HANGIN DRIVING FORCE
Ang website ng NASA ay naglathala ng napakakagiliw-giliw na mga materyales tungkol sa iba't ibang mga kadahilanan na nakakaimpluwensya sa pagbuo ng pag-angat ng isang pakpak ng sasakyang panghimpapawid. Mayroon ding mga interactive na graphical na modelo na nagpapakita na ang pag-angat ay maaari ding mabuo ng isang simetriko na pakpak dahil sa pagpapalihis ng daloy.
Ang layag, na nasa isang anggulo sa daloy ng hangin, ay nagpapalihis dito (Larawan 1d). Pagdating sa "itaas", pababang bahagi ng layag, ang daloy ng hangin ay naglalakbay sa isang mas mahabang landas at, alinsunod sa prinsipyo ng pagpapatuloy ng daloy, ay gumagalaw nang mas mabilis kaysa mula sa windward, "ibaba" na bahagi. Ang resulta ay ang presyon sa leeward side ng layag ay mas mababa kaysa sa windward side.
Kapag naglalayag sa isang jibe, kapag ang layag ay nakatakda patayo sa direksyon ng hangin, ang antas ng pagtaas ng presyon sa windward side ay mas malaki kaysa sa antas ng pagbaba ng presyon sa leeward side, sa madaling salita, itinutulak ng hangin. ang yate ay higit pa sa hinihila nito. Habang nagiging mas matalas ang yate sa hangin, magbabago ang ratio na ito. Kaya, kung ang hangin ay umiihip nang patayo sa kurso ng yate, ang pagtaas ng presyon sa layag sa gilid ng hangin ay may mas kaunting epekto sa bilis kaysa sa pagpapababa ng presyon sa gilid ng leeward. Sa madaling salita, mas hinihila ng layag ang yate kaysa sa itinulak nito.
Ang paggalaw ng yate ay nangyayari dahil sa ang katunayan na ang hangin ay nakikipag-ugnayan sa layag. Ang pagsusuri sa pakikipag-ugnayang ito ay humahantong sa mga hindi inaasahang resulta para sa maraming mga nagsisimula. Ito ay lumalabas na ang pinakamataas na bilis ay hindi nakamit kapag ang hangin ay humihip nang direkta mula sa likuran, at ang pagnanais para sa isang "patas na hangin" ay nagdadala ng isang ganap na hindi inaasahang kahulugan.
Parehong ang layag at ang kilya, kapag nakikipag-ugnayan sa daloy ng hangin o tubig, ayon sa pagkakabanggit, ay lumikha ng pag-angat, samakatuwid, upang ma-optimize ang kanilang operasyon, maaaring mailapat ang teorya ng pakpak.
HANGIN DRIVING FORCE
Ang daloy ng hangin ay may kinetic energy at, nakikipag-ugnayan sa mga layag, ay may kakayahang ilipat ang yate. Ang gawain ng parehong layag at ang pakpak ng eroplano ay inilarawan ng batas ni Bernoulli, ayon sa kung saan ang pagtaas ng bilis ng daloy ay humahantong sa pagbaba ng presyon. Kapag gumagalaw sa hangin, hinahati ng pakpak ang daloy. Ang bahagi nito ay umiikot sa pakpak mula sa itaas, bahagi mula sa ibaba. Ang isang pakpak ng eroplano ay idinisenyo upang ang daloy ng hangin sa itaas ng pakpak ay gumagalaw nang mas mabilis kaysa sa daloy ng hangin sa ilalim ng ilalim ng pakpak. Ang resulta ay ang presyon sa itaas ng pakpak ay mas mababa kaysa sa ibaba. Ang pagkakaiba sa presyon ay ang lakas ng pag-angat ng pakpak (Larawan 1a). Salamat sa kumplikadong hugis nito, ang pakpak ay may kakayahang makabuo ng pag-angat kahit na sa pagputol sa isang daloy na gumagalaw parallel sa eroplano ng pakpak.
