes tamanhos, a magnitude do momento de endireitamento é diretamente proporcional ao deslocamento do iate, portanto, uma embarcação mais pesada é capaz de suportar um momento de adernamento maior.
O ombro de endireitamento pode ser representado como a diferença entre duas distâncias (ver Fig. 5): l f - ombro de estabilidade de forma e lb - ombro de estabilidade de peso. Não é difícil estabelecer o significado físico dessas quantidades, uma vez que l in é determinado pelo desvio durante o rolamento da linha de ação da força peso da posição inicial exatamente acima de C 0, e l in é o deslocamento para sotavento lado do centro do valor do volume imerso do casco. Considerando a ação das forças D e gV em relação ao Co, percebe-se que a força peso D tende a adernar ainda mais o iate, e a força gV, ao contrário, tende a endireitar a embarcação.
Por triângulo CoGK pode-se encontrar isso, onde CoC é a elevação do CG acima do CB na posição vertical do iate. Assim, para reduzir o efeito negativo das forças de peso, é necessário diminuir o CG do iate, se possível. Num caso ideal, o CG deve estar localizado abaixo do CV, então o braço de estabilidade do peso torna-se positivo e a massa do iate o ajuda a resistir à ação do momento de adornamento. No entanto, apenas alguns iates apresentam esta característica: o aprofundamento do CG abaixo do CV está associado à utilização de lastro muito pesado, superior a 60% do deslocamento do iate, e ao aligeiramento excessivo do casco, longarinas e cordame. Um efeito semelhante a uma diminuição no CG é alcançado movendo a tripulação para barlavento. Se estamos falando de um bote leve, então a tripulação consegue deslocar tanto o CG geral que a linha de ação da força D cruza com o DP significativamente abaixo do CV e o braço de estabilidade do peso acaba sendo positivo.
Num barco de quilha, graças à quilha de lastro pesado, o centro de gravidade é bastante baixo (na maioria das vezes abaixo da linha de água ou ligeiramente acima dela). A estabilidade do iate é sempre positiva e atinge o seu máximo numa inclinação de cerca de 90°, quando o iate está com as velas na água. É claro que tal lista só pode ser alcançada em um iate com aberturas bem fechadas no convés e uma cabine com drenagem automática. Um iate com cabine aberta pode ser inundado com água em um ângulo de inclinação muito menor (um iate da classe Dragon, por exemplo, a 52°) e afundar sem ter tempo de se endireitar.
Em iates em condições de navegar, uma posição de equilíbrio instável ocorre em uma inclinação de cerca de 130°, quando o mastro já está submerso, sendo direcionado para baixo em um ângulo de 40° em relação à superfície. Com um aumento adicional no rolamento, o braço de estabilidade torna-se negativo, o momento de capotamento ajuda a atingir a segunda posição de equilíbrio instável com um rolamento de 180° (quilha para cima), quando o centro de gravidade acaba por estar localizado bem acima do centro de gravidade de uma onda pequena o suficiente para que o navio volte à posição normal - quilha para baixo. Há muitos casos em que os iates fizeram uma rotação completa de 360° e mantiveram a sua navegabilidade.
Comparando a estabilidade de um iate de quilha e de um bote, você pode ver que o papel principal na criação do momento certo de um bote é desempenhado por estabilidade forma, e para um iate de quilha - estabilidade de peso.É por isso que há uma diferença tão notável nos contornos dos seus cascos: os botes têm cascos largos com L/B = 2,6-3,2, com quina de pequeno raio e grande plenitude da linha d'água. Ainda mais, o formato do casco determina a estabilidade dos catamarãs, nos quais o deslocamento volumétrico é dividido igualmente entre os dois cascos. Mesmo com um leve giro, o deslocamento entre os cascos é nitidamente redistribuído, aumentando a força de empuxo do casco imerso na água (Fig. 6). Quando o outro casco sai da água (em uma inclinação de 8-15°), o braço de estabilidade atinge seu valor máximo - é um pouco menos da metade da distância entre os DPs dos cascos. Com um aumento adicional na rolagem, o catamarã se comporta como um bote cuja tripulação está pendurada em um trapézio. Quando a rotação é de 50-60°, ocorre um momento de equilíbrio instável, após o qual a estabilidade do catamarã torna-se negativa.
Diagrama de estabilidade estática. Obviamente, uma característica completa da estabilidade de um iate pode ser a curva da mudança no momento de endireitamento Mv dependendo do ângulo de rolamento ou do diagrama de estabilidade estática (Fig. 7). O diagrama distingue claramente os momentos de estabilidade máxima (W) e o ângulo máximo de rotação no qual o navio, deixado por conta própria, vira (ângulo de 3 poentes do diagrama de estabilidade estática).
Usando o diagrama, o capitão do navio tem a oportunidade de avaliar, por exemplo, a capacidade do iate de suportar um vento específico com um vento de certa força. Para fazer isso, curvas de mudança no momento de adernamento Mkr dependendo do ângulo de rolamento são traçadas no diagrama de estabilidade. O ponto B da intersecção de ambas as curvas indica o ângulo de adornamento que o iate receberá sob a ação do vento estático com um aumento suave. Na Fig. 7, o iate receberá uma inclinação correspondente ao ponto D - cerca de 29°. Para embarcações com ramos descendentes claramente definidos do diagrama de estabilidade (botes, compromissos e catamarãs), a navegação só pode ser permitida em ângulos de adornamento que não excedam o ponto máximo do diagrama de estabilidade.
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| Arroz. 7. Diagrama de estabilidade estática de um iate de cruzeiro e corrida |
Na prática, as tripulações de iates muitas vezes têm que lidar com a ação dinâmica de forças externas, nas quais o momento de adornamento atinge um valor significativo num período de tempo relativamente curto. Isso acontece quando há uma tempestade ou onda atingindo a ponta de barlavento. Nestes casos, não só a magnitude do momento de adernamento é importante, mas também a energia cinética transmitida à embarcação e absorvida pelo trabalho do momento de endireitamento.
No diagrama de estabilidade estática, o trabalho de ambos os momentos pode ser representado como áreas delimitadas entre as curvas e eixos ordenados correspondentes. A condição para o equilíbrio do iate sob a influência dinâmica de forças externas será a igualdade das áreas de OABVE (trabalho Mkr) e OBGVE (trabalho Mv). Considerando que as áreas da OBVE são comuns, podemos considerar a igualdade das áreas da OAB e da BGV. Na Fig. 7 pode-se observar que no caso da ação dinâmica do vento, o ângulo de rolamento (ponto E, cerca de 62°) é visivelmente maior do que o ângulo de rolamento do vento de mesma força durante sua ação estática.
A partir do diagrama de estabilidade estática pode ser determinado salto dinâmico máximo um momento que vira um bote ou ameaça a segurança de um iate com cabine aberta. Obviamente, o efeito do momento restaurador só pode ser considerado até o ângulo de alagamento da cabine ou até o ponto inicial de diminuição do diagrama de estabilidade estática.
É geralmente aceito que iates de quilha equipados com lastro pesado são praticamente viráveis. No entanto, na já mencionada corrida Fastnet de 1979, 77 iates viraram com um ângulo de inclinação superior a 90°, e alguns deles permaneceram flutuando com as quilhas levantadas por algum tempo (de 30 segundos a 5 minutos), e vários iates em seguida, subiram para sua posição normal através de outro tabuleiro. Os danos mais graves foram a perda de mastros (em 12 iates), baterias, pesados fogões de cozinha e outros equipamentos caindo das tomadas. A entrada de água nos edifícios também gerou consequências indesejáveis. Isto aconteceu sob a influência dinâmica de uma onda íngreme de 9 a 10 metros, cujo perfil se rompeu abruptamente durante a transição do oceano para o raso Mar da Irlanda, com uma velocidade de vento de 25 a 30 m/s.
Fatores que afetam a estabilidade lateral. Assim, podemos tirar certas conclusões sobre a influência de vários elementos do design do iate na sua estabilidade. Em ângulos de inclinação baixos, o papel principal na criação do momento de endireitamento é desempenhado pela largura do iate e pelo coeficiente de plenitude da área da linha d'água. Quanto mais largo o iate e mais cheia a sua linha de água, quanto mais longe do DP o centro de gravidade se desloca quando a embarcação balança, maior será o braço de estabilidade da forma. O diagrama de estabilidade estática de um iate bastante largo tem um ramo ascendente mais íngreme do que um estreito - até = 60-80°.
Quanto mais baixo o centro de gravidade do iate, mais estável ele é, e a influência do calado profundo e do grande lastro afeta quase todo o diagrama de estabilidade do iate. Ao modernizar um iate, é útil lembrar uma regra simples: cada quilograma abaixo da linha d'água melhora a estabilidade e cada quilograma acima da linha d'água a piora. A longarina pesada e o cordame são especialmente visíveis pela estabilidade.
Com a mesma localização do centro de gravidade, um iate com excesso de borda livre também apresenta maior estabilidade em ângulos de inclinação superiores a 30-35°, quando em uma embarcação com altura lateral normal o convés começa a entrar na água. Um iate com laterais altas tem um grande momento máximo de endireitamento. Esta qualidade também é inerente aos iates que possuem coberturas impermeáveis de volume suficientemente grande.
Deve ser dada especial atenção à influência da água nos porões e dos líquidos nos tanques. Não se trata apenas de mover massas de líquidos para o lado inclinado; O papel principal é desempenhado pela presença de uma superfície livre do líquido transbordante, nomeadamente o seu momento de inércia em relação ao eixo longitudinal. Se, por exemplo, a superfície da água no porão tiver um comprimento de / e uma largura de b, então a altura metacêntrica diminui na quantidade
, m. (9)
A água no porão, cuja superfície livre tem grande largura, é especialmente perigosa. Portanto, ao navegar em condições de tempestade, a água do porão deve ser retirada em tempo hábil.
Para reduzir a influência da superfície livre dos líquidos, são instaladas anteparas de defensas longitudinais nos tanques, que são divididas em várias partes ao longo da largura. Furos são feitos nas anteparas para o livre fluxo do líquido.
Estabilidade lateral e propulsão do iate.À medida que a rotação aumenta além de 10-12°, a resistência da água ao movimento do iate aumenta visivelmente, o que leva a uma perda de velocidade. Portanto, é importante que quando o vento aumenta, o iate consiga manter uma navegação eficaz por mais tempo sem adernamento excessivo. Muitas vezes, mesmo em iates relativamente grandes, durante as regatas a tripulação fica posicionada a barlavento, tentando reduzir a inclinação.
Quão eficaz é mover a carga (tripulação) para um lado é fácil de imaginar usando a fórmula mais simples, que é válida para pequenos ângulos (entre 0-10°) de rotação;
, (10)
M momento o, inclinando o iate em 1°;
D- deslocamento do iate, t;
h- altura metacêntrica transversal inicial, m.
