Den ryske poeten Mikhail Yurievich Lermontov älskade hav och nämnde honom ofta i sina verk. Han skrev en underbar dikt om blekningen segla, som forsar bland vågorna i havets avlägsna vidder. Du är förmodligen bekant med Lermontovs dikt, eftersom det här är de mest kända diktraderna om segelfartyg. När du läser dem kan du föreställa dig ett rasande hav och vackra fartyg bland dess vågor. Vinden fyller seglen. Och tack vare vindens kraft går fartygen framåt. Men hur lyckas segelbåtar segla mot vinden?
För att svara på detta måste du först lära dig ett okänt ord "kryssa".Galsom Fartygets rörelseriktning i förhållande till vinden kallas. Häftet kan vara babord när vinden blåser från vänster, eller styrbord när vinden blåser från höger. Det är viktigt att känna till den andra betydelsen av ordet "tack" - det här är en del av vägen, eller snarare, det segment av det som segelbåten passerar när den rör sig mot vinden. Kom ihåg?
Nu, för att förstå hur segelbåtar lyckas segla mot vinden, låt oss titta på seglen. De är på en segelbåt olika former och storlekar - rakt och snett. Och alla gör sitt jobb. När det blåser motvind styrs fartyget med sneda segel, som svänger först åt ena hållet och sedan åt andra hållet.
Efter dem svänger skeppet åt ena eller andra hållet. Han vänder sig om och går framåt. Sjömän kallar denna rörelse - rör sig omväxlande. Dess väsen är att vinden trycker på de lutande seglen och blåser skeppet lätt i sidled och framåt. Rodret på en segelbåt låter den inte svänga helt, och skickliga seglare sätter seglen i rörelse i tid och ändrar sin position. Så, i små sicksackar, går det framåt.
Naturligtvis är det en mycket svår uppgift för hela besättningen på en segelbåt att förflytta sig omväxlande. Men sjömännen är rutinerade killar. De är inte rädda för svårigheter och älskar havet väldigt mycket.
Vi fortsätter serien av publikationer som utarbetats av den interaktiva populärvetenskapliga bloggen "I'll Explain in Two Minutes." Bloggen talar om enkla och komplexa saker som omger oss varje dag och inte väcker några frågor förrän vi tänker på dem. Där kan du till exempel ta reda på hur rymdskepp inte missar och inte kolliderar med ISS vid dockning.
1. Det är omöjligt att segla strikt mot vinden. Men om vinden blåser framifrån, men något i vinkel, kan yachten mycket väl röra sig. I sådana fall sägs fartyget segla på en skarp kurs.
2. Ett segels dragkraft genereras av två faktorer. För det första trycker vinden helt enkelt på seglen. För det andra, de sneda seglen installerade på de flesta moderna yachter, när luft strömmar runt dem, fungerar som en flygplansvinge och skapar "lyftkraft", bara den är riktad inte uppåt utan framåt. På grund av aerodynamiken rör sig luften på seglets konvexa sida snabbare än på den konkava sidan, och trycket på utsidan av seglet är mindre än på insidan.
3. Den totala kraften som skapas av seglet riktas vinkelrätt mot duken. Enligt regeln för vektoraddition är det möjligt att särskilja drivkraften (röd pil) och dragkraften (grön pil).
4. På skarpa banor är drivkraften stor, men den motverkas av formen på skrov, köl och roder: yachten kan inte gå i sidled på grund av vattenmotstånd. Men den glider villigt framåt även med en liten dragkraft.
5. För att segla strikt mot vinden slår yachten: den vänder sig mot vinden först på den ena eller andra sidan, rör sig framåt i segment - sticks. Hur långa taggen ska vara och i vilken vinkel mot vinden ska vara - viktiga frågor om skeppartaktik.
6. Det finns fem huvudbanor på ett fartyg i förhållande till vinden. Tack vare Peter I slog holländsk maritim terminologi rot i Ryssland.