Ang layag ay maaaring ilipat ang yate lamang kung ito ay nasa isang tiyak na anggulo sa daloy at pinalihis ito. Ito ay nananatiling debatable kung gaano kalaki ang pag-angat dahil sa Bernoulli effect at kung magkano ang resulta ng flow deflection. Ayon sa classical wing theory, ang pag-angat ay nagmumula lamang bilang resulta ng pagkakaiba sa mga bilis ng daloy sa itaas at sa ibaba ng isang asymmetrical na pakpak. Kasabay nito, kilalang-kilala na ang isang simetriko na pakpak ay may kakayahang lumikha ng pag-angat kung naka-install sa isang tiyak na anggulo sa daloy (Larawan 1b). Sa parehong mga kaso, ang anggulo sa pagitan ng linya na nagkokonekta sa harap at likurang mga punto ng pakpak at ang direksyon ng daloy ay tinatawag na anggulo ng pag-atake.
Tumataas ang pagtaas sa pagtaas ng anggulo ng pag-atake, ngunit gumagana lamang ang relasyong ito sa maliliit na halaga ng anggulong ito. Sa sandaling ang anggulo ng pag-atake ay lumampas sa isang tiyak na kritikal na antas at ang daloy ng mga stall, maraming mga vortices ay nabuo sa itaas na ibabaw ng pakpak, at ang lakas ng pag-angat ay bumababa nang husto (Fig. 1c).
Alam ng mga yate na ang jibe ay hindi ang pinakamabilis na kurso. Kung ang hangin ng parehong lakas ay umiihip sa isang anggulo na 90 degrees sa heading, ang yate ay gumagalaw nang mas mabilis. Sa isang jibe course, ang lakas ng pagpindot ng hangin sa layag ay nakasalalay sa bilis ng yate. Sa pinakamataas na puwersa, ang hangin ay pumipindot sa layag ng isang yate na nakatayong hindi gumagalaw (Larawan 2a). Habang tumataas ang bilis, bumababa ang presyon sa layag at nagiging minimal kapag ang yate ay umabot sa pinakamataas na bilis (Larawan 2b). Ang maximum na bilis sa isang jibe course ay palaging mas mababa kaysa sa bilis ng hangin. Mayroong ilang mga dahilan para dito: una, alitan; sa anumang paggalaw, ang ilang bahagi ng enerhiya ay ginugugol sa pagtagumpayan ng iba't ibang pwersa na humahadlang sa paggalaw. Ngunit ang pangunahing bagay ay ang puwersa kung saan ang hangin ay pumipindot sa layag ay proporsyonal sa parisukat ng bilis ng maliwanag na hangin, at ang bilis ng maliwanag na hangin sa isang jibe course ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng bilis ng totoong hangin at ang bilis ng yate.
Sa pamamagitan ng gulfwind course (sa 90º sa hangin), ang mga naglalayag na yate ay nakakagalaw nang mas mabilis kaysa sa hangin. Sa artikulong ito, hindi natin tatalakayin ang mga tampok ng maliwanag na hangin; mapapansin lamang natin na sa isang gulfwind course, ang puwersa kung saan ang hangin ay pumipindot sa mga layag ay nakasalalay sa mas mababang lawak sa bilis ng yate (Larawan 2c ).
Ang pangunahing kadahilanan na pumipigil sa pagtaas ng bilis ay ang alitan. Samakatuwid, ang mga sailboat na may maliit na pagtutol sa paggalaw ay nakakaabot ng mga bilis na mas mataas kaysa sa bilis ng hangin, ngunit hindi sa isang jibe course. Halimbawa, ang isang bangka, dahil sa katotohanan na ang mga skate ay may kaunting sliding resistance, ay may kakayahang bumilis sa bilis na 150 km/h na may bilis ng hangin na 50 km/h o mas mababa pa.
Ipinaliwanag ang Physics ng Paglalayag: Isang Panimula
ISBN 1574091700, 9781574091700
Sa tingin ko, marami sa atin ang kukuha ng pagkakataong bumulusok sa kailaliman ng dagat sa ilan sasakyan sa ilalim ng tubig, ngunit gayunpaman, karamihan ay mas gusto ang isang paglalakbay-dagat sa isang bangka. Noong walang mga eroplano o tren, mayroon lamang mga bangka. Kung wala sila ang mundo ay hindi kung ano ito.