Conhecendo a massa da carga movimentada e a distância de sua nova localização ao DP, é possível determinar o momento de adernamento, e dividindo-o por Mo, obtenha o ângulo de rotação em graus. Por exemplo, se em um iate com deslocamento de 7 toneladas e A = 1 m, cinco pessoas estiverem localizadas ao lado a uma distância de 1,5 m do DP, então o momento de adernamento que eles criam dará ao iate um rolamento de 4,5 ° (ou reduza o rolo para o outro lado aproximadamente na mesma quantidade).
Estabilidade longitudinal. A física dos fenômenos que ocorrem durante a inclinação longitudinal do iate é semelhante aos fenômenos durante um giro, mas a altura metacêntrica longitudinal é comparável em magnitude ao comprimento do iate. Portanto, as inclinações longitudinais e o caimento são geralmente pequenos e não são medidos em graus, mas por mudanças no calado da proa e da popa. E, no entanto, se todas as suas capacidades forem extraídas de um iate, não se pode deixar de levar em conta a ação das forças que ajustam o iate à proa e movem o centro de magnitude para frente (ver Fig. 4). Isso pode ser neutralizado movendo a tripulação para o convés de popa.
As forças que cortam a proa atingem sua maior magnitude ao navegar no backstay; neste percurso, especialmente com ventos fortes, a tripulação deve ser deslocada o mais para trás possível. Em um percurso de bolina curta, o momento de compensação é pequeno e é melhor que a tripulação se posicione próximo ao meio do navio, adernando o navio. Na cambalhota, o momento de compensação acaba sendo menor do que no backstay, principalmente se o iate carrega um balão e um blooper, que proporcionam uma certa sustentação.
Para catamarãs, a altura metacêntrica longitudinal é comparável à altura transversal, às vezes menor. Portanto, o efeito do momento de compensação, quase imperceptível em um iate de quilha, pode virar um catamarã com as mesmas dimensões principais.
As estatísticas de acidentes indicam casos de capotamento na proa durante a passagem de catamarãs de cruzeiro com forte vento.
1.7. Resistência à deriva
A força lateral Fd (ver Fig. 4) não apenas inclina o iate, mas também causa deriva lateral afundar. A força da deriva depende do curso do iate em relação ao vento. Ao navegar em direção de proa curta, é três vezes maior que a força de empuxo que move o iate para frente; no gulfwind, ambas as forças são aproximadamente iguais ao backstay íngreme ( vento verdadeiro cerca de 135° em relação ao curso do iate), a força motriz acaba sendo 2-3 vezes maior que a força de deriva e, em uma cambalhota pura, não há nenhuma força de deriva. Conseqüentemente, para que uma embarcação avance com sucesso no curso de bolina curta para vento do golfo, ela deve ter resistência lateral suficiente à deriva, muito maior do que a resistência da água ao movimento do iate ao longo do curso.
A função de criar resistência à deriva em iates modernos é desempenhada principalmente pelas placas centrais, quilhas e lemes.
Como já dissemos, uma condição indispensável para o surgimento de uma força de resistência à deriva é o movimento do iate em um pequeno ângulo em relação ao DP - o ângulo de deriva. Consideremos o que acontece no fluxo de água diretamente na quilha, que é uma asa com seção transversal em forma de um fino perfil aerodinâmico simétrico (Fig. 8).
Se não houver ângulo de deriva (Fig. 8, a), então o fluxo de água, encontrando o perfil da quilha no ponto a, está dividido em duas partes. Neste ponto, denominado ponto crítico, a velocidade do fluxo é igual a O, a pressão é máxima, igual à altura manométrica de velocidade, onde r é a densidade mássica da água (para água doce); v- velocidade do iate (m/s). Ambas as partes superior e inferior do fluxo fluem simultaneamente ao redor da superfície do perfil e se encontram novamente no ponto b na borda de saída. Obviamente, nenhuma força dirigida através do fluxo pode surgir no perfil; Apenas uma força de resistência ao atrito atuará, devido à viscosidade da água.
Se o perfil for desviado por um determinado ângulo de ataque a(no caso de uma quilha de iate - o ângulo de deriva), então o padrão de fluxo ao redor do perfil mudará (Fig. 8, b). Ponto crítico A irá para a parte inferior do “nariz” do perfil. O caminho que uma partícula de água deve percorrer ao longo da superfície superior do perfil aumentará e o ponto b1 onde, de acordo com as condições de continuidade do fluxo, as partículas que fluem nas superfícies superior e inferior do perfil deveriam se encontrar, tendo percorrido um caminho igual, elas terminam na superfície superior. Porém, ao contornar a borda afiada do perfil, a parte inferior do fluxo se separa da borda na forma de um vórtice (Fig. 8, c e d). Este vórtice, denominado vórtice inicial, girando no sentido anti-horário, faz com que a água circule ao redor do perfil na direção oposta, ou seja, no sentido horário (Fig. 8, d). Este fenômeno, causado por forças viscosas, é semelhante à rotação de uma grande engrenagem (circulação) engrenada com uma pequena engrenagem motriz (vórtice de partida).
Após a circulação ocorrer, o vórtice inicial se separa da borda emergente, ponto b2 aproxima-se desta borda, fazendo com que não haja mais diferença nas velocidades com que as partes superior e inferior do fluxo saem da asa. A circulação ao redor da asa provoca o aparecimento de uma força de sustentação Y, direcionada através do fluxo: na superfície superior da asa a velocidade das partículas de água aumenta devido à circulação, na superfície inferior, ao encontrar partículas envolvidas na circulação, ela diminui a velocidade. Conseqüentemente, na superfície superior a pressão diminui em comparação com a pressão no fluxo na frente da asa, e na superfície inferior aumenta. A diferença de pressão dá sustentação S.
Além disso, a força atuará no perfil frontal(perfil) resistência X, surgindo devido ao atrito da água na superfície do perfil e à pressão hidrodinâmica em sua parte frontal.
Na Fig. A Figura 9 mostra os resultados da medição de pressão na superfície de um perfil simétrico feito em túnel de vento. O eixo y mostra o valor do coeficiente COM p, que é a razão entre o excesso de pressão (pressão total menos a pressão atmosférica) e a altura manométrica de velocidade. Na parte superior do perfil a pressão é negativa (vácuo), na parte inferior é positiva. Assim, a força de sustentação que atua sobre qualquer elemento do perfil é a soma das forças de pressão e rarefação que atuam sobre ele e, em geral, é proporcional à área delimitada entre as curvas de distribuição de pressão ao longo da corda do perfil (sombreado na Fig. 9).
Os dados apresentados na Fig. 9 nos permitem tirar uma série de conclusões importantes sobre o funcionamento da quilha de um iate. Em primeiro lugar, o papel principal na criação da força lateral é desempenhado pelo vácuo que ocorre na superfície da barbatana a barlavento. Em segundo lugar, o pico de rarefação está localizado próximo à borda de entrada da quilha. Consequentemente, o ponto de aplicação da força de sustentação resultante está no terço frontal da corda da aleta. Em geral, a sustentação aumenta até um ângulo de ataque de 15-18°, após o qual cai repentinamente.
Devido à formação de vórtices no lado da rarefação, o fluxo suave ao redor da asa é interrompido, a rarefação cai e o fluxo para (este fenômeno é discutido com mais detalhes no Capítulo 2 para velas). Simultaneamente com o aumento do ângulo de ataque, o arrasto aumenta; atinge um máximo em a = 90°.
A deriva de um iate moderno raramente excede 5°, portanto não há necessidade de se preocupar com a quebra do fluxo na quilha. No entanto, o ângulo crítico de ataque deve ser levado em consideração nos lemes de iates, que também são projetados e operam segundo o princípio de uma asa.
Consideremos os principais parâmetros das quilhas dos iates, que têm um impacto significativo na sua eficácia na criação de força para resistir à deriva. Da mesma forma, o que se afirma a seguir pode ser estendido aos lemes, tendo em conta o facto de estes operarem com um ângulo de ataque significativamente maior.
Espessura e formato da seção transversal da quilha. Testes de aerofólios simétricos mostraram que aerofólios mais espessos (com uma proporção de espessura de seção transversal maior t ao seu acorde b) dar maior força de elevação. Seu arrasto é maior que o de perfis com espessura relativa menor. Resultados ideais podem ser obtidos quando t/b = 0,09-0,12. A quantidade de sustentação em tais perfis depende relativamente pouco da velocidade do iate, de modo que as quilhas desenvolvem resistência suficiente para flutuar mesmo com ventos fracos.
A posição da espessura máxima do perfil ao longo do comprimento da corda tem uma influência significativa na magnitude da força de resistência à deriva. Os mais eficazes são os perfis cuja espessura máxima está localizada a uma distância de 40-50% da corda do seu “nariz”. Para lemes de iates operando em ângulos de ataque elevados, perfis com espessura máxima, localizado um pouco mais próximo da borda principal - até 30% do acorde.
A forma do “nariz” do perfil – o raio de arredondamento da borda de entrada – tem certa influência na eficiência da quilha. Se a borda for muito afiada, o fluxo que flui para a quilha recebe aqui grande aceleração e se desprende do perfil na forma de vórtices.
Nesse caso, ocorre uma queda na sustentação, especialmente significativa em ângulos de ataque elevados. Portanto, tal afiação da borda de entrada é inaceitável para lemes.
Extensão aerodinâmica. Nas extremidades da asa, a água flui da área de alta pressão para a parte traseira do perfil. Como resultado, os vórtices são eliminados das extremidades da asa, formando duas ruas de vórtices. Parte bastante significativa da energia é gasta em sua manutenção, formando os chamados reatância indutiva. Além disso, devido à equalização da pressão nas extremidades da asa, ocorre uma queda local na sustentação, como mostrado no diagrama de sua distribuição ao longo do comprimento da asa na Fig. 10.
Quanto menor o comprimento da asa eu em relação ao seu acorde b, ou seja, quanto menor for o seu alongamento Libra, quanto maior for a perda de sustentação e maior será o arrasto indutivo. Em aerodinâmica, costuma-se estimar a proporção da asa usando a fórmula
(onde 5 é a área da asa), que pode ser aplicada em asas e nadadeiras de qualquer formato. Com formato retangular, a proporção aerodinâmica é igual à proporção; para asa delta l = 2 libras.
Na Fig. 10 mostra uma asa composta por duas quilhas trapezoidais. Em um iate, a quilha é fixada ao fundo com uma base larga, de modo que aqui não há fluxo de água para o lado do vácuo e, sob a influência do casco, a pressão em ambas as superfícies é equalizada. Sem esta influência, a relação de aspecto aerodinâmico poderia ser considerada como sendo o dobro da relação entre a profundidade da quilha e o seu calado. Na prática, esta relação, dependendo do tamanho da quilha, dos contornos do iate e do ângulo de inclinação, é excedida apenas em 1,2-1,3 vezes.
