Mișcarea unui iaht cu vele în aval de vânt este de fapt determinată de simpla presiune a vântului pe vela sa, împingând nava înainte. Cu toate acestea, după cum au arătat cercetările în tunelul de vânt, navigarea în sensul vântului expune vela la un set mai complex de forțe.

Când aerul ram curge în jurul suprafeței concave din spate a velei, viteza aerului scade, în timp ce atunci când curge în jurul suprafeței frontale convexe a velei, această viteză crește. Ca rezultat, se formează o regiune de presiune crescută pe suprafața din spate a pânzei, iar pe suprafața frontală se formează o regiune de presiune redusă. Diferența de presiune pe cele două părți ale velei creează o forță de tragere (împingere) care mișcă iahtul înainte într-un unghi față de vânt.

Un iaht cu vele, situat aproximativ în unghi drept cu vântul (în terminologia nautică, un iaht este pe vira), se deplasează rapid înainte. Vela este supusă forțelor de tragere și laterale. Dacă o barcă cu pânze navighează într-un unghi ascuțit față de vânt, viteza ei scade din cauza scăderii forței de remorcare și a creșterii forței laterale. Cu cât vela este întoarsă mai mult la pupa, cu atât iahtul se deplasează mai lent înainte, în special datorită forței laterale mari.

O barca cu pânze nu poate naviga direct în vânt, dar se poate deplasa înainte făcând o serie de mișcări scurte, în zig-zag, la un unghi față de vânt, numite viraje. Dacă vântul bate spre babord (1), ei spun că iahtul este pe virajul stâng, dacă la tribord (2) - virajul tribord. Pentru a parcurge distanța mai repede, iahtmanul încearcă să mărească viteza iahtului până la limită, ajustând poziția pânzei sale, așa cum se arată în figura de mai jos din stânga. Pentru a minimiza abaterea de la o linie dreaptă, barca se deplasează prin schimbarea cursului de la tribord la vira babord și invers. Când iahtul își schimbă cursul, vela este aruncată pe cealaltă parte, iar când planul său coincide cu linia vântului, se clătește ceva timp, adică. este inactiv (figura din mijloc sub text). Iahtul intră în așa-numita zonă moartă, pierzând viteza până când vântul suflă din nou vela din partea opusă.

Cred că mulți dintre noi ar profita de șansa de a se scufunda în abisul mării cu un fel de vehicul subacvatic, dar totuși, cei mai mulți ar prefera o călătorie pe mare cu o barca cu pânze. Când nu erau avioane sau trenuri, erau doar bărci cu pânze. Fără ei, lumea nu era la fel.

Bărcile cu pânze drepte au adus europeni în America. Punțile lor stabile și calele încăpătoare au adus oameni și provizii pentru construcția Lumii Noi. Dar aceste corăbii antice aveau și ele limitările lor. Se mișcau încet și aproape în aceeași direcție în direcția vântului. S-au schimbat multe de atunci. Astăzi, sunt folosite principii complet diferite de control al forței vântului și a valurilor. Deci, dacă vrei să călărești unul modern, va trebui să înveți fizica.

Navigarea modernă nu se mișcă doar odată cu vântul, este ceva care afectează vela și o face să zboare ca o aripă. Și acest „ceva” invizibil se numește forță de ridicare, pe care oamenii de știință o numesc forță laterală.

Un observator atent nu putea să nu observe că, indiferent în ce direcție bate vântul, un iaht cu vele se mișcă întotdeauna acolo unde are nevoie căpitanul - chiar și atunci când vântul bate în față. Care este secretul unei combinații atât de uimitoare de încăpățânare și supunere.

Mulți nici măcar nu realizează că o pânză este o aripă, iar principiul de funcționare al unei aripi și al unei pânze este același. Se bazează pe portanță numai dacă ridicarea aripii aeronave, folosind un vânt în fața, împinge avionul în sus, apoi o vela situată vertical direcționează barca cu pânze înainte. Pentru a explica acest lucru din punct de vedere științific, este necesar să ne întoarcem la elementele de bază - cum funcționează o velă.

Uitați-vă la procesul simulat, care arată cum acționează aerul în planul velei. Aici puteți vedea că curenții de aer de sub model, care au o curbură mai mare, se îndoaie pentru a o ocoli. În acest caz, fluxul trebuie să accelereze puțin. Ca rezultat, apare o zonă de presiune scăzută - aceasta generează o ridicare. Presiunea scăzută pe partea inferioară trage vela în jos.

Cu alte cuvinte, zona de înaltă presiune încearcă să se deplaseze spre zona de joasă presiune punând presiune pe vela. Există o diferență de presiune, care generează portanță. Datorită formei pânzei, pe partea interioară a vântului, viteza vântului este mai mică decât pe partea sub vânt. La exterior se formează un vid. Aerul este literalmente aspirat în pânză, ceea ce împinge iahtul cu vele înainte.

De fapt, acest principiu este destul de simplu de înțeles, doar uită-te la orice navă cu pânze. Trucul aici este că vela, indiferent de cum se află, transmite energie eoliană navei și, chiar dacă vizual pare că vela ar trebui să încetinească iahtul, centrul de aplicare a forțelor este mai aproape de prova barca cu pânze, iar forța vântului asigură mișcarea de translație.

Dar aceasta este teorie, dar în practică totul este puțin diferit. De fapt, un iaht cu vele nu poate merge împotriva vântului - se mișcă într-un anumit unghi față de el, așa-numitele viraje.

Barca cu pânze se mișcă datorită echilibrului de forțe. Pânzele acționează ca niște aripi. Cea mai mare parte a ridicării pe care o produc este direcționată în lateral și doar o cantitate mică este îndreptată înainte. Cu toate acestea, secretul constă în acest fenomen minunat în așa-numita vela „invizibilă”, care se află sub fundul iahtului. Aceasta este o chilă sau în limbajul mării - un centru de bord. Ridicarea plăcii centrale produce, de asemenea, lifting, care este, de asemenea, direcționat în principal în lateral. Chila rezistă la rulare și forța opusă care acționează asupra pânzei.

Pe lângă forța de ridicare, există și o rulare - un fenomen care este dăunător pentru deplasarea înainte și periculos pentru echipajul navei. Dar pentru asta, pe iaht există o echipă care să servească drept o contrabalansare vie a legilor fizice inexorabile.

Într-o barcă cu pânze modernă, atât chila, cât și vela lucrează împreună pentru a ghida barca cu pânze înainte. Dar, după cum va confirma orice marinar novice, în practică totul este mult mai complicat decât în ​​teorie. Un marinar cu experiență știe că cea mai mică modificare a camber-ului velei face posibilă obținerea mai multă portanță și controlul direcției acesteia. Variind prova velei, un marinar priceput controlează dimensiunea și locația zonei care produce portanță. Cu o îndoire adâncă înainte, puteți crea suprafata mare presiune, dar dacă îndoirea este prea mare sau marginea anterioară este prea abruptă, moleculele de aer nu vor mai urma îndoirea. Cu alte cuvinte, dacă obiectul are colțuri ascuțite, particulele fluxului nu pot face o întoarcere - impulsul de mișcare este prea puternic, acest fenomen se numește „curgere separată”. Rezultatul acestui efect este că vela se va „spăla”, pierzând vântul.