7. Leventik- vinden blåser direkt mot fartygets fören. Det är omöjligt att segla på det här sättet, men att vända sig mot vinden används för att stoppa yachten.
8. Stängd vind– samma akuta förlopp. När du går på nära håll blåser vinden i ansiktet, så det verkar som att yachten utvecklar en väldigt hög fart. Faktum är att denna känsla är vilseledande.
9. Gulfwind- vinden blåser vinkelrätt mot rörelseriktningen.
10. Bakstag- vinden blåser från aktern och från sidan. Detta är den snabbaste banan. Snabba racerbåtar som seglar bakstag kan accelerera till hastigheter som överstiger vindens hastighet på grund av seglets lyftkraft.
11. Fordewind- samma medvind blåser från aktern. Tvärtemot förväntningarna är det inte den snabbaste banan: här används inte seglets lyftkraft, och den teoretiska hastighetsgränsen överstiger inte vindens hastighet. En erfaren skeppare kan förutsäga osynliga luftströmmar precis som en flygplanspilot kan förutsäga upp- och neddrag.
Du kan se en interaktiv version av diagrammet på bloggen "Jag ska förklara på två minuter".
Det är svårt att föreställa sig hur segelfartyg kan gå "mot vinden" - eller, som sjömän säger, gå "nära". Visserligen kommer en sjöman att säga till dig att du inte kan segla direkt mot vinden, men du kan bara röra dig i en spetsig vinkel mot vindens riktning. Men denna vinkel är liten - ungefär en fjärdedel av en rät vinkel - och det verkar kanske lika obegripligt: om man ska segla direkt mot vinden eller i en vinkel på 22° mot den.
I verkligheten är detta dock inte likgiltigt, och vi ska nu förklara hur det är möjligt att röra sig mot det i en liten vinkel av vindens kraft. Låt oss först titta på hur vinden i allmänhet verkar på seglet, det vill säga var den trycker på seglet när det blåser på det. Du tror säkert att vinden alltid trycker seglet i den riktning det blåser. Men det är inte så: var vinden än blåser, trycker den seglet vinkelrätt mot seglets plan. Verkligen: låt vinden blåsa i den riktning som anges av pilarna i figuren nedan; linje AB betecknar ett segel.
Vinden trycker alltid seglet i rät vinkel mot dess plan.
Eftersom vinden pressar jämnt på hela seglets yta ersätter vi vindtrycket med en kraft R som appliceras på mitten av seglet. Låt oss dela upp denna kraft i två: kraft Q, vinkelrätt mot seglet, och kraften P riktad längs det (se figuren ovan, till höger). Den sista kraften trycker seglet ingenstans, eftersom vindens friktion på duken är obetydlig. Styrkan finns kvar Q, som trycker seglet i rät vinkel mot det.
Genom att veta detta kan vi lätt förstå hur ett segelfartyg kan segla i spetsig vinkel mot vinden. Låt linjen QC avbildar fartygets köllinje.
Hur kan du segla mot vinden?
Vinden blåser i en spetsig vinkel mot denna linje i den riktning som anges av en serie pilar. Linje AB föreställer ett segel; den är placerad så att dess plan delar vinkeln mellan kölens riktning och vindens riktning. Följ kraftfördelningen i figuren. Vi representerar vindens kraft på seglet Q, som vi vet bör vara vinkelrät mot seglet. Låt oss dela upp denna kraft i två: kraft R, vinkelrätt mot kölen, och kraften S, riktad framåt, längs fartygets köllinje. Eftersom fartygets rörelse är i riktning R stöter på stark vattenbeständighet (köla in segelbåtar blir mycket djup), då styrkan R nästan helt balanserad av vattenmotstånd. Bara styrka återstår S, som, som du kan se, är riktad framåt och därför flyttar fartyget i en vinkel, som mot vinden. [Det kan bevisas att kraften S får det största värdet när seglets plan delar vinkeln mellan kölens och vindens riktningar.]. Vanligtvis utförs denna rörelse i sicksack, som visas i figuren nedan. På sjömäns språk kallas en sådan rörelse av fartyget "tackning" i ordets strikta mening.