A influência do alongamento aerodinâmico da quilha na magnitude da força de resistência à deriva que ela desenvolve R d pode ser estimado a partir dos resultados do teste de uma aleta com perfil NACA 009 (tb=9%) e uma área de 0,37 m2 (Fig. 11). A velocidade do fluxo correspondeu à velocidade do iate de 3 nós (1,5 m/s). De interesse é a mudança na força de resistência à deriva em um ângulo de ataque de 4-6°, que corresponde ao ângulo de deriva do iate em um curso de proa curta. Se você aceitar a força R d com alongamento l = 1 por unidade (6,8 em a = 5°), então com um aumento de l para 2, a resistência à deriva aumenta em mais de 1,5 vezes (10,4 kg), e com l = 3 - exatamente o dobro (13,6 kg). O mesmo gráfico pode servir para uma avaliação qualitativa da eficácia de lemes de diversas extensões, que operam na região de grandes ângulos de ataque.
Assim, aumentando o alongamento da aleta da quilha, é possível obter a quantidade necessária de força lateral R d com menor área de quilha e, portanto, com menor área de superfície molhada e resistência da água ao movimento do iate. O comprimento da quilha nos iates modernos de cruzeiro e corrida é em média l = 1-3. A pena do leme, que serve não só para controlar a embarcação, mas também é elemento integrante na criação da resistência do iate, tem um alongamento ainda maior, aproximando-se de l = 4.
Área e formato da quilha. Na maioria das vezes, as dimensões da quilha são determinadas por dados estatísticos, comparando o iate projetado com embarcações comprovadas. Em iates modernos de cruzeiro e corrida com leme separado da quilha, a área total da quilha e do leme varia de 4,5 a 6,5% da área de vela do iate, e a área do leme é de 20 a 40% de a área da quilha.
Para obter o alongamento ideal, o projetista do iate se esforça para adotar o calado máximo permitido pelas condições de navegação ou regras de medição. Na maioria das vezes, a quilha tem o formato de um trapézio com bordo de ataque inclinado. Como estudos demonstraram, para quilhas de iates com uma proporção de 1 a 3, o ângulo entre o bordo de ataque e a vertical na faixa de -8° a 22,5° praticamente não tem efeito nas características hidrodinâmicas da quilha. Se a quilha (ou placa central) for muito estreita e longa, então uma inclinação do bordo de ataque superior a 15° em relação à vertical é acompanhada por um desvio das linhas de fluxo de água ao longo do perfil, em direção ao canto traseiro inferior. Como resultado, a força de sustentação diminui e o arrasto da quilha aumenta. Neste caso, o ângulo de inclinação ideal é de 5° em relação à vertical.
A quantidade de sustentação desenvolvida pela quilha e pelo leme é significativamente influenciada pela qualidade do acabamento superficial, especialmente do bordo de ataque, onde o fluxo ao redor do perfil é formado. Portanto, recomenda-se polir a quilha e o leme a uma distância de pelo menos 1,5% da corda do perfil.
Velocidade do iate. A força de sustentação em qualquer asa é determinada pela fórmula:
(11)
Сy - coeficiente de sustentação, dependendo dos parâmetros da asa - formato do perfil, proporção, contorno do plano, bem como do ângulo de ataque - aumenta com o aumento do ângulo de ataque;
R- densidade mássica da água, ;
V- velocidade do fluxo que flui ao redor da asa, m/s;
S- área da asa, m2.
Assim, a força de resistência à deriva é um valor variável proporcional ao quadrado da velocidade. No momento inicial do movimento do iate, por exemplo após uma amura, quando o navio perde velocidade, ou ao se afastar da retranca em direção ao vento, a força de sustentação na quilha é pequena. Para que a força S igualou a força de deriva FD a quilha deve ser posicionada em direção ao fluxo que se aproxima em um alto ângulo de ataque. Em outras palavras, o navio começa a se mover com um grande ângulo de deriva. À medida que a velocidade aumenta, o ângulo de deriva diminui até atingir seu valor normal - 3-5°.
O capitão deve levar esta circunstância em consideração, proporcionando espaço suficiente para sotavento ao acelerar o iate ou após mudar de rumo. Um grande ângulo de deriva inicial deve ser usado para ganhar velocidade rapidamente puxando levemente as folhas. A propósito, isso reduz a força de deriva nas velas.
Também é necessário lembrar a mecânica de geração de sustentação, que aparece na aleta somente após a separação do vórtice inicial e o desenvolvimento de uma circulação estável. Na quilha estreita de um iate moderno, a circulação ocorre mais rapidamente do que no casco de um iate com leme montado na quilha, ou seja, em uma asa com corda grande. O segundo iate irá derivar mais na direção do vento antes que o casco se torne eficaz na prevenção da deriva.
Controlabilidade
Controlabilidadeé a qualidade de uma embarcação que lhe permite seguir um determinado rumo ou mudar de direção. Somente um iate que reaja adequadamente à mudança do leme pode ser considerado controlável.
A controlabilidade combina duas propriedades de uma embarcação - estabilidade de rumo e agilidade.
Estabilidade do curso- esta é a capacidade de um iate de manter uma determinada direção reta de movimento quando várias forças externas atuam sobre ele: vento, ondas, etc. características de design iate e a natureza da ação das forças externas, mas também na reação do timoneiro ao desvio da embarcação do curso, no seu sentido do leme.
Voltemos novamente ao diagrama da ação das forças externas nas velas e no casco do iate (ver Fig. 4). A posição relativa dos dois pares de forças é de importância decisiva para a estabilidade do iate em curso. Força de salto F d e força de resistência à deriva R d tendem a empurrar a proa do iate contra o vento, enquanto a segunda força de para-impulso T e resistência ao movimento R traz o iate ao vento. É óbvio que a reação do iate depende da relação entre a magnitude das forças e ombros considerados A E b, em que operam. À medida que o ângulo de rotação aumenta, o braço do par de acionamento b também aumenta. Ombro de um casal caindo A depende da posição relativa do centro da vela (CS) - o ponto de aplicação das forças aerodinâmicas resultantes às velas e do centro de resistência lateral (CLR) - o ponto de aplicação das forças hidrodinâmicas resultantes ao casco da vela. iate. A posição destes pontos muda dependendo de muitos fatores: o curso do iate em relação ao vento, a forma e configuração das velas, a inclinação e caimento do iate, a forma e perfil da quilha e do leme, etc.
Portanto, ao projetar e reequipar iates, eles operam com CPs e CBs convencionais, considerando-os localizados nos centros de gravidade de figuras planas, que são velas colocadas no plano central do iate, e os contornos subaquáticos do DP com quilha, barbatanas e leme (Fig. 12).
Sabe-se que o centro de gravidade de uma vela triangular está localizado na intersecção de duas medianas, e o centro de gravidade comum das duas velas está localizado em um segmento de reta que liga o CP de ambas as velas, e divide este segmento em proporção inversa à sua área. Normalmente, não é a área real da bujarrona que é levada em consideração, mas a área medida do triângulo da vela dianteira.
A posição do centro central pode ser determinada equilibrando o perfil da parte subaquática do DP, recortado em papelão fino, na ponta de uma agulha. Quando o modelo é posicionado estritamente horizontalmente, a agulha está localizada no ponto condicional do centro central. Lembremos que na criação da força de resistência à deriva, o papel principal cabe à quilha e ao leme. Os centros de pressões hidrodinâmicas em seus perfis podem ser encontrados com bastante precisão, por exemplo, para perfis com espessura relativa tb em cerca de 8%, este ponto está a cerca de 26% da corda de distância da borda principal. No entanto, o casco do iate, embora participe em pequena extensão na criação da força lateral, faz certas mudanças na natureza do fluxo ao redor da quilha e do leme, e muda dependendo do ângulo de inclinação e caimento, como bem como a velocidade do iate. Na maioria dos casos, em um percurso próximo, o verdadeiro centro de gravidade se move para frente.
Os projetistas, via de regra, colocam a CPU a alguma distância (avançada) na frente do sistema nervoso central. Normalmente, o avanço é especificado como uma porcentagem do comprimento da embarcação na linha d'água e é de 15 a 18% para um saveiro das Bermudas. eu kvl.
Se o verdadeiro CP estiver localizado muito à frente do CS, o iate em rumo de bolina curta cai na direção do vento e o timoneiro tem que manter constantemente o leme inclinado em direção ao vento. Se o CP estiver atrás do CB, o iate tende a se mover na direção do vento; direção constante é necessária para manter o barco sob controle.
A tendência do iate de afundar é especialmente desagradável. Em caso de acidente com o leme, o iate não pode ser colocado em rumo de bolina estreita apenas com o auxílio das velas, além disso, apresenta maior deriva. O fato é que a quilha do iate desvia o fluxo de água que flui dele para mais perto do DP da embarcação. Portanto, se o leme for reto, ele opera em um ângulo de ataque visivelmente menor do que a quilha. Se você inclinar o leme para barlavento, a força de sustentação gerada nele será direcionada para sotavento - na mesma direção que a força de deriva nas velas. Neste caso, a quilha e o leme são “puxados” em direções diferentes e o iate fica instável no curso.
Outra coisa é a tendência fácil do iate para ser conduzido. O leme, deslocado em um pequeno ângulo (3-4°) na direção do vento, opera com o mesmo ângulo de ataque ou um pouco maior que a quilha e participa efetivamente na resistência à deriva. A força lateral que surge no leme causa um deslocamento significativo de todo o sistema de direção central em direção à popa, ao mesmo tempo que o ângulo de deriva diminui, o iate permanece estável no curso.
No entanto, se num percurso de proa curta o leme tiver de ser constantemente deslocado em direção ao vento numa quantidade superior a 3-4°, deverá pensar em ajustar a posição relativa do volante central e da unidade de controlo central. Em um iate já construído, isso é mais fácil de fazer movendo a CPU para frente, instalando o mastro na estepe na posição extrema da proa ou inclinando-o para frente.
O motivo da deriva do iate também pode ser a vela grande - muito "barriguda" ou com testa reconstruída. Neste caso, é útil um suporte intermediário, com o qual você pode dobrar o mastro na parte central (em altura) para frente e assim tornar a vela mais plana, além de enfraquecer a testa. Você também pode encurtar o comprimento da testa da vela grande.
É mais difícil deslocar a coluna de direção central para a popa, para isso é necessário instalar uma barbatana de popa na frente do leme ou aumentar a área da lâmina do leme.
Já dissemos que à medida que a rolagem aumenta, a tendência do iate de rolar também aumenta. Isto ocorre não apenas devido a um aumento no braço do par de forças adutoras - T E R. Durante um rolamento, a pressão hidrodinâmica na área da onda de proa aumenta, o que leva a um deslocamento do sistema nervoso central para a frente. Portanto, com vento fresco, para diminuir a tendência do iate à deriva, deve-se mover a vela grande para frente e: fazer um recife na vela grande ou recife um pouco para este curso. Também é útil trocar a bujarrona por uma menor, o que reduz a inclinação e o caimento do iate na proa.