Și iată încă câteva sfaturi practice utilizarea energiei eoliene. Îndreptare optimă în vânt (curse de aproape). Marinarii o numesc „merg împotriva vântului”. Vântul aparent, care are o viteză de 17 noduri, este vizibil mai rapid decât vântul adevărat, care creează un sistem de valuri. Diferența de direcție este de 12°. Cursul spre vântul aparent este de 33°, spre vântul adevărat - 45°.

Până acum, am luat în considerare acțiunea asupra iahtului a doar două forțe - forța de flotabilitate și forța de greutate, presupunând că acesta este în echilibru în repaus.Dar deoarece pânzele sunt folosite pentru a deplasa iahtul înainte, un sistem complex de fortele actioneaza asupra navei. Este prezentat schematic în Fig. 4, care consideră cel mai tipic caz al unui iaht care se deplasează în spații apropiate.

Când pânzele curg în jurul fluxului de aer - vântul - creează un rezultat forta aerodinamica A (vezi cap. 2), îndreptat aproximativ perpendicular pe suprafața pânzei și aplicat în centrul velei (CP) deasupra suprafeței apei. Conform celei de-a treia legi a mecanicii, în mișcarea constantă a corpului în linie dreaptă, fiecare forță aplicată corpului, în acest caz, pânzelor legate de carena iahtului prin catarg, tachelaj în picioare și foi, trebuie să fie contracarată de o forță egală și direcționată opus. Pe un iaht, aceasta este forța hidrodinamică H rezultată aplicată părții subacvatice a carenei. Astfel, între aceste forțe există o distanță-umăr cunoscută, în urma căreia se formează un moment al unei perechi de forțe.

Atât forțele aerodinamice, cât și cele hidrodinamice se dovedesc a fi orientate nu într-un plan, ci în spațiu, prin urmare, atunci când se studiază mecanica mișcării iahtului, se iau în considerare proiecțiile acestor forțe pe planurile coordonate principale. Ținând cont de cea de-a treia lege a lui Newton menționată, scriem în perechi toate componentele forței aerodinamice și reacțiile hidrodinamice corespunzătoare acestora:

Pentru ca iahtul să vieze constant pe un curs, fiecare pereche de forțe și fiecare pereche de momente de forțe trebuie să fie egale între ele. De exemplu, forța de deriva Fd și forța de rezistență la deriva Rd creează un moment de înclinare Mcr, care trebuie echilibrat de momentul de restabilire Mv sau momentul de stabilitate transversală. MW se formează datorită acțiunii forțelor greutății D și a flotabilității iahtului gV care acționează asupra umărului l. Aceleași forțe de greutate și de flotabilitate formează momentul de rezistență la tăiere sau momentul stabilitate longitudinală M l, egală ca mărime și contracarând momentul de tăiere Md. Termenii celor din urmă sunt momentele perechilor forțe T-Rși Fv-Nv.

În schema de mai sus a acțiunii forțelor sunt aduse modificări semnificative, în special la iahturile ușoare, de către echipaj. Deplasându-se în partea de vânt sau de-a lungul lungimii iahtului, echipajul, cu greutatea lor, înclină eficient nava sau îi contracarează bordura pe prova. În crearea unui moment respectuos Md, rolul decisiv revine devierii cârmei corespunzătoare.

Forța laterală aerodinamică Fd, pe lângă rostogolire, provoacă drift-drift lateral, astfel încât iahtul nu se deplasează strict de-a lungul DP, ci cu un unghi mic de deriva l. Această împrejurare este cea care provoacă formarea unei forțe de rezistență la deriva Rd pe chila iahtului, care este similară ca natură cu forța de sustentație care are loc pe aripa unei aeronave situată la un unghi de atac față de fluxul care se apropie. Similar unei aripi, o pânză funcționează pe un curs remorcat, pentru care unghiul de atac este unghiul dintre coarda pânzei și direcția vântului fanionului. Astfel, în teoria modernă a navei, un iaht cu vele este considerat ca o simbioză a două aripi: o carenă care se mișcă în apă și o vela, care este afectată de vântul fanionului.

Stabilitate

După cum am spus deja, iahtul este supus acțiunii unor forțe și momente de forțe care tind să-l încline în direcțiile transversale și longitudinale. Capacitatea navei de a rezista acțiunii acestor forțe și de a reveni la o poziție dreaptă după terminarea acțiunii lor se numește stabilitate. Cel mai important pentru un iaht este stabilitate transversală.

Când iahtul plutește fără călcâi, atunci forțele de gravitație și de flotabilitate, aplicate respectiv în CG și CG, acționează de-a lungul aceleiași verticale. Dacă în timpul unei rulări echipajul sau alte componente ale sarcinii de masă nu se mișcă, atunci cu orice abatere CG își păstrează poziția inițială în DP (punctul Gîn fig. 5), rotindu-se cu nava. În același timp, datorită formei modificate a părții subacvatice a carenei, CV-ul este deplasat din punctul C o spre partea călcâiată în poziția C 1 . Din această cauză, apare un moment al unei perechi de forțe Dși g V s umărul l, egal cu distanța orizontală dintre CG și noul CG al iahtului. Acest moment tinde să readucă iahtul într-o poziție dreaptă și, prin urmare, este numit momentul de restabilire.

Cu o rulare, CV-ul se deplasează de-a lungul unei traiectorii curbe C 0 C 1 , raza de curbură G Care e numit metacentric transversal raza, r corespunzând centrului său de curbură M -metacentrul transversal. Valoarea razei r și, în consecință, forma curbei C 0 C 1 depind de contururile carenei. În general, pe măsură ce ruliu crește, raza metacentrică scade, deoarece valoarea acesteia este proporțională cu puterea a patra a lățimii liniei de plutire.

Evident, brațul de restabilire a momentului depinde de distanță GM- ridicarea metacentrului deasupra centrului de greutate: cu cât este mai mic, cu atât mai mic, respectiv, cu o rolă și umărul l. În stadiul inițial al pantei cantității GM sau h este considerat de constructori naval ca o masura a stabilitatii navei si se numeste inaltimea metacentrica transversala initiala. Cu atât mai mult h, cu cât este nevoie de mai multă forță de înclinare pentru a înclina iahtul la orice unghi de înclinare, cu atât nava este mai stabilă. Pe iahturile de croazieră și curse, înălțimea metacentrică este de obicei de 0,75-1,2 m; pe nave de croazieră - 0,6-0,8 m.