Inte mindre viktig än skrovets motstånd är dragkraften som utvecklas av seglen. För att tydligare föreställa oss segelarbetet, låt oss bekanta oss med de grundläggande begreppen segelteorin.
Vi har redan pratat om huvudkrafterna som verkar på seglen på en yacht som seglar med medvind (jibed kurs) och motvind (bakom vind kurs). Vi fick reda på att kraften som verkar på seglen kan brytas ned till den kraft som får båten att rulla och driva medvind, drivkraften och dragkraften (se fig. 2 och 3).
Låt oss nu se hur den totala kraften av vindtrycket på seglen bestäms och vad dragkraften och drivkrafterna beror på.
För att föreställa sig driften av ett segel på skarpa banor är det lämpligt att först överväga ett platt segel (fig. 94), som upplever vindtryck i en viss anfallsvinkel. I det här fallet bildas virvlar bakom seglet, tryckkrafter uppstår på lovartsidan och sällsynta krafter uppstår på läsidan. Deras resulterande R är riktad ungefär vinkelrätt mot seglets plan. För att korrekt förstå driften av ett segel är det bekvämt att föreställa sig det som resultatet av två komponentkrafter: X-riktad parallellt med luftflödet (vind) och Y-riktat vinkelrätt mot det.
Kraften X riktad parallellt med luftflödet kallas dragkraften; Den skapas, förutom seglet, även av yachtens skrov, rigg, bjälkar och besättning.
Kraften Y riktad vinkelrätt mot luftflödet kallas lyft inom aerodynamik. Det är detta som skapar dragkraft i yachtens rörelseriktning på skarpa banor.
Om lyftkraften vid samma drag av seglet X (fig. 95) ökar till t.ex. värdet Y1, så kommer, som visas i figuren, resultanten av lyftkraften och draget att ändras med R och axialkraften T kommer följaktligen att öka till TI.
En sådan konstruktion gör det enkelt att verifiera att med en ökning av motståndet X (vid samma lyftkraft) minskar dragkraften T.
Det finns alltså två sätt att öka dragkraften och därmed hastigheten på skarpa banor: öka seglets lyftkraft och minska seglets och yachtens motstånd.
I modern segling ökar lyftkraften hos ett segel genom att det får en konkav form med viss "buk" (bild 96): storleken från masten till den djupaste delen av "buken" är vanligtvis 0,3-0,4 gånger seglets bredd och "bukens" djup -ca 6-10% av bredden. Lyftkraften hos ett sådant segel är 20-25 % större än för ett helt platt segel med nästan samma dragkraft. Det är sant att en yacht med platta segel seglar lite brantare mot vinden. Men med segel med bukbuk är hastigheten för framsteg in i slibningen högre på grund av den större dragkraften.
Ris. 96. Segelprofil
Notera att med bukbuksegel ökar inte bara dragkraften utan även drivkraften, vilket gör att rullningen och driften av yachter med bukbuksegel är större än med relativt platta. Därför är en segel "bula" på mer än 6-7% i starka vindar olönsam, eftersom en ökning av krängning och drift leder till en betydande ökning av skrovmotstånd och en minskning av effektiviteten hos seglen, som "äter upp" effekten av ökande dragkraft. I svag vind drar segel med en "buk" på 9-10% bättre, eftersom krängen är liten på grund av det låga totala vindtrycket på seglet.
Alla segel med anfallsvinklar större än 15-20°, det vill säga när yachten är på väg 40-50° mot vinden eller mer, kan minska lyftet och öka motståndet, eftersom betydande turbulens bildas på läsidan. Och eftersom huvuddelen av lyftkraften skapas av ett jämnt, turbulentfritt flöde runt seglets läsida, borde förstörelsen av dessa virvlar ha stor effekt.
Turbulensen som bildas bakom storseglet förstörs genom att sätta fockan (bild 97). Luftflödet som kommer in i springan mellan storseglet och fock ökar dess hastighet (den så kallade munstyckseffekten) och, när fockan är rätt justerad, "slickar" virvlarna från storseglet.