Um designer experiente na hora de escolher o valor do adiantamento A normalmente leva em consideração a estabilidade do iate para compensar o aumento do momento de condução durante o adernamento: para um iate com menos estabilidade é definido um grande valor de avanço, para navios mais estáveis o avanço é considerado mínimo.
Iates bem centrados geralmente apresentam guinada aumentada no curso de backstay, quando a vela grande puxada a bordo tende a virar o iate com a proa na direção do vento. Isso também é ajudado por uma onda alta vinda da popa em ângulo com o DP. Para manter o iate no curso, é necessário trabalhar duro no leme, desviando-o para um ângulo crítico, quando o fluxo de sua superfície a sotavento é possível (isso geralmente acontece em ângulos de ataque de 15-20°). Este fenômeno é acompanhado por uma perda de sustentação do leme e, consequentemente, da controlabilidade do iate. O iate pode repentinamente se lançar bruscamente contra o vento e obter uma grande inclinação e, devido à diminuição do aprofundamento da lâmina do leme, o ar da superfície da água pode passar para o lado de rarefação.
A luta contra esse fenômeno, denominado brochamento, forças para aumentar a área da pena do leme e seu alongamento, para instalar uma barbatana na frente do leme, cuja área é cerca de um quarto da área da pena. Graças à presença de uma barbatana na frente do leme, um fluxo direcionado de água é organizado, os ângulos críticos de ataque do leme são aumentados, a passagem de ar para ele é evitada e a força na cana do leme é reduzida. Ao navegar no backstay, a tripulação deve se esforçar para garantir que o impulso do balão seja direcionado o mais para frente possível, e não para os lados, para evitar adernamento excessivo. Também é importante evitar o aparecimento de recortes no nariz, que podem reduzir a profundidade do volante. O brochamento também é facilitado pelo rolamento do iate, que surge como resultado de interrupções no fluxo de ar do balão.
A estabilidade em curso, além da influência considerada das forças externas e da posição relativa dos seus pontos de aplicação, é determinada pela configuração da parte subaquática do DP. Anteriormente, para viagens de longa distância em águas abertas, dava-se preferência aos iates com linha de quilha longa, por apresentarem maior resistência ao giro e, consequentemente, estabilidade no rumo. No entanto, este tipo de embarcação apresenta desvantagens significativas, como uma grande superfície molhada e pouca manobrabilidade. Além disso, descobriu-se que a estabilidade direcional depende não tanto do tamanho da projeção lateral do DP, mas da posição do volante em relação ao sistema de direção central, ou seja, da “alavanca” na qual a direção roda funciona. Note-se que se esta distância for inferior a 25% eu kvl , então o iate fica inclinado e reage mal à deflexão do leme. No eu=40-45% eu kvl (ver Fig. 12) manter a embarcação em um determinado curso não é difícil.
Agilidade- a capacidade de uma embarcação mudar a direção do movimento e descrever uma trajetória sob a influência do leme e das velas. A ação do leme é baseada no mesmo princípio de asa hidrodinâmica que foi considerado para a quilha de um iate. Quando o volante é deslocado para um determinado ângulo, surge uma força hidrodinâmica R, um dos componentes do qual N empurra a popa do iate na direção oposta àquela em que o leme está colocado (Fig. 13). Sob sua influência, o navio começa a se mover ao longo de uma trajetória curva. Ao mesmo tempo força R fornece o componente Q - a força de arrasto que retarda o progresso do iate.
Se você fixar o leme em uma posição, o navio se moverá aproximadamente em um círculo chamado circulação. O diâmetro ou raio de circulação é uma medida da capacidade de giro da embarcação: quanto maior o raio de circulação, pior será a capacidade de giro. Apenas o centro de gravidade do iate se move na circulação; a popa é transportada. Ao mesmo tempo, o navio sofre deriva causada pela força centrífuga e parcialmente pela força N no volante.
O raio de circulação depende da velocidade e massa do iate, do seu momento de inércia em relação ao eixo vertical que passa pelo CG, da eficiência do leme - da magnitude da força N e seu ombro em relação ao CG para uma determinada deflexão do leme. Quanto maior a velocidade e o deslocamento do iate, quanto mais massas pesadas (motor, âncoras, peças de equipamentos) estiverem localizadas nas extremidades da embarcação, maior será o raio de circulação. Normalmente, o raio de circulação, determinado durante os testes de mar do iate, é expresso em comprimentos de casco.
A agilidade é melhor quanto mais curta for a parte submersa da embarcação e quanto mais próxima do meio do navio estiver concentrada sua área principal. Por exemplo, navios com quilha longa (como barcos de guerra) têm baixa capacidade de giro e, inversamente, boa capacidade de giro - botes com placas centrais estreitas e profundas.
A eficácia do leme depende da área e formato da pena, do perfil da seção transversal, da relação de aspecto aerodinâmico, do tipo de instalação (no poste de popa, separado da quilha ou na barbatana), e também da distância da coronha da a coluna de direção central. Os mais difundidos são os lemes desenhados em forma de asa com perfil aerodinâmico de seção transversal. A espessura máxima do perfil é geralmente considerada entre 10-12% da corda e está localizada a 1/3 da corda da borda principal. A área do leme é geralmente 9,5-11% da área da parte submersa do DP do iate.
Um leme com grande relação de aspecto (relação entre o quadrado da profundidade do leme e sua área) desenvolve uma grande força lateral em baixos ângulos de ataque, devido à qual participa efetivamente no fornecimento de resistência lateral à deriva. No entanto, como mostrado na Fig. 11, em certos ângulos de ataque de perfis de diferentes proporções, o fluxo é separado da superfície de rarefação, após o que a força de sustentação no perfil cai significativamente. Por exemplo, quando eu= 6 o ângulo crítico do leme é 15°; no eu=2- 30°. Como compromisso, são utilizados guiadores com extensões eu = 4-5 (a proporção do volante retangular é 2-2,5) e para aumentar o ângulo de mudança crítico, uma aleta skeg é instalada na frente do volante. Um leme com grande proporção de aspecto reage mais rápido ao deslocamento, pois a circulação do fluxo, que determina a força de sustentação, se desenvolve mais rápido em torno de um perfil com uma pequena corda do que em toda a parte subaquática do casco com um leme montado no poste de popa.
A borda superior do volante deve ajustar-se firmemente ao corpo dentro de desvios de trabalho de ±30° para evitar que a água flua através dela; caso contrário, o desempenho da direção irá deteriorar-se. Às vezes, na barra do leme, se estiver montada no gio, uma arruela aerodinâmica é fixada na forma de uma placa larga próxima à linha d'água.
O que foi dito sobre o formato das quilhas também se aplica aos lemes: um formato trapezoidal com borda inferior retangular ou ligeiramente arredondada é considerado ideal. Para reduzir as forças sobre a cana, o volante às vezes é feito do tipo balanceado, com eixo de rotação localizado a 1/4-1/5 da corda do “nariz” do perfil.
Ao dirigir um iate, é necessário levar em consideração as especificidades do volante nas diversas condições e, principalmente, a interrupção do fluxo de sua parte traseira. Você não pode fazer mudanças repentinas no volante a bordo no início de uma curva; o fluxo irá parar, ocorrerá força lateral. N no volante cairá, mas a força de resistência aumentará rapidamente R. O iate entrará na circulação lentamente e com grande perda de velocidade. É necessário iniciar uma curva deslocando o leme para um pequeno ângulo, mas assim que a popa rolar para fora e o ângulo de ataque do leme começar a diminuir, ele deverá ser deslocado para um ângulo maior em relação ao DP do iate.
Deve ser lembrado que a força lateral no leme aumenta rapidamente à medida que a velocidade do iate aumenta. Com vento fraco, é inútil tentar virar o iate rapidamente deslocando o leme para um grande ângulo (aliás, o valor do ângulo crítico depende da velocidade: em velocidades mais baixas, a separação do fluxo ocorre em ângulos mais baixos de ataque).
A resistência do leme quando o rumo do iate muda, dependendo de sua forma, desenho e localização, varia de 10 a 40% da resistência total do iate. Portanto, a técnica de direção do leme (e a centralização do iate, da qual depende a estabilidade do curso) deve ser levada muito a sério, e o leme não deve se desviar em um ângulo maior do que o necessário.
Taxa de vendas
Taxa de vendas refere-se à capacidade de um iate de atingir uma certa velocidade enquanto utiliza eficientemente a energia eólica.
A velocidade que um iate pode atingir depende principalmente da velocidade do vento, uma vez que todas as forças aerodinâmicas atuam nas velas. incluindo a força de tração, aumentam proporcionalmente ao quadrado da velocidade aparente do vento. Além disso, também depende da fonte de alimentação da embarcação - a relação entre a área da vela e suas dimensões. A relação mais frequentemente usada como característica da disponibilidade de energia é S" 1/2 /V 1/3(onde S é a área de vento, m2; V- deslocamento total, m 3) ou S/W (aqui W é a superfície molhada do casco, incluindo a quilha e o leme).
A força de tração e, portanto, a velocidade do iate, também é determinada pela capacidade equipamento de navegação desenvolver impulso suficiente em diferentes cursos em relação à direção do vento.
Os fatores listados referem-se às velas de propulsão do iate, que convertem a energia eólica em força motriz T. Como mostrado na Fig. 4, esta força durante o movimento uniforme do iate deve ser igual e oposta à força de resistência ao movimento R. Este último é uma projeção de todas as forças hidrodinâmicas resultantes que atuam na superfície molhada do corpo na direção do movimento.
Existem dois tipos de forças hidrodinâmicas: forças de pressão direcionadas perpendicularmente à superfície do corpo e forças viscosas que atuam tangencialmente a esta superfície. A resultante das forças viscosas dá a força resistência ao atrito.
As forças de pressão são causadas pela formação de ondas na superfície da água quando o iate se move, de modo que a força resultante dá resistência das ondas.
Com uma grande curvatura da superfície do casco na parte traseira, a camada limite pode se desprender da pele e podem formar-se vórtices, absorvendo parte da energia da força motriz. Isto cria outro componente de resistência ao movimento do iate - resistência à forma.
Mais dois tipos de resistência aparecem devido ao fato do iate não se mover em linha reta ao longo do DP, mas com um certo ângulo de deriva e rotação. Esse indutivo e calcanhar resistência. Uma parcela significativa da resistência indutiva é ocupada pela resistência das partes salientes - a quilha e o leme.
Finalmente, o movimento para a frente do iate também é resistido pelo ar que lava o casco, a tripulação e o desenvolvimento do sistema de cordame e velas. Esta peça de resistência é chamada ar.