Folosind triunghiul GMN, este ușor de stabilit că umărul de restaurare este . Momentul de restabilire, dată fiind egalitatea dintre gV și D, este egal cu:

Astfel, deși înălțimea metacentrică variază în limite destul de înguste pentru iahturile de diferite dimensiuni, mărimea momentului de redresare este direct proporțională cu deplasarea iahtului, prin urmare, o navă mai grea este capabilă să reziste la un moment de înclinare mai mare.

Umărul de restaurare poate fi reprezentat ca diferența dintre două distanțe (vezi Fig. 5): l f - umărul de stabilitate a formei și l v - umărul de stabilitate a greutății. Este ușor de stabilit semnificația fizică a acestor mărimi, deoarece l in este determinată de abaterea în timpul rulării liniei de acțiune a forței de greutate de la poziția inițială exact deasupra C 0, iar l in este deplasarea centrului. de mărime a volumului scufundat al carenei spre partea sub vânt. Având în vedere acțiunea forțelor D și gV în raport cu Co, se poate observa că forța de greutate D tinde să rostogolească și mai mult iahtul, iar forța gV, dimpotrivă, îndreptă nava.

Prin triunghi CoGK se poate constata că , unde СС este cota CG peste CB în poziția dreaptă a iahtului. Astfel, pentru a reduce efectul negativ al forțelor de greutate, este necesar să se coboare cât mai mult CG al iahtului. În mod ideal, CG ar trebui să fie sub CG, apoi brațul de stabilitate a greutății devine pozitiv, iar masa bărcii o ajută să reziste momentului de înclinare. Cu toate acestea, doar câteva iahturi au această caracteristică: adâncirea CG sub CG este asociată cu utilizarea balastului foarte greu, depășind 60% din deplasarea iahtului, ușurarea excesivă a structurii carenei, a lăturilor și a tachetului. Un efect asemănător reducerii CG este dat de mișcarea echipajului spre partea de vânt. Dacă vorbim despre o barca ușoară, atunci echipajul reușește să schimbe atât de mult CG-ul comun încât linia de acțiune a forței D se intersectează cu DP semnificativ sub CV și brațul de stabilitate a greutății este pozitiv.

Într-un iaht cu chilă, din cauza chilei false de balast greu, centrul de greutate este destul de jos (cel mai adesea, sub linia de plutire sau puțin deasupra acesteia). Stabilitatea iahtului este întotdeauna pozitivă și atinge maximul la o listă de aproximativ 90 °, când iahtul navighează pe apă. Desigur, o astfel de listă poate fi realizată numai pe un iaht cu deschideri de punte închise în siguranță și un cockpit cu drenare automată. Un iaht cu un cockpit deschis poate fi inundat cu apă la un unghi de călcâi mult mai mic (un iaht din clasa Dragon, de exemplu, la 52 °) și poate merge la fund fără a avea timp să se îndrepte.

La iahturile navigabile, poziția de echilibru instabil apare la o listă de aproximativ 130 °, când catargul este deja sub apă, fiind îndreptat în jos la un unghi de 40 ° față de suprafață. Odată cu o creștere suplimentară a ruliului, brațul de stabilitate devine negativ, momentul de răsturnare contribuie la atingerea celei de-a doua poziții de echilibru instabil la o rulare de 180 ° (în sus cu chila), când CG este situat sus deasupra CV-ului. a unui val suficient de mic pentru ca nava să ia din nou poziția normală – jos cu chila. Există multe cazuri când iahturile au făcut o viraj completă de 360 ​​° și și-au păstrat navigabilitatea.

Comparând stabilitatea unui iaht cu chilă și a unui dinghy, se poate observa că rolul principal în crearea unui moment de restaurare pentru un dinghy îl joacă stabilitate forma, în timp ce iahtul cu chilă - stabilitatea greutatii. Prin urmare, există o diferență atât de vizibilă în contururile carenei lor: canotele au carcase largi, cu L/B= 2,6-3,2, cu un chine de rază mică și o plinătate mare a liniei de plutire. Într-o măsură și mai mare, forma carenei determină stabilitatea catamaranelor, în care deplasarea volumetrică este împărțită în mod egal între cele două carene. Chiar și cu un călcâi ușor, deplasarea dintre carene este redistribuită brusc, crescând forța de flotabilitate a carenei scufundate în apă (Fig. 6). Când cealaltă carenă părăsește apa (cu o listă de 8-15°), pârghia de stabilitate atinge valoarea maximă - este puțin mai mică de jumătate din distanța dintre DP-urile carenei. Odată cu o creștere suplimentară a ruliului, catamaranul se comportă ca un dinghy, al cărui echipaj este atârnat pe un trapez. Cu o rulare de 50-60 °, are loc un moment de echilibru instabil, după care stabilitatea catamaranului devine negativă.

Diagrama stabilității statice. Evident, caracteristica deplină a stabilității iahtului poate fi curba schimbării momentului de restabilire. MVîn funcţie de unghiul de călcâi sau de diagrama stabilităţii statice (Fig. 7). Diagrama distinge clar momentele de stabilitate maxima (W) si unghiul limitator de banda la care vasul, fiind lasat singur, se rasturna (3-unghi de apus al diagramei de stabilitate statica).

Cu ajutorul diagramei, căpitanul navei are capacitatea de a evalua, de exemplu, capacitatea iahtului de a transporta una sau alta vânt într-un vânt cu o anumită putere. Pentru a face acest lucru, diagramei de stabilitate se aplică curbe ale modificărilor momentului de înclinare Mkr în funcție de unghiul de înclinare. Punctul B al intersectiei ambelor curbe indica unghiul de inclinare pe care iahtul il va primi sub statica, cu o crestere lina a actiunii vantului. Pe fig. 7 iahtul va primi o listă corespunzătoare punctului D, - aproximativ 29 °. Pentru navele cu ramuri descendente clar definite ale diagramei de stabilitate (Dinghie, compromisuri și catamarane), navigarea poate fi permisă numai la unghiuri de înclinare care nu depășesc punctul maxim din diagrama de stabilitate.

Orez. 7. Diagrama stabilității statice a unui iaht de croazieră și curse

În practică, echipajele de iaht trebuie adesea să se confrunte cu acțiunea dinamică a forțelor externe, în care momentul de înclinare atinge o valoare semnificativă într-o perioadă relativ scurtă de timp. Acest lucru se întâmplă în timpul unui furtun sau al unui val care lovește un pomeți din vânt. În aceste cazuri, nu numai valoarea momentului de înclinare este importantă, ci și energia cinetică transmisă navei și absorbită de munca momentului de restaurare.

Pe diagrama stabilității statice, lucrul ambelor momente poate fi reprezentat ca zone închise între curbele corespunzătoare și ordonate. Condiția de echilibru pentru iaht sub acțiunea dinamică a forțelor externe va fi egalitatea zonelor OABVE (lucrare Mkr) și OBGVE (muncă Mv). Având în vedere că zonele OBVE sunt comune, putem considera egalitatea zonelor OAB și BGV. Pe fig. 7 se poate observa că în cazul acțiunii dinamice a vântului, unghiul de rulare (punctul E, aproximativ 62°) depășește vizibil ruliu de la vânt de aceeași putere în timpul acțiunii sale statice.