Ris. 97. Fockarbete
Profilen hos ett mjukt segel är svår att hålla konstant vid olika anfallsvinklar. Tidigare hade jollar genomgående läkt som löpte genom hela seglet - de gjordes tunnare i "buken" och tjockare mot förliket, där seglet är mycket plattare. Numera installeras genomgående läkt främst på isbåtar och katamaraner, där det är särskilt viktigt att bibehålla seglets profil och styvhet vid låga anfallsvinklar, när ett vanligt segel redan surrar längs förliket.
Om källan till lyftet bara är seglet, skapas drag av allt som hamnar i luftflödet som flödar runt yachten. Därför kan förbättring av seglets dragegenskaper också uppnås genom att minska dragkraften för yachtens skrov, mast, rigg och besättning. För detta ändamål används olika typer av kåpor på sparren och riggen.
Mängden motstånd på ett segel beror på dess form. Enligt aerodynamikens lagar är luftmotståndet för en flygplansving lägre, ju smalare och längre det är för samma område. Det är därför de försöker göra seglet (i huvudsak samma vinge, men placerat vertikalt) högt och smalt. Detta gör att du också kan använda den övre vinden.
Draget hos ett segel beror i mycket stor utsträckning på dess framkants tillstånd. Förliken på alla segel bör täckas tätt för att förhindra risken för vibrationer.
Det är nödvändigt att nämna ytterligare en mycket viktig omständighet - den så kallade centreringen av seglen.
Det är känt från mekaniken att varje kraft bestäms av dess storlek, riktning och appliceringspunkt. Hittills har vi bara pratat om storleken och riktningen av de krafter som appliceras på seglet. Som vi kommer att se senare är kunskap om applikationspunkterna av stor betydelse för förståelsen av segels funktion.
Vindtrycket fördelas ojämnt över seglets yta (dess främre del upplever mer tryck), men för att förenkla jämförande beräkningar antas det att det är jämnt fördelat. För ungefärliga beräkningar antas den resulterande kraften av vindtrycket på seglen appliceras till en punkt; tyngdpunkten på seglens yta tas som den när de placeras i yachtens mittplan. Denna punkt kallas segelcentrum (CS).
Låt oss fokusera på den enklaste grafiska metoden för att bestämma processorns position (Fig. 98). Rita segelområdet på yachten på önskad skala. Sedan, vid skärningspunkten mellan medianerna - linjer som förbinder triangelns hörn med mittpunkterna på motsatta sidor - hittas mitten av varje segel. Efter att på ritningen ha erhållit mittpunkterna O och O1 för de två trianglarna som utgör storseglet och stagseglet, dra två parallella linjer OA och O1B genom dessa mittpunkter och lägg på dem i motsatta riktningar i valfri men samma skala som många linjära enheter som kvadratmeter i triangeln; Från mitten av storseglet läggs fockområdet av, och från mitten av focken - området för storseglet. Slutpunkterna A och B är förbundna med en rät linje AB. En annan rak linje - O1O förbinder trianglarnas centrum. I skärningspunkten mellan räta linjer A B och O1O kommer det att finnas ett gemensamt centrum.
Ris. 98. Grafisk metod för att hitta segelcentrum
Som vi redan har sagt, motverkas drivkraften (vi kommer att betrakta den applicerad i mitten av seglet) av den laterala motståndskraften från yachtens skrov. Den laterala motståndskraften anses vara applicerad i mitten av lateralt motstånd (CLR). Centrum för sidomotstånd är tyngdpunkten för projektionen av undervattensdelen av yachten på mittplanet.
Centrum för sidomotstånd kan hittas genom att skära ut konturerna av undervattensdelen av yachten från tjockt papper och placera denna modell på ett knivblad. När modellen är balanserad, tryck lätt på den, vrid den sedan 90° och balansera den igen. Skärningen mellan dessa linjer ger oss centrum för sidomotstånd.