Resistência ao atrito. Quando o iate se move, as partículas de água diretamente adjacentes à superfície do casco parecem aderir a ele e são carregadas junto com o navio. A velocidade dessas partículas em relação ao corpo é zero (Fig. 14). A próxima camada de partículas, deslizando sobre a primeira, já fica um pouco atrás dos pontos correspondentes do casco, e a uma certa distância do casco a água geralmente permanece imóvel ou tem uma velocidade em relação ao casco igual à velocidade do iate v. Essa camada de água, na qual atuam forças viscosas, e a velocidade de movimento das partículas de água em relação ao casco aumenta de 0 até a velocidade do navio, é chamada de camada limite. A sua espessura é relativamente pequena e varia de 1 a 2% do comprimento do casco ao longo da linha de água, no entanto, a natureza ou modo de movimento das partículas de água no seu interior tem um impacto significativo na quantidade de resistência ao atrito.
Foi estabelecido que o modo de movimento do chasgitz varia dependendo da velocidade da embarcação e do comprimento de sua superfície molhada. Na hidrodinâmica, esta dependência é expressa pelo número de Reynolds:
n é o coeficiente de viscosidade cinemática da água (para água doce n = 1,15-10 -6 m 2 /s);
EU- comprimento da superfície molhada, m;
v- velocidade do iate, m/s.
Com um número relativamente pequeno Re = 10 6, as partículas de água na camada limite se movem em camadas, formando laminar fluxo. Sua energia não é suficiente para superar as forças viscosas que impedem os movimentos transversais das partículas. A maior diferença de velocidade entre camadas de partículas ocorre diretamente na superfície do invólucro; Conseqüentemente, as forças de atrito são maiores aqui.
O número de Reynolds na camada limite aumenta à medida que as partículas de água se afastam do caule (com o aumento do comprimento molhado). A uma velocidade de 2 m/s, por exemplo, já a uma distância de cerca de 2 m dele Ré atingirá um valor crítico no qual o regime de fluxo na camada limite se torna vórtice, isto é, turbulento e direcionado através da camada limite. Devido à troca resultante de energia cinética entre as camadas, a velocidade das partículas próximas à superfície do invólucro aumenta em maior extensão do que com o fluxo laminar. Diferença de velocidade DVD aqui a resistência ao atrito aumenta proporcionalmente. Devido aos movimentos transversais das partículas de água, a espessura da camada limite aumenta e a resistência ao atrito aumenta acentuadamente.
O regime de fluxo laminar cobre apenas uma pequena parte do casco do iate na proa e apenas em baixas velocidades. Valor crítico Ré, em que ocorre o fluxo turbulento ao redor do corpo, situa-se na faixa de 5-10 5-6-10 6 e depende em grande parte da forma e suavidade de sua superfície. À medida que a velocidade aumenta, o ponto de transição da camada limite laminar para a turbulenta move-se em direção ao nariz e a uma velocidade suficientemente alta pode chegar um momento em que toda a superfície molhada do casco será coberta por um fluxo turbulento. É verdade que diretamente perto da pele, onde a velocidade do fluxo é próxima de zero, ainda permanece uma película fina com regime laminar – uma subcamada laminar.
A resistência ao atrito é calculada usando a fórmula:
(13)
R tr - resistência ao atrito, kg;
ztr - coeficiente de resistência ao atrito;
r-densidade mássica da água;
para água doce:
v- velocidade do iate, m/s;
Superfície molhada com W, m2.
O coeficiente de arrasto de atrito é um valor variável dependendo da natureza do fluxo na camada limite e do comprimento do corpo eu kvl da velocidade v e rugosidade da superfície da carcaça.
Na Fig. A Figura 15 mostra a dependência do coeficiente de resistência ao atrito ztr no número Ré e rugosidade superficial da carcaça. O aumento na resistência de uma superfície rugosa em comparação com uma superfície lisa pode ser facilmente explicado pela presença de uma subcamada laminar na camada limite turbulenta. Se os tubérculos da superfície estiverem completamente imersos na subcamada laminar, eles não introduzem mudanças significativas na natureza do fluxo laminar da subcamada. Se as irregularidades excederem a espessura da subcamada e se projetarem acima dela, então a turbulência do movimento das partículas de água ocorre em toda a espessura da camada limite e o coeficiente de atrito aumenta proporcionalmente.
Arroz. 15 permite-nos avaliar a importância do acabamento do fundo de um iate para reduzir a sua resistência ao atrito. Por exemplo, se um iate com 7,5 m de comprimento ao longo da linha d'água se move a uma velocidade v= 6 nós (3,1 m/s), então o número correspondente
Suponhamos que o fundo do iate apresente rugosidade (altura média das irregularidades) k== 0,2 mm, que corresponde à rugosidade relativa
L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4. Para uma determinada rugosidade e número R e o coeficiente de atrito é igual a z tr = 0,0038 (ponto G).
Vamos avaliar se é possível obter neste caso uma superfície de fundo próxima do tecnicamente lisa. No R e = 2-10 7 tal superfície corresponde à rugosidade relativa L/k= 3 10 5 ou rugosidade absoluta k=7500/3 10 5 = 0,025 mm. A experiência mostra que isso pode ser conseguido lixando cuidadosamente o fundo com uma lixa fina e depois envernizando-o. O esforço valerá a pena? O gráfico mostra que o coeficiente de arrasto por atrito diminuirá para z tr = 0,0028 (ponto D), ou em 30%, o que, claro, não pode ser negligenciado por uma tripulação que conta com sucesso nas corridas.
A linha B permite estimar a rugosidade do fundo permitida para iates de vários tamanhos e velocidades. Pode-se observar que com o aumento do comprimento e da velocidade da linha d'água, os requisitos para a qualidade da superfície aumentam.
Para orientação, apresentamos os valores de rugosidade (em mm) para diversas superfícies:
madeira, cuidadosamente envernizada e polida - 0,003-0,005;
madeira pintada e lixada - 0,02-0,03;
pintado com revestimento patenteado - 0,04-0,C6;
madeira pintada com chumbo vermelho - 0,15;
tabuleiro normal - 0,5;
fundo coberto de conchas - até 4,0.
Já dissemos que ao longo de parte do comprimento do iate, a partir da proa, pode ser mantida uma camada limite laminar, a menos que a rugosidade excessiva contribua para a turbulência do fluxo. Portanto, é especialmente importante processar cuidadosamente a proa do casco, todas as bordas de entrada da quilha, barbatanas e lemes. Para pequenas dimensões transversais - cordas - toda a superfície da quilha e do leme deve ser retificada. Na parte traseira do casco, onde a espessura da camada limite aumenta, os requisitos de acabamento superficial podem ser um pouco reduzidos.
A incrustação do fundo com algas e conchas tem um efeito particularmente forte na resistência ao atrito. Se você não limpar periodicamente o fundo dos iates que estão constantemente na água, depois de dois a três meses a resistência ao atrito pode aumentar em 50-80%, o que equivale a uma perda de velocidade com vento médio de 15-25 %.
Resistência à forma. Mesmo com um casco bem aerodinâmico, durante o movimento, é possível detectar uma esteira em que a água faz movimentos de vórtice. Isto é consequência da separação da camada limite do corpo em um determinado ponto (B na Fig. 14). A posição do ponto depende da natureza da mudança na curvatura da superfície ao longo do comprimento do corpo. Quanto mais suaves os contornos da extremidade de popa, mais longe da popa ocorre a separação da camada limite e menor a formação de vórtices.
Com proporções normais entre comprimento e largura do corpo, a resistência à forma é baixa. Seu aumento pode ser devido à presença de maçãs do rosto pontiagudas, linhas de casco quebradas, quilhas com perfil incorreto, lemes e outras partes salientes. A resistência à forma aumenta com a diminuição da extensão da zona, a camada limite laminar, por isso é necessário remover depósitos de tinta, reduzir a rugosidade, vedar reentrâncias na pele, colocar carenagens em tubos salientes, etc.
Resistência às ondas. O aparecimento de ondas próximo ao casco de um navio durante seu movimento é causado pela ação da gravidade do líquido na interface entre a água e o ar. Na proa, onde o casco encontra a água, a pressão aumenta acentuadamente e a água sobe até uma certa altura. Mais perto da seção intermediária, onde, devido à expansão do casco do navio, a velocidade do fluxo aumenta, a pressão nele, segundo a lei de Bernoulli, cai e o nível da água diminui. Na parte traseira, onde a pressão volta a subir, forma-se um pico de segunda onda. As partículas de água começam a oscilar perto do corpo, o que causa oscilações secundárias na superfície da água.
Surge um sistema complexo de ondas de proa e popa, que é da mesma natureza para navios de qualquer tamanho (Fig. 16). Em baixas velocidades, ondas divergentes originadas na proa e na popa do navio são claramente visíveis. Suas cristas estão localizadas em um ângulo de 36-40° em relação ao plano central. Em velocidades mais altas, são liberadas ondas transversais, cujas cristas não se estendem além dos limites da seita/era, limitadas por um ângulo de 18-20° ao DP da embarcação. Os sistemas de ondas transversais de proa e popa interagem entre si, o que pode resultar tanto no aumento da altura da onda total atrás da popa da embarcação quanto na sua diminuição. À medida que se afastam do navio, a energia das ondas é absorvida pelo meio e elas vão se atenuando gradativamente.
A quantidade de resistência das ondas varia dependendo da velocidade do iate. Da teoria das oscilações sabe-se que a velocidade de propagação das ondas está relacionada ao seu comprimento eu razão
Onde p = 3,14; v- velocidade do iate, m/s; g = 9,81 m/s 2 - aceleração da gravidade.
Como o sistema de ondas se move com o iate, a velocidade de propagação das ondas é igual à velocidade do iate.
Se estamos falando, por exemplo, de um iate com comprimento de linha d'água de 8 m, então a uma velocidade de 4 nós haverá cerca de três ondas transversais ao longo do comprimento do casco, e a uma velocidade de 6 nós - um e meio. A relação entre o comprimento de onda transversal X criado por um corpo de comprimento Lkvl! movendo-se em velocidade v, determina em grande parte o valor da resistência das ondas.
Cursos relativos ao vento. Os iates e barcos à vela modernos estão, na maioria dos casos, equipados com oblíquo velas. Sua característica distintiva é que a parte principal ou toda a vela está localizada atrás do mastro ou do estai. Devido ao fato de a borda principal da vela ser puxada firmemente ao longo do mastro (ou por si mesma), a vela flui ao redor do fluxo de ar sem fluir quando está posicionada em um ângulo bastante agudo em relação ao vento. Graças a isso (e com contornos de casco adequados), o navio adquire a capacidade de se mover em ângulo agudo em relação à direção do vento.
