VINDDRIVKRAFT
NASA:s webbplats har publicerat mycket intressant material om olika faktorer som påverkar bildandet av lyft av en flygplansvinge. Det finns också interaktiva grafiska modeller som visar att lyft även kan genereras av en symmetrisk vinge på grund av flödesavböjning.
Seglet, som är i en vinkel mot luftflödet, avleder det (fig. 1d). När man kommer genom seglets "övre", läsida, färdas luftflödet en längre väg och, i enlighet med principen om flödeskontinuitet, rör sig snabbare än från den lovartade, "nedre" sidan. Resultatet är att trycket på seglets läsida är mindre än på lovartsidan.
När man seglar på fock, när seglet är inställt vinkelrätt mot vindens riktning, är graden av tryckökning på lovartsidan större än graden av minskning av trycket på läsidan, med andra ord, vinden trycker på yachten mer än den drar. När yachten svänger skarpare mot vinden kommer detta förhållande att ändras. Således, om vinden blåser vinkelrätt mot båtens kurs, har ökat tryck på seglet på lovartsidan mindre effekt på hastigheten än att minska trycket på läsidan. Med andra ord, seglet drar yachten mer än det trycker.
Yachtens rörelse uppstår på grund av att vinden samverkar med seglet. Analys av denna interaktion leder till oväntade resultat för många nybörjare. Det visar sig att den maximala hastigheten inte uppnås alls när vinden blåser direkt bakifrån, och önskan om en "rättvis vind" har en helt oväntad betydelse.
Både seglet och kölen, när de interagerar med flödet av luft respektive vatten, skapar lyft, därför kan vingteori tillämpas för att optimera deras funktion.
VINDDRIVKRAFT
Luftflödet har kinetisk energi och kan, i samverkan med seglen, flytta yachten. Arbetet med både seglet och flygplansvingen beskrivs av Bernoullis lag, enligt vilken en ökning av flödeshastigheten leder till en minskning av trycket. När man rör sig i luften delar vingen upp flödet. En del av den går runt vingen ovanifrån, en del underifrån. En flygplansvinge är utformad så att luftflödet över vingens topp rör sig snabbare än luftflödet under vingens botten. Resultatet är att trycket ovanför vingen är mycket lägre än under. Tryckskillnaden är vingens lyftkraft (fig. 1a). Tack vare sin komplexa form kan vingen generera lyft även när den skär genom ett flöde som rör sig parallellt med vingens plan.
Seglet kan bara flytta yachten om det är i en viss vinkel mot flödet och avleder det. Det är fortfarande diskutabelt hur mycket av lyftet som beror på Bernoulli-effekten och hur mycket som är resultatet av flödesavböjning. Enligt klassisk vingteori uppstår lyft enbart som ett resultat av skillnaden i flödeshastigheter över och under en asymmetrisk vinge. Samtidigt är det välkänt att en symmetrisk vinge kan skapa lyft om den installeras i en viss vinkel mot flödet (fig. 1b). I båda fallen kallas vinkeln mellan linjen som förbinder vingens främre och bakre punkt och flödesriktningen attackvinkeln.
Lyften ökar med ökande attackvinkel, men detta förhållande fungerar bara vid små värden av denna vinkel. Så snart anfallsvinkeln överstiger en viss kritisk nivå och flödet stannar, bildas många virvlar på vingens övre yta och lyftkraften minskar kraftigt (fig. 1c).
Yachtsmän vet att gipp inte är den snabbaste banan. Om vinden av samma styrka blåser i en vinkel på 90 grader mot kursen, rör sig yachten mycket snabbare. På en gippbana beror kraften med vilken vinden trycker på seglet på båtens hastighet. Med maximal kraft trycker vinden på seglet på en yacht som står orörlig (Fig. 2a). När farten ökar, sjunker trycket på seglet och blir minimalt när yachten når maximal hastighet (fig. 2b). Maxhastigheten på en gippbana är alltid lägre än vindhastigheten. Det finns flera anledningar till detta: för det första friktion, under alla rörelser läggs en del av energin på att övervinna olika krafter som hindrar rörelsen. Men huvudsaken är att kraften med vilken vinden trycker på seglet är proportionell mot kvadraten på den skenbara vindens hastighet, och hastigheten på den skenbara vinden på en gippkurs är lika med skillnaden mellan hastigheten på den skenbara vinden. sann vind och farten på yachten.
Med en golfvindskurs (i 90º mot vinden) kan segelyachter röra sig snabbare än vinden. I den här artikeln kommer vi inte att diskutera egenskaperna hos den skenbara vinden, vi kommer bara att notera att på en golfvindsbana beror kraften med vilken vinden pressar på seglen i mindre utsträckning på yachtens hastighet (fig. 2c) ).
Den främsta faktorn som förhindrar en ökning av hastigheten är friktion. Därför kan segelbåtar med lite motstånd mot rörelse nå hastigheter som är mycket högre än vindens hastighet, men inte på en gippkurs. Till exempel kan en båt, på grund av det faktum att skridskor har försumbart glidmotstånd, accelerera till en hastighet av 150 km/h med en vindhastighet på 50 km/h eller ännu mindre.
Seglingens fysik förklaras: en introduktion
ISBN 1574091700, 9781574091700
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 lyft endast om lyftet av vingen flygplan, med hjälp av motvinden, trycker planet uppåt, sedan riktar det vertikalt placerade seglet 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 riktig vind-45°.
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 F, 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 F, 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 F, 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 möter starkt vattenmotstånd (kölen i segelfartyg görs mycket djup), då kraften 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.
En segelyachts rörelse i vinden bestäms faktiskt av vindens enkla tryck på dess segel, som driver fartyget framåt. Däremot har vindtunnelforskning visat att segling i motvind utsätter seglet för en mer komplex uppsättning krafter.
När den inkommande luften strömmar runt seglets konkava bakre yta minskar lufthastigheten, medan när den strömmar runt seglets konvexa främre yta ökar denna hastighet. Som ett resultat bildas ett område med högt tryck på seglets baksida och ett lågtrycksområde på framsidan. Tryckskillnaden på de två sidorna av seglet skapar en dragkraft (skjutande) som för yachten framåt i en vinkel mot vinden.
En segelyacht som ligger ungefär i rät vinkel mot vinden (i nautisk terminologi - yachten kommer tack), går snabbt framåt. Seglet utsätts för dragkrafter och sidokrafter. Om en segelyacht seglar i en spetsig vinkel mot vinden, saktar dess hastighet ner på grund av en minskning av dragkraften och en ökning av sidokraften. Ju mer seglet vänds mot aktern, desto långsammare rör sig yachten framåt, i synnerhet på grund av den stora sidokraften.
En segelyacht kan inte segla direkt i vinden, men den kan röra sig framåt genom att göra en serie korta sicksackrörelser i vinkel mot vinden, så kallade tacks. Om vinden blåser åt vänster sida (1) sägs yachten segla på babordsstag, om det blåser åt styrbord (2) sägs den segla styrbord. För att klara avståndet snabbare försöker seglaren öka båtens hastighet till det yttersta genom att justera seglets position, som visas i bilden nedan till vänster. För att minimera avvikelsen åt sidan från en rak linje rör sig yachten och ändrar kurs från styrbord till babord och vice versa. När yachten ändrar kurs kastas seglet till andra sidan och när dess plan sammanfaller med vindlinjen fladdrar det en tid, d.v.s. är inaktiv (mittbilden under texten). Yachten hamnar i den så kallade döda zonen och tappar fart tills vinden blåser upp seglet igen från motsatt riktning.
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.