När yachten seglar utan krängning bör CP ligga på samma vertikala raka linje som CB (Fig. 99). Om CP ligger framför centralstationen (fig. 99, b), så vänder drivkraften, förskjuten framåt i förhållande till kraften i sidomotståndet, fartygets fören mot vinden - yachten faller bort. Om CPU:n är bakom centralstationen kommer yachten att vända sin för mot vinden eller köras (Fig. 99, c).
Ris. 99. Yachtinriktning
Både överdriven anpassning till vinden, och särskilt avstängning (felaktig centrering) är skadliga för yachtens segling, eftersom de tvingar rorsmannen att ständigt arbeta med rodret för att bibehålla rakhet, och detta ökar skrovmotståndet och minskar farten på fartyget. Dessutom leder felaktig inriktning till försämring av kontrollerbarheten och i vissa fall till fullständig förlust.
Om vi centrerar yachten som visas i fig. 99, och det vill säga CPU:n och det centrala styrsystemet kommer att vara på samma vertikal, då kommer fartyget att drivas mycket starkt och det kommer att bli mycket svårt att kontrollera det. Vad är problemet? Det finns två huvudorsaker här. För det första sammanfaller inte den sanna platsen för CPU:n och centrala nervsystemet med den teoretiska (båda centran flyttas framåt, men inte lika).
För det andra, och detta är huvudsaken, vid krängning visar sig seglens dragkraft och skrovets längsgående motståndskraft ligga i olika vertikala plan (fig. 100), det visar sig som en spak som tvingar yachten att köras. Ju större rullning, desto mer benägen är fartyget att fälla.
För att eliminera sådan adduktion placeras CP framför det centrala nervsystemet. Det dragmoment och det longitudinella motståndet som uppstår med rullen, vilket tvingar yachten att köras, kompenseras av drivkrafternas fångsmoment och sidomotstånd när CP är placerad längst fram. För bra centrering är det nödvändigt att placera CP framför CB på ett avstånd lika med 10-18% av längden på yachten längs vattenlinjen. Ju mindre stabil yachten är och ju högre CPU:n höjs över centralstationen, desto mer behöver den flyttas till fören.
För att yachten ska ha en bra rörelse måste den vara centrerad, det vill säga sätta CP och CB i ett läge där fartyget på en tät kurs i svag vind var helt balanserad av seglen, i andra ord, det var stabilt på kursen med rodret kastat eller fixerat i DP (tillåtit lätt flytande i mycket svaga vindar), och i starkare vindar hade en tendens att flyta. Varje rorsman måste kunna centrera yachten korrekt. På de flesta yachter ökar tendensen att rulla om de bakre seglen ses över och de främre seglen är lösa. Om de främre seglen ses över och de bakre seglen är skadade kommer fartyget att sjunka. Med en ökning av storseglets "potbelliness" är det också dåligt stående segel yachten tenderar att köras i större utsträckning.
Ris. 100. Hälens inverkan på att föra yachten i vinden
Jag tror att många av oss skulle ta chansen att störta ner i havets avgrund på vissa undervattensfarkost, men ändå skulle de flesta föredra en sjöresa på en segelbåt. När det inte fanns några flygplan eller tåg fanns det bara segelbåtar. Utan dem var världen inte vad den var.
Segelbåtar med raka segel förde européer till Amerika. Deras stabila däck och rymliga lastrum bar män och förnödenheter för att bygga den nya världen. Men dessa gamla skepp hade också sina begränsningar. De gick sakta och nästan åt samma håll med vinden. Mycket har förändrats sedan dess. Idag använder de helt andra principer för att kontrollera kraften i vind och vågor. Så om du vill åka en modern, måste du lära dig lite fysik.
Modern segling är inte bara att röra sig med vinden, det är något som verkar på seglet och får det att flyga som en vinge. Och detta osynliga "något" kallas lyft, som forskare kallar sidokraft.