Na Fig. 190 mostra a posição do veleiro em diferentes rumos em relação ao vento. Um veleiro comum não pode navegar diretamente contra o vento - a vela, neste caso, não cria uma força de tração capaz de vencer a resistência da água e do ar. Os melhores iates de corrida com ventos médios podem navegar em proa fechada em um ângulo de 35-40° em relação à direção do vento; Normalmente este ângulo não é inferior a 45°. Portanto, o veleiro é forçado a chegar a um alvo localizado diretamente contra o vento. virando- alternadamente amuras a estibordo e bombordo. O ângulo entre os cursos do navio em uma amura e outra é chamado ângulo de aderência, e a posição da embarcação com a proa diretamente contra o vento é esquerdista. A capacidade de um navio virar e mover-se em velocidade máxima diretamente contra o vento é uma das principais qualidades de um veleiro.
Os percursos de bolina curta a meio vento, quando o vento sopra a 90° em direção ao porto do navio, são chamados afiado; do vento do golfo ao jibe (o vento sopra diretamente à popa) - completo. Distinguir íngreme(curso em relação ao vento 90-135°) e completo(135-180°) backstays, bem como de bolina curta (40-60° e 60-80° em relação ao vento, respectivamente).
Arroz. 190. Cursos de um veleiro em relação ao vento.
1 - inclinação estreita e íngreme; 2 - voo completo; 3 - golfo; 4 - backstay; 5 - zombaria; 6 - esquerdista.
Vento aparente. O fluxo de ar que flui ao redor das velas do iate não coincide com a direção vento verdadeiro(em relação ao sushi). Se o navio estiver em movimento, aparece um contrafluxo de ar, cuja velocidade é igual à velocidade do navio. Quando há vento, sua direção em relação ao navio é desviada de certa forma devido ao fluxo de ar que se aproxima; a magnitude da velocidade também muda. Assim, o fluxo total, denominado vento aparente. Sua direção e velocidade podem ser obtidas somando os vetores do vento verdadeiro e do fluxo contrário (Fig. 191).
Arroz. 191. Vento aparente em vários cursos do iate em relação ao vento.
1 - de perto; 2 - golfo; 3 - backstay; 4 - zombaria.
v- velocidade do iate; v e - velocidade real do vento; v in - velocidade aparente do vento.
É óbvio que em um curso próximo a velocidade aparente do vento é a maior, e em uma cambalhota é a menor, pois neste último caso as velocidades de ambos os fluxos são direcionadas em direções exatamente opostas.
As velas de um iate estão sempre posicionadas na direção do vento aparente. Observe que a velocidade do iate não aumenta em proporção direta com a velocidade do vento, mas muito mais lentamente. Portanto, quando o vento aumenta, o ângulo entre a direção do vento verdadeiro e aparente diminui, e com ventos fracos, a velocidade e a direção do vento aparente diferem mais visivelmente do verdadeiro.
Como as forças que atuam sobre uma vela e sobre uma asa aumentam proporcionalmente ao quadrado da velocidade do fluxo, os veleiros com resistência mínima ao movimento podem experimentar um fenômeno de “autoaceleração”, no qual sua velocidade excede a velocidade do vento . Esses tipos de veleiros incluem iates de gelo - barcos de gelo, iates hidrodinâmicos, iates com rodas (de praia) e proa - embarcações estreitas de casco único com flutuador estabilizador. Alguns desses tipos de embarcações registraram velocidades até três vezes superiores à velocidade do vento. Portanto, nosso recorde nacional de velocidade em barcos gelados é de 140 km/h, e foi estabelecido com vento cuja velocidade não ultrapassava 50 km/h. Notamos de passagem que recorde absoluto as velocidades de navegação na água são significativamente mais baixas: foi instalado em 1981 num catamarã de dois mastros especialmente construído “Crossbau-II” e é igual a 67,3 km/h.
Os navios à vela convencionais, a menos que sejam projetados para planar, raramente excedem o limite de velocidade de deslocamento de v = 5,6 √L km/h (ver Capítulo I).
Forças atuando em um navio à vela. Existe uma diferença fundamental entre o sistema de forças externas que atuam sobre uma embarcação à vela e uma embarcação movida por um motor mecânico. Em uma embarcação motorizada, o empuxo da hélice - a hélice ou jato d'água - e a força de resistência da água ao seu movimento atuam na parte subaquática, localizada no plano central e a uma pequena distância uma da outra verticalmente.
Num veleiro, a força motriz é aplicada bem acima da superfície da água e, portanto, acima da linha de ação da força de arrasto. Se o navio se move em ângulo com a direção do vento - de proa curta, então suas velas operam de acordo com o princípio de uma asa aerodinâmica, discutido no Capítulo II. Quando o ar flui ao redor de uma vela, um vácuo é criado no lado de sotavento (convexo) e um aumento de pressão é criado no lado de barlavento. A soma dessas pressões pode ser reduzida à força aerodinâmica resultante A(ver Fig. 192), direcionado aproximadamente perpendicularmente à corda do perfil da vela e aplicado no centro da vela (CS) bem acima da superfície da água.
Arroz. 192. Forças atuando no casco e nas velas.
De acordo com a terceira lei da mecânica, durante o movimento constante de um corpo em linha reta, cada força aplicada ao corpo (neste caso, às velas conectadas ao casco do iate através do mastro, cordame e escoras) deve ser neutralizado por uma força de igual magnitude e direção oposta. Num veleiro esta força é a força hidrodinâmica resultante H, fixado na parte subaquática do casco (Fig. 192). Assim, entre as forças A E H existe uma distância conhecida - o ombro, a partir da qual se forma um momento de um par de forças, tendendo a girar a nave em relação a um eixo orientado de uma determinada maneira no espaço.
Para simplificar os fenômenos que ocorrem durante o movimento barcos à vela, as forças hidro e aerodinâmicas e seus momentos são decompostos em componentes paralelos aos eixos coordenados principais. Guiados pela terceira lei de Newton, podemos escrever aos pares todos os componentes dessas forças e momentos:
| A | - força resultante aerodinâmica; |
| T | - a força de impulso das velas que movem o navio para frente: |
| D | - força de adernamento ou força de deriva; |
| A v | - força vertical (corte até o nariz); |
| P | - força de massa (deslocamento) da embarcação; |
| M d | - momento de corte; |
| M cr | - momento de salto; |
| M P | - o momento que leva ao vento; |
| H | - força resultante hidrodinâmica; |
| R | - a força de resistência da água ao movimento da embarcação; |
| R d | - força lateral ou resistência à deriva; |
| H v | - força hidrodinâmica vertical; |
| γ· V | - força de empuxo; |
| M eu | - momento de resistência ao trim; |
| M V | - momento restaurador; |
| M no | - momento de afundamento. |
Para que o navio se mova de forma constante ao longo do seu curso, cada par de forças e cada par de momentos devem ser iguais entre si. Por exemplo, a força de deriva D e força de resistência à deriva R criaria um momento de salto M kr, que deve ser equilibrado pelo momento restaurador M ou momento de estabilidade lateral. Este momento é formado pela ação de forças de massa P e flutuabilidade da embarcação γ· V, agindo no ombro eu. As mesmas forças formam o momento de resistência ao caimento ou o momento de estabilidade longitudinal M eu, igual em magnitude e oposto ao momento de corte M d. Os termos deste último são os momentos de pares de forças T - R E A v - H v .
Assim, o movimento de um veleiro em um curso oblíquo em relação ao vento está associado ao rolamento e trim, e à força lateral D, além do rolamento, também causa deriva - deriva lateral, de modo que qualquer veleiro não se move estritamente na direção do DP, como um navio com motor mecânico, mas com um pequeno ângulo de deriva β. O casco de um veleiro, sua quilha e leme tornam-se um hidrofólio, sobre o qual flui um fluxo de água que se aproxima em um ângulo de ataque igual ao ângulo de deriva. É esta circunstância que determina a formação de uma força de resistência à deriva na quilha do iate R d, que é um componente da força de sustentação.
Estabilidade de movimento e centralização de uma embarcação à vela. Devido ao calcanhar, a força de impulso das velas T e força de resistência R parecem operar em diferentes planos verticais. Eles formam um par de forças que levam o navio na direção do vento - desviando-o do curso reto que segue. Isso é evitado pelo momento do segundo par de forças - adernamento D e forças de resistência à deriva R d, bem como uma pequena força N no volante, que deve ser aplicado para corrigir o movimento do iate ao longo do percurso.
É óbvio que a reação da embarcação à ação de todas essas forças depende tanto da sua magnitude quanto da proporção dos braços a E b sobre os quais atuam. Com o aumento da rotação, o braço do par de acionamento b também aumenta, e a alavancagem do par em queda a depende da posição relativa centro da vela(CP - pontos de aplicação das forças aerodinâmicas resultantes às velas) e centro de resistência lateral(CBS - pontos de aplicação das forças hidrodinâmicas resultantes ao casco do iate).
Determinar com precisão a posição desses pontos é uma tarefa bastante difícil, especialmente quando se considera que ela muda dependendo de muitos fatores: o curso do navio em relação ao vento, o corte e afinação das velas, a inclinação e caimento do iate, o forma e perfil da quilha e leme, etc.
Ao projetar e reequipar iates, eles operam com CPs e CBs convencionais, considerando-os localizados nos centros de gravidade de figuras planas, que representam velas fixadas no DP, e os contornos da parte subaquática do DP com quilha, barbatanas e leme (Fig. 193). O centro de gravidade de uma vela triangular, por exemplo, está localizado na intersecção de duas medianas, e o centro de gravidade comum das duas velas está localizado em um segmento de reta que liga o CP de ambas as velas, e divide este segmento em proporção inversa à sua área. Se a vela tiver formato quadrangular, então sua área é dividida diagonalmente em dois triângulos e o CP é obtido como centro comum desses triângulos.
Arroz. 193. Determinação do centro condicional da vela de um iate.
A posição do centro central pode ser determinada equilibrando um gabarito do perfil subaquático do DP, recortado em papelão fino, na ponta de uma agulha. Quando o modelo estiver posicionado horizontalmente, a agulha estará no ponto central condicional. No entanto, este método é mais ou menos aplicável para navios com uma grande área da parte subaquática da asa - para iates tradicionais com uma linha de quilha longa, barcos de navio, etc. na teoria da asa, o papel principal na criação da deriva da força de arrasto é facilitado por uma quilha e um leme, que geralmente é instalado separadamente da quilha. Os centros de pressões hidrodinâmicas em seus perfis podem ser encontrados com bastante precisão. Por exemplo, para perfis com espessura relativa δ/ b cerca de 8% este ponto está a uma distância de cerca de 26% da corda b da borda de entrada.