Ang mga bangkang may tuwid na layag ay nagdala ng mga Europeo sa Amerika. Ang kanilang mga stable deck at malawak na hold ay may dalang mga tao at mga supply para itayo ang New World. Ngunit ang mga sinaunang barkong ito ay may mga limitasyon din. Mabagal silang naglakad at halos magkasabay ang direksyon ng hangin. Maraming nagbago mula noon. Ngayon ay gumagamit sila ng ganap na magkakaibang mga prinsipyo para sa pagkontrol sa lakas ng hangin at alon. Kaya kung gusto mong sumakay ng moderno, kailangan mong matutunan ang ilang pisika.
Ang modernong paglalayag ay hindi lamang kumikilos sa hangin, ito ay isang bagay na kumikilos sa layag at nagpapalipad dito na parang pakpak. At ang hindi nakikitang "isang bagay" na ito ay tinatawag na pag-angat, na tinatawag ng mga siyentipiko na lateral force.
Hindi naiwasang mapansin ng isang maasikasong nagmamasid na kahit saang direksyon ang ihip ng hangin, ang naglalayag na yate ay laging gumagalaw kung saan gusto ng kapitan - kahit na ang hangin ay salungat sa hangin. Ano ang sikreto ng gayong kamangha-manghang kumbinasyon ng katigasan ng ulo at pagsunod.
Maraming mga tao ang hindi nakakaalam na ang isang layag ay isang pakpak, at ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang pakpak at isang layag ay pareho. Ito ay batay sa pag-angat lamang kung ang pag-angat ng pakpak sasakyang panghimpapawid, gamit ang headwind, itinutulak ang eroplano paitaas, pagkatapos ay ididirekta ng patayong posisyong layag ang bangka pasulong. Upang ipaliwanag ito mula sa isang pang-agham na pananaw, kinakailangan na bumalik sa mga pangunahing kaalaman - kung paano gumagana ang isang layag.
Tingnan ang simulate na proseso na nagpapakita kung paano kumikilos ang hangin sa eroplano ng layag. Dito makikita mo na ang hangin ay dumadaloy sa ilalim ng modelo, na may mas malaking liko, yumuko upang lumibot dito. Sa kasong ito, ang daloy ay kailangang bumilis ng kaunti. Bilang isang resulta, lumilitaw ang isang lugar na may mababang presyon - ito ay bumubuo ng pagtaas. Ang mababang presyon sa ilalim na bahagi ay humihila sa layag pababa.
Sa madaling salita, ang isang lugar na may mataas na presyon ay sumusubok na lumipat patungo sa isang lugar na may mababang presyon, na naglalagay ng presyon sa layag. Lumilitaw ang isang pagkakaiba sa presyon, na bumubuo ng pagtaas. Dahil sa hugis ng layag, ang bilis ng hangin sa loob ng hanging bahagi ay mas mababa kaysa sa leeward na bahagi. Naka-on sa labas isang vacuum ang nabuo. Ang hangin ay literal na sinipsip sa layag, na nagtutulak sa naglalayag na yate pasulong.
Sa katunayan, ang prinsipyong ito ay medyo simple upang maunawaan; tingnan lamang nang mabuti ang anumang barkong naglalayag. Ang trick dito ay ang layag, gaano man ito nakaposisyon, ay naglilipat ng enerhiya ng hangin sa barko, at kahit na sa paningin ay tila dapat pabagalin ng layag ang yate, ang sentro ng paggamit ng mga puwersa ay mas malapit sa busog ng bangka, at ang lakas ng hangin ay nagsisiguro ng pasulong na paggalaw.
Ngunit ito ay isang teorya, ngunit sa pagsasanay ang lahat ay medyo naiiba. Sa katunayan, ang isang naglalayag na yate ay hindi maaaring maglayag laban sa hangin - ito ay gumagalaw sa isang tiyak na anggulo dito, ang tinatawag na mga tacks.
Gumagalaw ang isang bangka dahil sa balanse ng mga puwersa. Ang mga layag ay kumikilos na parang mga pakpak. Karamihan ng ang pag-angat na ginagawa nila ay nakadirekta sa gilid, at isang maliit na halaga pasulong. Gayunpaman, ang lihim sa kamangha-manghang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang tinatawag na "invisible" na layag, na matatagpuan sa ilalim ng ilalim ng yate. Ito ay isang kilya o, sa nautical language, isang centerboard. Ang pag-angat ng centerboard ay gumagawa din ng pag-angat, na pangunahing nakadirekta sa gilid. Ang kilya ay lumalaban sa takong at ang magkasalungat na puwersa na kumikilos sa layag.