En uppmärksam iakttagare kunde inte låta bli att notera att oavsett åt vilket håll vinden blåser så rör sig segelbåten alltid dit kaptenen vill ha den – även när det blåser motvind. Vad är hemligheten med en sådan fantastisk kombination av envishet och lydnad.
Många människor inser inte ens att ett segel är en vinge, och principen för driften av en vinge och ett segel är densamma. Den är baserad på lyftkraft, endast om lyftkraften från ett flygplans vinge, med hjälp av motvind, trycker planet uppåt, då riktar ett vertikalt placerat segel segelbåten framåt. För att förklara detta ur vetenskaplig synvinkel är det nödvändigt att gå tillbaka till grunderna – hur ett segel fungerar.
Titta på den simulerade processen som visar hur luften verkar på seglets plan. Här kan du se att luften strömmar under modellen, som har en större böj, böj för att gå runt den. I det här fallet måste flödet påskyndas lite. Som ett resultat uppstår ett område med lågt tryck - detta genererar lyft. Det låga trycket på undersidan drar ner seglet.
Med andra ord, ett område med högt tryck försöker röra sig mot ett område med lågt tryck, vilket sätter press på seglet. En tryckskillnad uppstår som genererar lyft. På grund av seglets form är vindhastigheten på insidan av vindsidan lägre än på läsidan. På utanför ett vakuum bildas. Luft bokstavligen sugs in i seglet, vilket skjuter segelyachten framåt.
Faktum är att denna princip är ganska enkel att förstå, ta bara en närmare titt på vilket segelfartyg som helst. Tricket här är att seglet, oavsett hur det är placerat, överför vindenergi till fartyget, och även om det visuellt verkar som att seglet skulle sakta ner yachten, är kraftanvändningscentrum närmare fören på båten. segelbåt, och vindens kraft säkerställer rörelse framåt.
Men det här är en teori, men i praktiken är allt lite annorlunda. Faktum är att en segelyacht inte kan segla mot vinden - den rör sig i en viss vinkel mot den, de så kallade tackarna.
En segelbåt rör sig på grund av kraftbalansen. Seglen fungerar som vingar. Mest av lyftet de producerar är riktat åt sidan och endast en liten del framåt. Men hemligheten bakom detta underbara fenomen är det så kallade "osynliga" seglet, som ligger under yachtens botten. Detta är en köl eller, på nautiskt språk, en centerboard. Lyften av centerboarden producerar också lyft, som också riktas huvudsakligen åt sidan. Kölen motstår krängning och den motsatta kraften som verkar på seglet.
Förutom lyftkraften förekommer även en rullning - ett fenomen som är skadligt för framåtrörelsen och farligt för fartygets besättning. Men det är därför besättningen finns på yachten, för att fungera som en levande motvikt till fysikens obönhörliga lagar.
I en modern segelbåt samverkar både kölen och seglet för att driva segelbåten framåt. Men som vilken nybörjare som helst kommer att bekräfta är allt i praktiken mycket mer komplicerat än i teorin. En erfaren seglare vet att minsta förändring i seglets böj gör det möjligt att få mer lyft och kontrollera dess riktning. Genom att ändra seglets böj kontrollerar en skicklig seglare storleken och placeringen av området som producerar lyft. Med en djup böj framåt kan du skapa stort område tryck, men om böjningen är för stor eller luftmolekylernas framkant är för brant, kommer flödet runt dem inte längre att följa kröken. Med andra ord, om föremålet har skarpa hörn, kan flödespartiklarna inte göra en sväng - rörelsens momentum är för starkt, detta fenomen kallas "separerat flöde". Resultatet av denna effekt är att seglet kommer att "svepa" och tappa vinden.
Här är några fler praktiska tips för att använda vindenergi. Optimal riktning mot vinden (racing close-hauled vind). Sjömän kallar det "segling mot vinden". Den skenbara vinden, som har en hastighet på 17 knop, är märkbart snabbare än den sanna vinden som skapar vågsystemet. Skillnaden i deras riktningar är 12°. Kurs mot skenbar vind - 33°, till sann vind - 45°.