Conform diagramei de stabilitate statică, aceasta poate fi determinată calcaie dinamica suprema moment care răstoarnă barca sau pune în pericol siguranța unui iaht cu cabina deschisă. Este evident că acțiunea momentului de restabilire poate fi considerată doar până la unghiul de inundare a cockpitului sau până la punctul de plecare al căderii în diagrama de stabilitate statică.

Este în general acceptat că iahturile cu chilă echipate cu balast greu sunt practic incapabile. Cu toate acestea, în cursa Fastnet deja menționată din 1979, 77 de iahturi s-au răsturnat la un unghi de călcâi de peste 90 °, iar unele dintre ele au rămas la plutire cu chila ridicată pentru ceva timp (de la 30 de secunde la 5 minute) și mai multe iahturi. apoi s-a ridicat în poziţie normală printr-o altă scândură. Cea mai gravă pagubă a fost pierderea catargelor (pe 12 iahturi), căderea bateriilor, a sobelor grele de bucătărie și a altor echipamente din cuiburile lor. Pătrunderea apei în clădiri a dus și la consecințe nedorite. Acest lucru s-a întâmplat sub influența dinamică a unui val abrupt de 9-10 metri, al cărui profil s-a rupt brusc la deplasarea de la ocean la Marea Irlandei de mică adâncime, cu o viteză a vântului de 25-30 m/s.

Factori care afectează stabilitatea laterală. Astfel, putem trage anumite concluzii despre influența diferitelor elemente ale designului iahtului asupra stabilității acestuia. La unghiuri mici de călcare, lățimea iahtului și factorul de suprafață a liniei de plutire joacă un rol major în crearea momentului de restaurare. Cu cât iahtul este mai lat și cu cât linia de plutire este mai plină, cu atât mai departe de DP CV-ul se schimbă atunci când vasul se rostogolește, cu atât mai mare este stabilitatea formei umărului. Diagrama stabilității statice a unui iaht destul de lat are o ramură ascendentă mai abruptă decât una îngustă - până la = 60-80°.

Cu cât centrul de greutate al iahtului este mai jos, cu atât este mai stabil, iar influența pescajului adânc și a balastului mare afectează aproape întreaga diagramă a stabilității iahtului. Când modernizați un iaht, este util să vă amintiți o regulă simplă: fiecare kilogram sub linia de plutire îmbunătățește stabilitatea, iar fiecare kilogram deasupra liniei de plutire o înrăutățește. Spatele grele și tachelajul sunt deosebit de vizibile pentru stabilitate.

Cu aceeași locație a centrului de greutate, un iaht cu bord liber în exces are, de asemenea, o stabilitate mai mare la unghiuri de rulare mai mari de 30-35 °, atunci când puntea începe să intre în apă pe o navă cu o înălțime laterală normală. Un iaht cu laturi înalte are un moment de redresare maxim mare. Această calitate este, de asemenea, inerentă iahturilor cu ruf etanșe de un volum suficient de mare.

O atenție deosebită trebuie acordată influenței apei din cală și a lichidelor din rezervoare. Nu este vorba doar de deplasarea maselor de lichide spre partea cu călcâi; rolul principal îl joacă prezența suprafeței libere a lichidului care se revarsă și anume momentul de inerție al acestuia în jurul axei longitudinale. Dacă, de exemplu, suprafața apei din cală are o lungime / și o lățime b, apoi inaltimea metacentrica scade cu

, m. (9)

Mai ales periculoasă este apa din cală, a cărei suprafață liberă are o lățime mare. Prin urmare, atunci când navigați în condiții de furtună, apa din cală trebuie îndepărtată în timp util.

Pentru a reduce influența suprafeței libere a lichidelor din rezervoare, sunt instalați pereți longitudinali pentru aripi, care sunt împărțiți în mai multe părți de-a lungul lățimii. În pereți se fac găuri pentru curgerea liberă a fluidului.

Stabilitatea laterală și propulsia iahtului. Odată cu o creștere a ruliului peste 10-12 °, rezistența apei la mișcarea iahtului crește semnificativ, ceea ce duce la o pierdere a vitezei. Prin urmare, este important ca atunci când vântul se intensifică, iahtul să poată transporta vântul efectiv mai mult, fără rostogolire excesivă. Adesea, chiar și pe iahturile relativ mari, în timpul curselor, echipajul este situat pe partea de vânt, încercând să reducă ruliu.

Cât de eficient este transferul de marfă (echipaj) pe o parte, este ușor de imaginat prin cea mai simplă formulă, care este valabilă pentru unghiuri mici (în intervalul 0-10 °) de rulare;

, (10)

M o-moment înclinarea iahtului cu 1°;

D- deplasarea iahtului, t;

h- inaltime metacentrica transversala initiala, m

Cunoscând masa încărcăturii care este mutată și distanța noii sale locații față de DP, este posibil să se determine momentul de înclinare și împărțindu-l la lu, obțineți unghiul de înclinare în grade. De exemplu, dacă pe un iaht cu o deplasare de 7 tone la A = 1 m, cinci persoane sunt amplasate în lateral la o distanță de 1,5 m de DP, atunci momentul de înclinare creat de aceștia va da iahtului o rolă de 4,5 ° (sau reduceți rulada pe cealaltă parte aproximativ la fel).

stabilitate longitudinală. Fizica fenomenelor care apar în timpul înclinărilor longitudinale ale iahtului este similară cu fenomenele din timpul rulării, dar înălțimea metacentrică longitudinală este comparabilă ca mărime cu lungimea iahtului. Prin urmare, înclinațiile longitudinale, tăiate, sunt de obicei mici și sunt măsurate nu în grade, ci prin modificări ale pescajului înainte și înapoi. Și totuși, dacă toate capacitățile sale sunt stoarse din iaht, nu se poate decât să se ia în calcul acțiunea forțelor care taie iahtul pe prova și mută centrul de mărime înainte (vezi Fig. 4). Acest lucru poate fi contracarat prin mutarea echipajului pe puntea de la pupa.

Forțele de tăiere pe nas ating cea mai mare valoare atunci când înot în spatele spatelui; pe acest traseu, mai ales în cazul vântului puternic, echipajul ar trebui să fie deplasat cât mai departe spre pupa. Pe un curs apropiat, momentul de tăiere este mic și cel mai bine este ca echipajul să fie situat lângă mijlocul navei, înclinând nava. Pe jibe, momentul de tăiere este mai mic decât pe spatele spatelui, mai ales dacă iahtul poartă un spinnaker și un blooper pentru a oferi o susținere.