Bilang karagdagan sa puwersa ng pag-aangat, nangyayari rin ang isang roll - isang hindi pangkaraniwang bagay na nakakapinsala sa paggalaw ng pasulong at mapanganib para sa mga tripulante ng barko. Ngunit iyon ang dahilan kung bakit umiiral ang mga tripulante sa yate, upang magsilbi bilang isang buhay na panimbang sa hindi maiiwasang mga batas ng pisika.
Sa isang modernong sailboat, ang kilya at ang layag ay nagtutulungan upang itulak ang sailboat pasulong. Ngunit tulad ng makumpirma ng sinumang baguhan na mandaragat, sa pagsasagawa, ang lahat ay mas kumplikado kaysa sa teorya. Alam ng isang makaranasang marino na ang kaunting pagbabago sa liko ng layag ay ginagawang posible na makakuha ng higit na pagtaas at kontrolin ang direksyon nito. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng liko ng layag, kinokontrol ng isang bihasang mandaragat ang laki at lokasyon ng lugar na gumagawa ng pagtaas. Sa isang malalim na pasulong na liko maaari kang lumikha malaking lugar presyon, ngunit kung ang liko ay masyadong malaki o ang nangungunang gilid ng mga molekula ng hangin ay masyadong matarik, ang daloy sa paligid ng mga ito ay hindi na susunod sa liko. Sa madaling salita, kung ang bagay ay may matalim na sulok, ang mga particle ng daloy ay hindi maaaring lumiko - ang momentum ng paggalaw ay masyadong malakas, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na "separated flow". Ang resulta ng epekto na ito ay ang layag ay "wawalis", mawawala ang hangin.
Narito ang ilang mas praktikal na tip para sa paggamit ng enerhiya ng hangin. Pinakamainam na patungo sa hangin (karera ng malapit na hangin). Tinatawag ito ng mga mandaragat na “paglalayag laban sa hangin.” Ang maliwanag na hangin, na may bilis na 17 knots, ay kapansin-pansing mas mabilis kaysa sa totoong hangin na lumilikha ng sistema ng alon. Ang pagkakaiba sa kanilang mga direksyon ay 12°. Kurso sa maliwanag na hangin - 33°, hanggang totoong hangin- 45°.
Mahirap isipin kung paano maaaring pumunta ang mga naglalayag na barko "laban sa hangin" - o, tulad ng sinasabi ng mga mandaragat, pumunta sa "malapit na paghatak". Totoo, sasabihin sa iyo ng isang marino na hindi ka maaaring direktang maglayag laban sa hangin, ngunit maaari ka lamang lumipat sa isang matinding anggulo sa direksyon ng hangin. Ngunit ang anggulong ito ay maliit - halos isang-kapat ng isang tamang anggulo - at tila, marahil, ay pantay na hindi maintindihan: kung direktang maglayag laban sa hangin o sa isang anggulo dito ng 22°.
Sa katotohanan, gayunpaman, hindi ito walang malasakit, at ipapaliwanag natin ngayon kung paano posible na lumipat patungo dito sa isang bahagyang anggulo sa pamamagitan ng lakas ng hangin. Una, tingnan natin kung paano karaniwang kumikilos ang hangin sa layag, iyon ay, kung saan itinutulak nito ang layag kapag humihip ito. Marahil ay iniisip mo na ang hangin ay palaging itinutulak ang layag sa direksyon na iihip nito. Ngunit hindi ganito: saanman umihip ang hangin, itinutulak nito ang layag na patayo sa eroplano ng layag. Sa katunayan: hayaang umihip ang hangin sa direksyon na ipinahiwatig ng mga arrow sa figure sa ibaba; linya AB nagsasaad ng layag.
Palaging itinutulak ng hangin ang layag sa tamang mga anggulo sa eroplano nito.