No entanto, o casco do iate influencia de certa forma a natureza do fluxo ao redor da quilha e do leme, e essa influência varia dependendo do balanço, do caimento e da velocidade da embarcação. Na maioria dos casos, em cursos acentuados contra o vento, o verdadeiro centro de gravidade avança em relação ao centro de pressão determinado para a quilha e o leme como para perfis isolados. Devido à incerteza no cálculo da posição do CP e do centro central, ao desenvolver um projeto para veleiros, os projetistas colocam o CP a uma determinada distância a- à frente - à frente do Banco Central. A quantidade de avanço é determinada estatisticamente, a partir de uma comparação com iates comprovados que possuem contornos subaquáticos, estabilidade e equipamentos de navegação próximos ao projeto. A vantagem é geralmente definida como uma porcentagem do comprimento da embarcação na linha d'água e é de 15 a 18% para uma embarcação equipada com um saveiro das Bermudas. eu. Quanto menor a estabilidade do iate, mais balanço ele receberá sob a influência do vento e maior será o avanço da CPU em frente ao sistema de direção central.
O ajuste preciso da posição relativa do CP e do CB é possível ao testar o iate durante a navegação. Se o navio tende a cair contra o vento, especialmente em ventos médios e frescos, então este é um grande defeito de alinhamento. O fato é que a quilha desvia o fluxo de água que dela flui para mais perto do DP da embarcação. Portanto, se o leme for reto, então seu perfil opera com um ângulo de ataque visivelmente menor que o da quilha. Se, para compensar a tendência de afundamento do iate, o leme tiver que ser deslocado na direção do vento, então a força de sustentação gerada nele será direcionada a sotavento - na mesma direção que a força de deriva D em velas. Conseqüentemente, o navio terá maior deriva.
Outra coisa é a tendência fácil do iate para ser conduzido. O leme, deslocado 3-4° para sotavento, opera com ângulo de ataque igual ou ligeiramente maior que a quilha e participa efetivamente na resistência à deriva. Força lateral H, que ocorre no leme, provoca um deslocamento significativo do centro de gravidade geral em direção à popa, ao mesmo tempo que reduz o ângulo de deriva. No entanto, se para manter o iate num rumo de bolina curta tiver de deslocar constantemente o leme para sotavento num ângulo superior a 2-3°, é necessário mover a CPU para a frente ou mover o sistema de direção central para trás, o que é mais difícil.
Em um iate concluído, você pode mover a CPU para frente inclinando o mastro para frente, movendo-o para frente (se o design do degrau permitir), encurtando a vela grande ao longo da testa e aumentando a área da lança principal. Para mover o volante central para trás, é necessário instalar uma aleta na frente do volante ou aumentar o tamanho da lâmina de direção.
Para eliminar a tendência de afundamento do iate, é necessário aplicar medidas opostas: mover a CPU para trás ou mover o centro central para frente.
O papel dos componentes da força aerodinâmica na criação de empuxo e deriva. A teoria moderna do funcionamento de uma vela oblíqua baseia-se nas disposições da aerodinâmica da asa, cujos elementos foram discutidos no Capítulo II. Quando um fluxo de ar flui em torno de uma vela colocada em um ângulo de ataque α em relação ao vento aparente, uma força aerodinâmica é criada sobre ela. A, que pode ser representado na forma de dois componentes: elevador S, direcionado perpendicularmente ao fluxo de ar (vento aparente) e arraste X- projeções de força A na direção do fluxo de ar. Essas forças são utilizadas quando se consideram as características da vela e do equipamento de navegação em geral.
Ao mesmo tempo força A pode ser representado na forma de dois outros componentes: força de tração T, direcionado ao longo do eixo de movimento do iate, e a força de deriva perpendicular a ele D. Lembremos que a direção do movimento do veleiro (ou caminho) difere do seu curso pelo valor do ângulo de deriva β, porém, em análises posteriores este ângulo pode ser desprezado.
Se num percurso de bolina curta for possível aumentar a força de sustentação da vela para o valor S 1, e a resistência frontal permanece inalterada, então as forças S 1 e X, somados de acordo com a regra de adição vetorial, formam uma nova força aerodinâmica A 1 (Fig. 194, A). Considerando seus novos componentes T 1 e D 1, pode-se notar que neste caso, com o aumento da sustentação, tanto a força de empuxo quanto a força de deriva aumentam.
Arroz. 194. O papel da sustentação e do arrasto na criação de força motriz.
Com uma construção semelhante, pode-se ter certeza de que, com um aumento no arrasto em um percurso de proa curta, a força de empuxo diminui e a força de deriva aumenta. Assim, ao navegar em proa curta, a força de sustentação da vela desempenha um papel decisivo na criação do impulso da vela; o arrasto deve ser mínimo.
Observe que em um percurso de curta distância o vento aparente tem a velocidade mais alta, portanto ambos os componentes da força aerodinâmica S E X são bastante grandes.
Em um curso Gulfwind (Fig. 194, b) sustentação é a força de tração e arrasto é a força de deriva. Um aumento no arrasto da vela não afeta a quantidade de força de tração: apenas a força de deriva aumenta. No entanto, uma vez que a velocidade aparente do vento no vento do golfo é reduzida em comparação com o vento de proa curta, a deriva afecta o desempenho do navio em menor grau.
Retroceder no curso (Fig. 194, V) a vela opera em ângulos de ataque elevados, nos quais a força de sustentação é significativamente menor que o arrasto. Se você aumentar o arrasto, o empuxo e a força de deriva também aumentarão. À medida que a força de sustentação aumenta, o empuxo aumenta e a força de deriva diminui (Fig. 194, G). Conseqüentemente, no curso de backstay, um aumento na sustentação e (ou) no arrasto aumenta o empuxo.
Durante um curso de jibe, o ângulo de ataque da vela é próximo de 90°, então a força de sustentação na vela é zero, e o arrasto é direcionado ao longo do eixo de movimento da embarcação e é a força de tração. A força de deriva é zero. Portanto, em curso de jibe, para aumentar o empuxo das velas, é aconselhável aumentar o seu arrasto. Em iates de corrida, isso é feito instalando velas adicionais - um spinnaker e um blooper, que possuem uma área grande e um formato pouco aerodinâmico. Observe que em um curso de jibe, as velas do iate são afetadas pelo vento aparente de velocidade mínima, o que causa forças relativamente moderadas nas velas.
Resistência à deriva. Conforme mostrado acima, a força da deriva depende do curso do iate em relação ao vento. Ao navegar em proa curta, é aproximadamente três vezes a força de empuxo T, movendo o navio para frente; no vento do Golfo, ambas as forças são aproximadamente iguais; em um backstay íngreme, o impulso da vela acaba sendo 2 a 3 vezes maior que a força de deriva, e em uma cambalhota pura não há nenhuma força de deriva. Conseqüentemente, para que um veleiro avance com sucesso em rotas de bolina curta para vento do golfo (em um ângulo de 40-90° em relação ao vento), ele deve ter resistência lateral suficiente à deriva, muito maior do que a resistência da água. ao movimento do iate ao longo do percurso.
A função de criar resistência à deriva em navios à vela modernos é desempenhada principalmente por quilhas ou placas centrais e lemes. A mecânica de geração de sustentação em uma asa com perfil simétrico, como quilhas, placas centrais e lemes, foi discutida no Capítulo II (ver página 67). Observe que o ângulo de deriva dos iates modernos - o ângulo de ataque da quilha ou do perfil da placa central - raramente excede 5°, portanto, ao projetar uma quilha ou placa central, é necessário selecionar suas dimensões, forma e perfil de seção transversal ideais em para obter força de elevação máxima com arrasto mínimo, em ângulos de ataque baixos.
Testes de aerofólios aerodinâmicos simétricos mostraram que aerofólios mais espessos (com uma relação de espessura de seção transversal maior t ao seu acorde b) fornecem maior força de elevação do que os finos. No entanto, em baixas velocidades tais perfis apresentam maior arrasto. Resultados ideais em iates à vela podem ser alcançados com a espessura da quilha t/b= 0,09÷0,12, pois a força de sustentação nesses perfis depende pouco da velocidade da embarcação.
A espessura máxima do perfil deve estar localizada a uma distância de 30 a 40% da corda do bordo de ataque do perfil da quilha. O perfil NACA 664‑0 também apresenta boas qualidades com espessura máxima localizada a uma distância de 50% da corda do nariz (Fig. 195).
Arroz. 195. Quilha perfilada de um iate.
| Distância do bico x, % b | ||||||
| 2,5 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| Ordenadas sim, % b | ||||||
| NACA-66; δ = 0,05 | 2,18 | 2,96 | 3,90 | 4,78 | 5,00 | 4,83 |
| 2,00 | 2,60 | 3,50 | 4,20 | 4,40 | 4,26 | |
| - | 3,40 | 5,23 | 8,72 | 10,74 | 11,85 | |
| Perfil; espessura relativa δ | Distância do bico x, % b | |||||
| 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
| Ordenadas sim, % b | ||||||
| NACA-66; δ = 0,05 | 4,41 | 3,80 | 3,05 | 2,19 | 1,21 | 0,11 |
| Perfil para centrais; δ = 0,04 | 3,88 | 3,34 | 2,68 | 1,92 | 1,06 | 0,10 |
| Quilha do iate NACA 664-0; δ = 0,12 | 12,00 | 10,94 | 8,35 | 4,99 | 2,59 | 0 |
Para botes de corrida leves, capazes de planar e atingir altas velocidades, são utilizados painéis centrais e lemes com perfil mais fino ( t/b= 0,044÷0,05) e alongamento geométrico (taxa de aprofundamento d para o acorde médio b Quarta) às 4.
O alongamento das quilhas dos iates de quilha modernos varia de 1 a 3, dos lemes - até 4. Na maioria das vezes, a quilha tem a forma de um trapézio com uma borda de ataque inclinada, e o ângulo de inclinação tem um certo efeito no quantidade de sustentação e arrasto da quilha. Ao estender a quilha em torno de λ = 0,6, pode ser permitida uma inclinação do bordo de ataque de até 50°; em λ = 1 - cerca de 20°; para λ > 1,5, uma quilha com bordo de ataque vertical é ideal.
A área total da quilha e do leme para neutralizar efetivamente a deriva é geralmente considerada entre 1/25 e 1/17 da área das velas principais.
Antes de ver como funciona uma vela, há dois pontos curtos, mas importantes, a considerar:
1. Determine que tipo de vento afeta as velas.
2.Falar sobre a terminologia marítima específica associada aos cursos relativos ao vento.
Ventos verdadeiros e aparentes no iatismo.
O vento que atua sobre um navio em movimento e tudo o que nele há é diferente daquele que atua sobre qualquer objeto estacionário.
Na verdade, o vento como fenômeno atmosférico que sopra em relação à terra ou à água é o que chamamos de vento verdadeiro.
No iatismo, o vento relativo a um iate em movimento é chamado de vento aparente e é a soma do vento verdadeiro e do fluxo de ar que se aproxima causado pelo movimento da embarcação.
O vento aparente sempre sopra em um ângulo mais acentuado em relação ao barco do que o vento verdadeiro.
A velocidade aparente do vento pode ser maior (se o vento verdadeiro for contrário ou lateral) ou menor que o vento verdadeiro (se for favorável).
Direções relativas ao vento.