La catamarane, valoarea înălțimii metacentrice longitudinale este comparabilă cu cea transversală, uneori mai mică. Așadar, acțiunea momentului de tăiere, aproape imperceptibilă pe un iaht cu chilă, poate răsturna un catamaran de aceleași dimensiuni principale.

Statisticile accidentelor indică cazuri de răsturnare prin prova pe cursele de trecere ale catamaranelor de croazieră cu forță mare.

1.7. rezistenta la deriva

Forța transversală Fd (vezi fig. 4) nu numai că rostogolește iahtul, ci provoacă deriva laterală. sag. Puterea derivei depinde de cursul iahtului în raport cu vânt. Când navighează în apropiere, forța de împingere este de trei ori cea care conduce iahtul înainte; pe vântul din golf, ambele forțe sunt aproximativ egale într-un spate abrupt (vântul adevărat este de aproximativ 135 ° față de cursul iahtului), forța motrice se dovedește a fi de 2-3 ori mai mare decât forța de derivă, iar pe o șuviță pură , forța de deriva este complet absentă. Prin urmare, pentru ca o navă să avanseze cu succes pe un curs de la remorcat la vânt din golf, trebuie să aibă suficientă rezistență laterală la derivă, mult mai mare decât rezistența apei la mișcarea iahtului de-a lungul cursului.

Funcția de a crea o forță de rezistență la derivă în iahturile moderne este îndeplinită în principal de plăcile centrale, chilele cu aripioare și cârmele.

După cum am spus deja, o condiție indispensabilă pentru apariția unei forțe de rezistență la deriva este mișcarea iahtului la un unghi mic față de DP - unghiul de deriva. Să luăm în considerare ce se întâmplă în acest caz în fluxul de apă direct la chilă, care este o aripă cu o secțiune transversală sub forma unei folii aerodinamice simetrice subțiri (Fig. 8).

Dacă nu există unghi de deriva (Fig. 8, a), atunci curgerea apei, întâlnindu-se cu profilul chilei în punctul A, este împărțit în două părți. În acest punct, numit punct critic, viteza curgerii este egală cu O, presiunea maximă este egală cu înălțimea vitezei, unde r este densitatea masei apei (pentru apă dulce); v- viteza iahtului (m/s). Atât părțile superioare, cât și inferioare ale fluxului curg simultan în jurul suprafețelor profilului și se întâlnesc din nou în punctul respectiv b pe marginea de ieșire. Este evident că asupra profilului nu poate apărea nicio forță direcționată peste flux; va actiona o singura forta de rezistenta la frecare, datorita vascozitatii apei.

Dacă profilul este deviat de un anumit unghi de atac A(în cazul chilei unui iaht - unghiul de derivă), atunci modelul de curgere în jurul profilului se va schimba (Fig. 8, b). Punct critic A se va muta în partea de jos a „nasului” profilului. Calea pe care o particulă de apă trebuie să o parcurgă de-a lungul suprafeței superioare a profilului se va prelungi și punctul b 1 unde, în funcție de condițiile de continuitate a fluxului, particulele care curg în jurul suprafețelor superioare și inferioare ale profilului ar fi trebuit să se întâlnească, după ce au trecut pe o cale egală, se dovedește a fi pe suprafața superioară. Cu toate acestea, la rotunjirea marginii ascuțite de ieșire a profilului, partea inferioară a fluxului se rupe de margine sub forma unui vârtej (Fig. 8, c și d). Acest vârtej, numit vârtej de pornire, se rotește în sens invers acelor de ceasornic și face ca apa să circule în jurul profilului în direcția opusă, adică în sensul acelor de ceasornic (Fig. 8, e). Acest fenomen, cauzat de forțele vâscoase, este analog cu rotația unei roți dințate mari (circulație) care se angrenează cu un angrenaj de antrenare mic (vortex de pornire).

După ce are loc circulația, vortexul de pornire se desprinde din marginea de ieșire, punctul b 2 se deplasează mai aproape de această margine, drept urmare nu mai există o diferență în vitezele cu care aripa părăsește părțile superioare și inferioare ale fluxului. Circulația în jurul aripii devine cauza forței de ridicare Y direcționată peste flux: la suprafața superioară a aripii, viteza particulelor de apă crește datorită circulației, în partea inferioară, întâlnirea cu particulele implicate în circulație, aceasta incetineste. În consecință, în apropierea suprafeței superioare, presiunea scade în comparație cu presiunea din fluxul din fața aripii, iar lângă suprafața inferioară, crește. Diferența de presiune dă portare Y.

În plus, o forță va acționa asupra profilului parbriz(profil) rezistenţă X, care rezultă din frecarea apei pe suprafața profilului și presiunea hidrodinamică pe partea frontală a acestuia.

Pe fig. Figura 9 prezintă rezultatele măsurării presiunii în apropierea suprafeței unui profil simetric realizat într-un tunel de vânt. Valoarea coeficientului este trasată de-a lungul axei ordonatelor Cu p, care este raportul dintre suprapresiune (presiunea totală minus presiunea atmosferică) și viteza înălțimii. Pe partea superioară a profilului, presiunea este negativă (vid), pe partea inferioară este pozitivă. Astfel, forța de ridicare care acționează asupra oricărui element al profilului aerodinamic este suma forțelor de presiune și rarefacție care acționează asupra acestuia și, în general, este proporțională cu aria cuprinsă între curbele de distribuție a presiunii de-a lungul coardei profilului aerodinamic (umbrită în Fig. 9).

Datele prezentate în fig. 9 ne permit să tragem o serie de concluzii importante despre funcționarea chilei iahtului. În primul rând, rarefacția care are loc pe suprafața aripioarei din partea laterală a vântului joacă rolul principal în crearea forței laterale. În al doilea rând, vârful de rarefacție este situat lângă marginea de față a chilei. În consecință, punctul de aplicare al forței de ridicare rezultată este situat pe treimea din față a coardei aripioarelor. În general, forța de ridicare crește până la un unghi de atac de 15-18 °, după care scade brusc.

Datorită formării de vârtejuri pe partea de rarefacție, curgerea lină în jurul aripii este perturbată, rarefacția scade și curgerea se blochează (acest fenomen este discutat mai detaliat în capitolul 2 pentru vele). Concomitent cu creșterea unghiului de atac, rezistența frontală crește; atinge un maxim la a=90°.

Cantitatea de derivă a unui iaht modern depășește rar 5 °, așa că nu este nevoie să vă temeți de o stagnare din chilă. Cu toate acestea, unghiul critic de atac trebuie luat în considerare pentru cârmele de iaht, care sunt, de asemenea, proiectate și operate conform principiului aripii.

Luați în considerare principalii parametri ai chilelor de iaht, care au un impact semnificativ asupra eficienței lor în crearea unei forțe de rezistență la deriva. În egală măsură, ceea ce urmează se poate extinde și la cârme, având în vedere că acestea funcționează cu un unghi de atac mult mai mare.