Dahil pantay-pantay ang pagpindot ng hangin sa buong ibabaw ng layag, pinapalitan namin ang presyon ng hangin ng puwersang R na inilapat sa gitna ng layag. Hatiin natin ang puwersang ito sa dalawa: puwersa Q, patayo sa layag, at ang puwersang P na nakadirekta dito (tingnan ang figure sa itaas, kanan). Ang huling puwersa ay nagtutulak sa layag kahit saan, dahil ang alitan ng hangin sa canvas ay hindi gaanong mahalaga. Nananatili ang lakas Q, na nagtutulak sa layag sa tamang mga anggulo dito.
Dahil alam natin ito, madali nating mauunawaan kung paano maglayag ang isang barkong naglalayag sa isang matinding anggulo patungo sa hangin. Hayaan ang linya QC inilalarawan ang linya ng kilya ng barko.
Paano ka maglalayag laban sa hangin?
Ang hangin ay umiihip sa isang matinding anggulo sa linyang ito sa direksyon na ipinahiwatig ng isang serye ng mga arrow. Linya AB naglalarawan ng isang layag; ito ay inilalagay upang ang eroplano nito ay humahati sa anggulo sa pagitan ng direksyon ng kilya at ng direksyon ng hangin. Sundin ang pamamahagi ng mga puwersa sa figure. Kinakatawan namin ang lakas ng hangin sa layag Q, na alam nating dapat patayo sa layag. Hatiin natin ang puwersang ito sa dalawa: puwersa R, patayo sa kilya, at ang puwersa S, nakadirekta pasulong, kasama ang linya ng kilya ng sisidlan. Dahil sa direksyon ang galaw ng barko R nakakatugon sa malakas na resistensya ng tubig (ang kilya sa mga barkong naglalayag ay ginawang napakalalim), pagkatapos ay ang puwersa R halos ganap na balanse ng water resistance. Tanging lakas ang natitira S, na, tulad ng nakikita mo, ay nakadirekta pasulong at, samakatuwid, gumagalaw ang barko sa isang anggulo, na parang patungo sa hangin. [Mapapatunayan na ang lakas S tumatanggap ng pinakamalaking halaga kapag hinahati ng eroplano ng layag ang anggulo sa pagitan ng mga direksyon ng kilya at hangin.]. Karaniwan ang paggalaw na ito ay ginagawa sa mga zigzag, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba. Sa wika ng mga mandaragat, ang naturang paggalaw ng barko ay tinatawag na "tacking" sa mahigpit na kahulugan ng salita.
Ang paggalaw ng isang naglalayag na yate sa hangin ay talagang tinutukoy ng simpleng presyon ng hangin sa layag nito, na nagtutulak sa barko pasulong. Gayunpaman, ipinakita ng pananaliksik sa wind tunnel na ang paglalayag sa salungat na hangin ay naglalantad sa layag sa isang mas kumplikadong hanay ng mga puwersa.
Kapag ang papasok na hangin ay dumadaloy sa paligid ng malukong likod na ibabaw ng layag, ang bilis ng hangin ay bumababa, habang kapag umaagos sa paligid ng matambok na harap na ibabaw ng layag, ang bilis na ito ay tumataas. Bilang isang resulta, ang isang lugar ng mataas na presyon ay nabuo sa likod na ibabaw ng layag, at isang mababang presyon na lugar sa harap na ibabaw. Ang pagkakaiba ng presyon sa dalawang gilid ng layag ay lumilikha ng puwersang paghila (pagtulak) na nagpapakilos sa yate pasulong sa isang anggulo sa hangin.
Isang naglalayag na yate na matatagpuan humigit-kumulang sa tamang mga anggulo sa hangin (sa nautical terminology - parating na ang yate tack), mabilis na gumagalaw pasulong. Ang layag ay napapailalim sa paghila at pag-ilid na pwersa. Kung ang isang naglalayag na yate ay naglalayag sa isang matinding anggulo sa hangin, ang bilis nito ay bumagal dahil sa pagbaba ng puwersa ng paghila at pagtaas ng puwersa sa gilid. Kung mas lumiliko ang layag patungo sa popa, mas mabagal ang pag-usad ng yate, lalo na dahil sa malaking puwersa sa gilid.