No vento significa da direção de onde o vento sopra.
Contra o vento- da direção em que o vento sopra.
Esses termos, bem como seus derivados, como “barlavento”, “sotavento”, são amplamente utilizados, e não apenas na navegação de iates.
Quando esses termos são aplicados a um navio, costuma-se falar também dos lados de barlavento e sotavento.
Se o vento sopra de estibordo do iate, esse lado é chamado barlavento, lado esquerdo - sotavento respectivamente.
Amuras a bombordo e estibordo são dois termos diretamente relacionados aos anteriores: se o vento sopra para estibordo do navio, dizem que ele está navegando com amuras para estibordo, se for à esquerda, então à esquerda.
Na terminologia náutica inglesa, o que está associado a estibordo e bombordo é diferente do habitual Direita e Esquerda. Dizem Estibordo sobre o lado estibordo e tudo relacionado a ele, e Bombordo sobre o lado esquerdo.
Cursos relativos ao vento.
Os cursos relativos ao vento variam dependendo do ângulo entre a direção do vento aparente e a direção em que a embarcação está se movendo. Eles podem ser divididos em agudos e completos.
O curso próximo é um curso acentuado em relação ao vento. quando o vento sopra em um ângulo inferior a 80°. Pode haver vento forte de proa curta (até 50°) ou vento forte de proa curta (de 50 a 80°).
Percursos completos em relação ao vento são percursos quando o vento sopra em um ângulo de 90° ou mais em relação à direção em que o iate está se movendo.
Esses cursos incluem:
Gulfwind - o vento sopra em um ângulo de 80 a 100°.
Backstay - o vento sopra em um ângulo de 100 a 150° (backstay íngreme) e de 150 a 170° (backstay completo).
Fordewind - o vento sopra de popa em um ângulo superior a 170°.
Esquerdista - o vento é estritamente contrário ou próximo dele. Como um navio à vela não pode se mover contra esse vento, é mais frequentemente chamado não de curso, mas de posição em relação ao vento.
Manobras em relação ao vento.
Quando um iate à vela muda seu curso de modo que o ângulo entre o vento e a direção do movimento diminui, então o navio é considerado é dada. Em outras palavras, achatar significa ir em um ângulo mais acentuado em relação ao vento.
Se ocorrer o processo inverso, ou seja, o iate muda de rumo no sentido de aumentar o ângulo entre ele e o vento, a embarcação cai .
Esclareçamos que os termos (“avançar” e “queda”) são utilizados quando o barco muda de rumo em relação ao vento dentro da mesma amura.
Se o navio mudar de rumo, então (e só então!) tal manobra no iatismo é chamada de curva.
Existem duas maneiras diferentes de mudar de rumo e, consequentemente, duas voltas: aderência E zombar .
Uma virada é uma virada contra o vento. A embarcação é impulsionada, a proa do barco cruza a linha do vento, em algum momento a embarcação passa pela posição esquerda, após o que fica na outra amura.
A navegação em jibes ocorre de maneira oposta: o navio cai, a popa cruza a linha do vento, as velas são transferidas para o outro lado, o iate fica em uma amura diferente. Na maioria das vezes, é uma mudança de um curso completo para outro.
Operação de vela durante o iatismo.
Um dos principais desafios para um marinheiro ao trabalhar com velas é orientar a vela no ângulo ideal em relação ao vento para melhor impulsioná-la para frente. Para fazer isso, você precisa entender como a vela interage com o vento.
O trabalho de uma vela é em muitos aspectos semelhante ao trabalho de uma asa de avião e ocorre de acordo com as leis da aerodinâmica. Para velejadores particularmente curiosos, você pode aprender mais sobre a aerodinâmica de uma vela como asa em uma série de artigos:. Mas é melhor fazer isso depois de ler este artigo, passando gradualmente do material fácil para o mais complexo. Embora, para quem estou contando isso? Os verdadeiros velejadores não têm medo das dificuldades. E você pode fazer tudo exatamente ao contrário.
A principal diferença entre uma vela e uma asa de avião é que para que uma força aerodinâmica apareça na vela, é necessário um certo ângulo diferente de zero entre ela e o vento; esse ângulo é chamado de ângulo de ataque. A asa do avião tem perfil assimétrico e pode operar normalmente com ângulo de ataque zero, mas a vela não.
À medida que o vento flui ao redor da vela, surge uma força aerodinâmica que, em última análise, move o iate para frente.
Consideremos a operação de uma vela no iatismo em diferentes cursos em relação ao vento. Primeiro, para simplificar, vamos imaginar que um mastro com uma vela está cravado no solo e podemos direcionar o vento em diferentes ângulos em relação à vela.
Ângulo de ataque 0°. O vento sopra ao longo da vela, a vela tremula como uma bandeira. Não existe força aerodinâmica na vela, existe apenas força de arrasto.
Ângulo de ataque 7°. Uma força aerodinâmica começa a aparecer. É direcionado perpendicularmente à vela e ainda é pequeno.
O ângulo de ataque é de cerca de 20°. A força aerodinâmica atingiu seu valor máximo e é direcionada perpendicularmente à vela.
Ângulo de ataque 90°. Comparado ao caso anterior, a força aerodinâmica não mudou significativamente nem em magnitude nem em direção.
Assim, vemos que a força aerodinâmica é sempre direcionada perpendicularmente à vela e sua magnitude praticamente não muda na faixa de ângulo de 20 a 90°.
Ângulos de ataque superiores a 90° não fazem sentido considerar, uma vez que as velas de um iate geralmente não são colocadas nesses ângulos em relação ao vento.
As dependências acima da força aerodinâmica no ângulo de ataque são amplamente simplificadas e calculadas em média.
Na verdade, essas propriedades variam acentuadamente dependendo do formato da vela. Por exemplo, uma vela grande longa, estreita e razoavelmente plana de iates de corrida terá uma força aerodinâmica máxima num ângulo de ataque de cerca de 15°; em ângulos mais elevados a força será ligeiramente menor. Se a vela for mais barriguda e não tiver uma proporção de aspecto muito grande, então a força aerodinâmica sobre ela pode ser máxima em um ângulo de ataque de cerca de 25-30°.
Agora vamos ver como funciona uma vela em um iate.
Para simplificar, vamos imaginar que haja apenas uma vela no iate. Que seja uma gruta.
Primeiramente, vale a pena observar como o sistema iate + vela se comporta ao se deslocar nos rumos mais acentuados em relação ao vento, já que isso costuma levantar mais dúvidas.
Digamos que o iate seja afetado pelo vento em um ângulo de 30-35° em relação ao casco. Orientando a vela em seu curso em um ângulo de aproximadamente 20° em relação ao vento, obtemos uma força aerodinâmica A suficiente sobre ela.
Como essa força atua perpendicularmente à vela, vemos que ela puxa fortemente o iate para o lado. Ao decompor a força A em dois componentes, você pode ver que a força de impulso para frente T é várias vezes menor que a força que empurra o barco para os lados (D, força de deriva).
O que faz com que o iate avance neste caso?
O fato é que o desenho da parte subaquática do casco é tal que a resistência do casco ao movimento para o lado (a chamada resistência lateral) também é várias vezes maior que a resistência ao movimento para frente. Isto é facilitado pela quilha (ou placa central), leme e pelo próprio formato do casco.
Porém, a resistência lateral ocorre quando há algo a resistir, ou seja, para que ele comece a funcionar é necessário algum deslocamento lateral do corpo, a chamada deriva do vento.
Esse deslocamento ocorre naturalmente sob a ação da componente lateral da força aerodinâmica e, como resposta, surge imediatamente uma força de arrasto lateral S, direcionada na direção oposta. Como regra, eles se equilibram em um ângulo de deriva de cerca de 10-15°.
Assim, é óbvio que a componente lateral da força aerodinâmica, mais pronunciada em cursos acentuados em relação ao vento, provoca dois fenómenos indesejáveis: a deriva e o rolamento do vento.
A deriva do vento significa que a trajetória do iate não coincide com sua linha central (plano de diâmetro, ou DP, é um termo inteligente para a linha proa-popa). Há um deslocamento constante do iate em direção ao vento, movendo-se como se estivesse um pouco lateralmente.
Sabe-se que quando se navega em um percurso de proa curta sob condições climáticas médias, a deriva do vento, pois o ângulo entre o DP e a trajetória real é de aproximadamente 10-15°.
Avance contra o vento. Alinhamento.
Como o iate à vela não é possível estritamente contra o vento e você só pode se mover em um determinado ângulo, seria bom ter uma ideia de quão bruscamente o iate pode se mover em graus em direção ao vento. E o que é, portanto, aquele setor lento de cursos em relação ao vento, no qual o movimento contra o vento é impossível.
A experiência mostra que um iate de cruzeiro normal (não um iate de corrida) pode navegar eficazmente num ângulo de 50-55° em relação ao vento verdadeiro.
Assim, se o objetivo a ser alcançado estiver localizado estritamente contra o vento, o iatismo até ele não será feito em linha reta, mas em zigue-zague, primeiro em uma amura, depois na outra. Nesse caso, a cada amura, naturalmente, você precisará tentar navegar o mais bruscamente possível contra o vento. Este processo é chamado de aderência.
O ângulo entre as trajetórias dos iates em duas amuras adjacentes durante a amura é chamado de amura. Obviamente, com um movimento brusco em direção ao vento de 50-55°, o ângulo de rumo será de 100-110°.
A magnitude do ângulo de rumo mostra-nos quão eficazmente podemos mover-nos em direcção ao alvo se este estiver estritamente contra o vento. Para um ângulo de 110°, por exemplo, o caminho até o alvo aumenta 1,75 vezes em comparação com o movimento em linha reta.
Operação de navegação em outros rumos em relação ao vento
É óbvio que já em um curso de vento golfo a força de empuxo T excede significativamente a força de deriva D, de modo que a deriva e o rolamento serão pequenos.
Com o backstay, como vemos, não mudou muita coisa em comparação com o curso do vento do Golfo. A vela grande é colocada numa posição quase perpendicular ao DP, e esta posição é extrema para a maioria dos iates; é tecnicamente impossível implantá-la ainda mais.
A posição da vela grande no percurso de jibe não é diferente da posição no percurso de backstay.
Aqui, para simplificar, ao considerar a física do processo no iatismo, levamos em consideração apenas uma vela - a vela grande. Normalmente, um iate tem duas velas - uma vela grande e uma vela de estai (vela de proa). Assim, em um curso de bujarrona, a bujarrona (se estiver localizada no mesmo lado da vela grande) fica na sombra do vento da vela grande e praticamente não funciona. Esta é uma das várias razões pelas quais as zombarias não são as favoritas entre os velejadores.
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 quando se move contra o vento. Você se lembra?
Agora, para entender como os veleiros conseguem navegar contra o vento, vejamos as velas. Eles vêm em diferentes formas e tamanhos em um veleiro - 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.