Grosimea și forma secțiunii transversale a chilei. Testele profilurilor aerodinamice simetrice au arătat că profilurile aerodinamice mai groase (cu un raport de grosime a secțiunii mai mare t la coarda lui b) da un mare lift. Rezistenta lor frontala este mai mare decat a profilelor cu o grosime relativa mai mica. Rezultate optime pot fi obținute cu t/b= 0,09-0,12. Mărimea forței de ridicare pe astfel de profile depinde relativ puțin de viteza iahtului, astfel încât chilele dezvoltă suficientă rezistență la deriva chiar și în vânt ușor.

Poziția grosimii maxime a profilului de-a lungul lungimii coardei are un efect semnificativ asupra valorii forței de rezistență la deriva. Cele mai eficiente sunt profilele, în care grosimea maximă este situată la o distanță de 40-50% din coarda de „nasul” acestora. Pentru cârmele de iaht care funcționează la unghiuri mari de atac, profile cu grosime maxima, situat ceva mai aproape de marginea anterioară - până la 30% din coardă.

O anumită influență asupra eficienței chilei este exercitată de forma „nasului” profilului - raza de rotunjire a marginii de intrare. Dacă muchia este prea ascuțită, atunci fluxul de pe chilă primește o accelerație mare aici și rupe profilul sub formă de vârtejuri.

În acest caz, are loc o scădere a ridicării, care este deosebit de semnificativă la unghiuri mari de atac. Prin urmare, o astfel de ascuțire a marginii de intrare este inacceptabilă pentru cârme.

Extensie aerodinamică. La capetele aripii, apa curge din zona de înaltă presiune spre spatele profilului aerodinamic. Ca urmare, vortexurile se desprind de la capetele aripii, formând două benzi de vortex. O parte destul de semnificativă a energiei este cheltuită pentru întreținerea lor, formând așa-numitele rezistență inductivă.În plus, datorită egalizării presiunilor la capetele aripii, are loc o scădere locală a portanței, așa cum se arată în diagrama distribuției sale pe lungimea aripii din Fig. zece.

Cu cât lungimea aripii este mai mică Lîn raport cu acordul său b, adică cu cât alungirea sa este mai mică Livre, cu cât pierderea portanței este relativ mai mare și cu atât rezistența inductivă este mai mare. În aerodinamică, se obișnuiește să se evalueze raportul de aspect al aripii conform formulei

(unde 5 este zona aripii), care poate fi aplicată aripilor și aripioarelor de orice formă. Cu o formă dreptunghiulară, alungirea aerodinamică este egală cu raportul; pentru aripa delta l = 2 lb.

Pe fig. 10 prezintă o aripă compusă din două chile de înotătoare trapezoidale. Pe un iaht, chila este atașată cu o bază largă la fund, astfel încât să nu existe revărsare de apă pe partea de rarefiere și, sub influența carcasei de presiune, se nivelează pe ambele suprafețe. Fără această influență, alungirea aerodinamică ar putea fi considerată de două ori mai mare decât raportul dintre adâncimea chilei și pescajul acesteia. În practică, acest raport, care depinde de dimensiunea chilei, de contururile iahtului și de unghiul de călcâie, este depășit doar de 1,2-1,3 ori.

Influența alungirii aerodinamice a chilei asupra mărimii forței de rezistență la deriva dezvoltată de aceasta R e poate fi estimată din rezultatele testelor unei aripioare având un profil NACA 009 (t/b\u003d 9%) și o suprafață de 0,37 m 2 (Fig. 11). Debitul corespundea vitezei iahtului de 3 noduri (1,5 m/s). Interesantă este modificarea forței de rezistență la derivă la un unghi de atac de 4-6 °, care corespunde unghiului de deriva al iahtului pe un curs remorcat. Dacă iei forța R d cu alungire l \u003d 1 pe unitate (6,8 cu a- \u003d 5 °), apoi cu o creștere de l la 2, rezistența la deriva crește de mai mult de 1,5 ori (10,4 kg), iar cu l \u003d 3 - exact de două ori (13,6 kg). Același grafic poate fi folosit pentru o evaluare calitativă a eficienței cârmelor cu diferite raporturi de aspect, care operează în zona unghiurilor mari de atac.

Astfel, prin creșterea alungirii aripioarei chilei, se poate obține valoarea necesară a forței laterale. R d cu o suprafață mai mică a chilei și, în consecință, cu o suprafață umedă mai mică și rezistență la apă la mișcarea iahtului. Prelungirea chilelor pe iahturile moderne de croazieră și curse este în medie de l = 1-3. Palatul cârmei, care servește nu numai la conducerea navei, ci este și un element integral în crearea rezistenței iahtului, are o alungire și mai mare, apropiindu-se de l. = 4.

Zona și forma chilei. Cel mai adesea, dimensiunile chilei sunt determinate de date statistice, comparând iahtul proiectat cu nave bine dovedite. Pe iahturile moderne de croazieră și curse cu o cârmă separată de chilă, suprafața totală a chilei și a cârmei este de la 4,5 până la 6,5% din suprafața velei iahtului, iar zona cârmei este de 20-40% din chilă. zonă.

Pentru a obține un raport optim de aspect, designerul de iaht se străduiește să adopte pescajul maxim permis de condițiile de navigare sau regulile de măsurare. Cel mai adesea, chila are forma unui trapez cu marginea anterioară înclinată. Studiile au arătat că pentru chilele de iaht cu o alungire de la 1 la 3, unghiul dintre muchia anterioară și verticală în intervalul de la -8° la 22,5° practic nu afectează caracteristicile hidrodinamice ale chilei. Dacă chila (sau placa centrală) este foarte îngustă și lungă, atunci panta marginii frontale de mai mult de 15 ° față de verticală este însoțită de o abatere a liniilor de curgere a apei în jos pe profil - spre colțul din spate inferior. Ca urmare, forța de ridicare scade și rezistența chilei crește. În acest caz, unghiul optim de înclinare este de 5° față de verticală.

Mărimea forței de ridicare dezvoltată de chilă și cârmă este afectată în mod semnificativ de calitatea finisajului suprafeței acesteia, în special de marginea anterioară, unde se formează un flux în jurul profilului. Prin urmare, se recomandă lustruirea chilei și cârmei la o distanță de cel puțin 1,5% din coarda profilului.

Viteza iahtului. Forța de susținere pe orice aripă este determinată de formula:

(11)

Сy - coeficientul de portanță, care depinde de parametrii formei profilului aripii, alungirea, contururile din plan, precum și de unghiul de atac - crește odată cu creșterea unghiului de atac;

r-- densitatea masei apei, ;

V- viteza fluxului în jurul aripii, m/s;

S- suprafata aripii, m 2.