Ang isang naglalayag na yate ay hindi maaaring direktang tumulak sa hangin, ngunit maaari itong sumulong sa pamamagitan ng paggawa ng isang serye ng mga maikling zigzag na paggalaw sa isang anggulo sa hangin, na tinatawag na mga tacks. Kung ang hangin ay umihip sa kaliwang bahagi (1), ang yate ay sinasabing naglalayag sa port tack; kung ito ay umiihip sa starboard (2), ito ay sinasabing naglalayag sa starboard tack. Upang mas mabilis na masakop ang distansya, sinusubukan ng yate na pataasin ang bilis ng yate sa limitasyon sa pamamagitan ng pagsasaayos ng posisyon ng layag nito, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba sa kaliwa. Upang mabawasan ang paglihis sa gilid mula sa isang tuwid na linya, ang yate ay gumagalaw, nagbabago ng kurso mula sa starboard tack patungo sa port at vice versa. Kapag ang yate ay nagbabago ng kurso, ang layag ay itinapon sa kabilang panig, at kapag ang eroplano nito ay kasabay ng linya ng hangin, ito ay lumilipad nang ilang oras, i.e. ay hindi aktibo (gitnang larawan sa ibaba ng teksto). Ang yate ay natagpuan ang sarili sa tinatawag na dead zone, na nawawala ang bilis hanggang sa muling pinalaki ng hangin ang layag mula sa tapat na direksyon.
Ang makatang Ruso na si Mikhail Yurievich Lermontov ay minamahal dagat at madalas siyang banggitin sa kanyang mga gawa. Sumulat siya ng isang kahanga-hangang tula tungkol sa pagpaputi layag, na dumadaloy sa mga alon sa malalayong kalawakan ng dagat. Marahil ay pamilyar ka sa tula ni Lermontov, dahil ito ang pinakasikat na mga linya ng tula tungkol sa mga barkong naglalayag. Sa pagbabasa ng mga ito, maiisip mo ang isang rumaragasang dagat at magagandang barko sa gitna ng mga alon nito. Pinupuno ng hangin ang mga layag. At, salamat sa lakas ng hangin, sumusulong ang mga barko. Ngunit paano nagagawa ng mga sailboat na maglayag laban sa hangin?
Upang masagot ito, kailangan mo munang matutunan ang isang hindi pamilyar na salita "tack".Galsom Ang direksyon ng paggalaw ng barko na may kaugnayan sa hangin ay tinatawag. Ang tack ay maaaring maging port kapag ang hangin ay umiihip mula sa kaliwa, o starboard kapag ang hangin ay umiihip mula sa kanan. Mahalagang malaman ang pangalawang kahulugan ng salitang "tack" - ito ay bahagi ng landas, o sa halip, ang bahagi nito na dinadaanan ng bangka kapag gumagalaw. laban sa hangin. Naaalala mo ba?
Ngayon, upang maunawaan kung paano namamahala ang mga sailboat na maglayag laban sa hangin, tingnan natin ang mga layag. Nasa sailboat sila iba't ibang anyo at mga sukat - tuwid at pahilig. At ginagawa ng lahat ang kanilang trabaho. Kapag umihip ang hangin, ang barko ay pinamamahalaan gamit ang mga pahilig na layag, na unang lumiko sa isang direksyon at pagkatapos ay sa isa pa.
Kasunod nila, ang barko ay lumiliko sa isang direksyon o iba pa. Tumalikod siya at naglakad pasulong. Tinatawag ng mga mandaragat ang kilusang ito - gumagalaw sa alternating tacks. Ang kakanyahan nito ay ang pagdiin ng hangin sa mga pahilig na layag at hinihipan ang barko nang bahagyang patagilid at pasulong. Ang timon ng isang bangkang de-layag ay hindi pinapayagan na lumiko ito nang lubusan, at ang mga dalubhasang mandaragat ay itinatakda ang mga layag sa oras, binabago ang kanilang posisyon. Kaya, sa maliliit na zigzag, umuusad ito.
Siyempre, ang paglipat sa mga alternating tacks ay isang napakahirap na gawain para sa buong crew ng isang sailboat. Ngunit ang mga mandaragat ay mga batikang lalaki. Hindi sila natatakot sa mga paghihirap at mahal na mahal ang dagat.