Astfel, forța de rezistență la deriva este o variabilă proporțională cu pătratul vitezei. În momentul inițial al mișcării iahtului, de exemplu, după întoarcerea virajei, când nava își pierde viteza sau când se îndepărtează de braț în aval vântului, forța de ridicare a chilei este mică. A forta Y a egalat forța derivei F D , chila ar trebui să fie amplasată la fluxul care se apropie la un unghi mare de atac. Cu alte cuvinte, nava începe să se miște cu un unghi mare de derivă. Pe măsură ce viteza crește, unghiul de deriva scade până când atinge valoarea sa normală - 3-5 °.

Această împrejurare trebuie să fie luată în considerare de către comandant, oferind suficient spațiu pentru a fi sub vent atunci când iahtul accelerează sau după virarea la o nouă viraje. Trebuie folosit un unghi inițial mare de deriva pentru a câștiga viteză cât mai curând posibil, ușurând ușor foile. Apropo, datorită acestui fapt, forța de deriva pe pânze este redusă.

De asemenea, este necesar să ne amintim mecanica forței de creștere, care apare pe chilă abia după separarea vortexului de pornire și dezvoltarea unei circulații stabile. Pe chila îngustă a unui iaht modern, circulația are loc mai rapid decât pe carena unui iaht cu cârmă montată pe chilă, adică pe o aripă cu o coardă mare. Al doilea iaht va deriva mai mult în vânt înainte ca carena să împiedice efectiv deriva.

Controlabilitate

Gestionabilitate numită calitatea navei, permițându-i să urmeze un curs dat sau să schimbe direcția. Doar o barcă poate fi considerată manevrabilă dacă răspunde corespunzător la cârmă.

Manipularea combină două proprietăți ale unei nave - stabilitatea cursului și agilitatea.

Stabilitatea cursului- aceasta este capacitatea iahtului de a menține o anumită direcție rectilinie a mișcării atunci când asupra lui acţionează diverse forțe externe: vânt, valuri etc. Stabilitatea pe traseu depinde nu numai de caracteristicile de proiectare ale iahtului și de natura acțiunii de forţe exterioare, dar şi de reacţia cârmaciului la abaterea de la curs a vasului, instinctele sale de cârmă.

Să ne întoarcem din nou la schema acțiunii forțelor externe asupra pânzelor și a corpului iahtului (vezi Fig. 4). De o importanță decisivă pentru stabilitatea iahtului pe traseu este poziția relativă a celor două perechi de forțe. forța de călcâi F d și forța de rezistență la deriva R q tind să încline prova iahtului în vânt, în timp ce a doua pereche de tracțiune T si rezistenta la miscare R aduce iahtul în vânt. Este evident că reacția iahtului depinde de raportul dintre mărimea forțelor luate în considerare și umerii Ași b, asupra cărora acţionează. Cu o creștere a unghiului călcâiului, umărul perechii conducătoare b crește de asemenea. Umărul unui cuplu respectuos A depinde de poziția relativă a centrului pânzei (CP) - punctul de aplicare a forțelor aerodinamice rezultate la pânze și a centrului de rezistență laterală (CRS) - punctul de aplicare a forțelor hidrodinamice rezultate la carena iaht. Poziția acestor puncte variază în funcție de mulți factori: cursul iahtului în raport cu vânt, forma și setarea pânzelor, ruliu și trim al iahtului, forma și profilul chilei și cârmei etc.

Prin urmare, la proiectarea și reechiparea iahturilor, acestea funcționează cu CPU și CLS condiționate, considerându-le situate în centrele de greutate ale figurilor plate, care sunt pânze așezate în planul diametral al iahtului și contururile subacvatice ale DP cu un chilă, aripioare și o cârmă (Fig. 12).

Se știe că centrul de greutate al unei pânze triunghiulare este situat la intersecția a două mediane, iar centrul de greutate comun al celor două pânze este situat pe segmentul de linie dreaptă care conectează CPU-ul ambelor pânze și împarte aceasta. segment invers proporțional cu aria lor. De obicei, nu se ia în considerare suprafața reală a velei, ci aria măsurată a triunghiului velei din față.

Poziția CBS poate fi determinată prin echilibrarea profilului părții subacvatice a DP, decupată din carton subțire, pe vârful acului. Când șablonul este strict orizontal, acul se află în punctul condiționat al CBS. Amintiți-vă că în crearea forței de rezistență la deriva, rolul principal revine chilei și cârmei. Centrele de presiune hidrodinamică pe profilele lor pot fi găsite destul de precis, de exemplu, pentru profile cu o grosime relativă t/b aproximativ 8% acest punct este aproximativ 26% din coarda de la marginea anterioară. Cu toate acestea, carena iahtului, deși participă într-o mică măsură la crearea unei forțe laterale, face anumite schimbări în natura curgerii în jurul chilei și cârmei și se modifică în funcție de unghiul de călcâi și de așezare, precum şi viteza iahtului. În cele mai multe cazuri, pe un curs apropiat, adevăratul CLS avansează.

Designerii, de regulă, plasează procesorul la o anumită distanță (în avans) înaintea CBS. De obicei, plumbul este stabilit ca procent din lungimea vasului de-a lungul liniei de plutire și este de 15-18% pentru un sloop din Bermude. L sql.

Dacă adevăratul CP este situat prea departe în fața CLS, iahtul se va îndepărta în aval de vânt pe un curs remorcat, iar cârmacul va trebui să țină constant cârma deviată în vânt. Dacă CPU este în spatele CBS, atunci iahtul tinde să conducă la vânt; este necesară cârma constantă pentru a ține nava în frâu.

Mai ales neplăcută este tendința iahtului de a suporta. În cazul unui accident cu cârma, nu este posibilă aducerea iahtului într-un curs remorcat doar cu ajutorul pânzelor, în plus, are o derivă crescută. Faptul este că chila iahtului deviază fluxul de apă care curge din el mai aproape de DP-ul navei. Prin urmare, dacă cârma este dreaptă, aceasta funcționează cu un unghi de atac vizibil mai mic decât chila. În cazul în care cârma este deviată spre partea de vânt, atunci forța de ridicare formată pe ea se dovedește a fi îndreptată către partea sub vânt, în aceeași direcție ca forța de deriva pe pânze. În acest caz, chila și cârma sunt „trase” în direcții diferite, iar iahtul este instabil pe cursă.

Un alt lucru este tendința ușoară a iahtului de a fi condus. Cârma deplasată la un unghi mic (3-4°) față de vânt funcționează cu același unghi de atac sau puțin mai mare ca și chila și participă eficient la rezistența la deriva. Forța transversală care apare pe cârmă determină o deplasare semnificativă a CLS-ului general către pupa, în timp ce unghiul de derivă scade, iahtul se află în mod constant pe cursă.

Cu toate acestea, dacă pe o cursă apropiată cârma trebuie deplasată în mod constant față de vânt cu mai mult de 3-4 °, ar trebui să vă gândiți la ajustarea poziției relative a CLS și CPU. Pe un iaht deja construit, acest lucru este mai ușor de făcut prin mișcarea procesorului înainte, punând catargul în pas la extrem pozitia nazala sau înclinați-l înainte.

Motivul aducerii iahtului poate fi, de asemenea, vela mare - prea „cu burtă” sau cu un flutura trasă înapoi. În acest caz, este utilă o ședere intermediară, cu ajutorul căreia puteți da catargului din partea de mijloc (în înălțime) o deviere înainte și, prin urmare, puteți aplatiza vela, precum și să slăbiți lipitoarea. De asemenea, puteți scurta lungimea lipitorii pânzei mari.

Este mai dificil să mutați CBS în pupa, pentru care trebuie să instalați o aripioară de pupa în fața cârmei sau să creșteți aria lamei cârmei.

Am spus deja că odată cu creșterea ruliului crește și tendința de mișcare a iahtului. Acest lucru se întâmplă nu numai din cauza creșterii umărului perechii de forțe motrice - Tși R. Cu o rulare, presiunea hidrodinamică în regiunea undei de prova crește, ceea ce duce la o deplasare înainte a CBS. Prin urmare, pe un vânt proaspăt, pentru a reduce tendința iahtului de a fi adus înainte, procesorul ar trebui să fie deplasat și înainte: luați un recif pe vela mare sau regravați-l ușor pentru un curs dat. De asemenea, este utilă schimbarea velei de șosea într-o zonă mai mică, ceea ce reduce lista și trim-ul iahtului pe prova.

Designer cu experiență atunci când alegeți suma avansului A de obicei ia în considerare stabilitatea iahtului pentru a compensa creșterea momentului de conducere la declinare: pentru un iaht cu stabilitate mai mică se stabilește o valoare mare de plumb, pentru navele mai stabile, avansul este considerat minim.

Iahturile bine centrate au deseori o viată crescută pe spate, atunci când vela mare ridicată la bord tinde să întoarcă iahtul înainte spre vânt. Acest lucru este ajutat și de un val înalt care curge de la pupa într-un unghi față de DP. Pentru a menține iahtul pe curs, trebuie să munciți din greu cu cârma, deviând-o într-un unghi critic, atunci când fluxul este posibil să se blocheze de la suprafața sub vent (de obicei, acest lucru se întâmplă la unghiuri de atac de 15-20 °). Acest fenomen este însoțit de o pierdere a portanței pe cârmă și deci a direcției iahtului. Iahtul se poate arunca brusc în vânt și poate obține o listă mare, în timp ce din cauza scăderii adâncimii lamei cârmei spre partea de rarefiere, aerul poate pătrunde de la suprafața apei.

Lupta împotriva acestui fenomen, numită broşă, forțează să mărească aria lamei cârmei și alungirea acesteia, să instaleze o aripioară în fața cârmei, zona care este de aproximativ un sfert din suprafața penei. Datorită prezenței unei aripioare în fața cârmei, se organizează un flux direcționat de apă, se măresc unghiurile critice de atac ale cârmei, se previne pătrunderea aerului către aceasta și se reduce forța asupra timonei. Când navighează în spate, echipajul trebuie să se străduiască să se asigure că împingerea spinnakerului este îndreptată cât mai mult înainte posibil, și nu în lateral, pentru a evita rostogolirea excesivă. De asemenea, este important să preveniți apariția unui ornament pe nas, care poate reduce adâncimea volanului. Broșarea este facilitată și de rostogolirea iahtului, care apare ca urmare a unor întreruperi în fluxul de aer din spinnaker.

Stabilitatea pe traseu, pe lângă influența considerată a forțelor externe și poziția relativă a punctelor lor de aplicare, este determinată de configurația părții subacvatice a DP. Anterior, pentru călătoriile pe distanțe lungi în apă deschisă, se prefera iahturile cu o linie lungă de chilă, deoarece aveau o rezistență mai mare la viraj și, în consecință, stabilitate pe traseu. Cu toate acestea, acest tip de vas are dezavantaje semnificative, cum ar fi o suprafață mare umedă și agilitate slabă. În plus, s-a dovedit că stabilitatea pe cursă depinde nu atât de mărimea proiecției laterale a DP, cât de poziția cârmei în raport cu CLS, adică de „pârghia” pe care cârma funcționează. Se observă că dacă această distanță este mai mică de 25% L kwl , apoi iahtul devine zgomotos și reacționează prost la devierea cârmei. La l=40-45% L kvl (vezi Fig. 12) menținerea vasului pe un curs dat nu este dificilă.

Agilitate- capacitatea navei de a schimba direcția și de a descrie traiectoria sub influența cârmei și a pânzelor. Acțiunea cârmei se bazează pe același principiu hidrodinamic al aripii care a fost luat în considerare pentru chila iahtului. Când cârma este deplasată la un anumit unghi, apare o forță hidrodinamică R, una dintre componentele căreia Nîmpinge pupa iahtului în direcția opusă celei în care este amplasată cârma (fig. 13). Sub acțiunea sa, nava începe să se miște pe o traiectorie curbă. În același timp, puterea R dă componentului Q - forța de tracțiune care încetinește cursul iahtului.

Dacă fixați cârma într-o singură poziție, atunci nava va merge aproximativ într-un cerc numit circulație. Diametrul sau raza de circulație este o măsură a agilității navei: cu cât raza de circulație este mai mare, cu atât agilitatea este mai slabă. Doar centrul de greutate al iahtului se deplasează de-a lungul circulației, pupa este efectuată. În același timp, nava primește o derivă cauzată de forța centrifugă și parțial de forță N pe cârmă.

Raza de circulație depinde de viteza și masa iahtului, de momentul său de inerție față de axa verticală care trece prin CG, de eficiența volanului - mărimea forței Nși umărul acestuia în raport cu CG pentru o deviere dată a cârmei. Cu cât viteza și deplasarea iahtului este mai mare, cu atât mai multe mase grele (motor, ancore, piese de echipamente) sunt plasate la capetele navei, cu atât raza de circulație este mai mare. De obicei, raza de circulație, determinată în probele pe mare ale iahtului, este exprimată în lungimi de carenă.

Agilitatea este cu atât mai bună, cu cât partea subacvatică a navei este mai scurtă și cu atât este mai aproape de mijlocul navei zona sa principală concentrată. De exemplu, navele cu o linie de chilă lungă (cum ar fi bărcile navale) au o agilitate slabă și, dimpotrivă, pumnale bune cu pumnale înguste și adânci.

Eficacitatea cârmei depinde de suprafața și forma penei, profilul secțiunii transversale, raportul de aspect aerodinamic, tipul de instalare (pe pupa, separat de chilă sau pe aripioară), precum și distanța stocului de la CBS. Cele mai răspândite cârme sunt proiectate sub forma unei aripi cu profil aerodinamic în secțiune transversală. Grosimea maximă a profilului este de obicei luată în intervalul 10-12% din coardă și este situată la 1/3 din coardă de marginea anterioară. Zona cârmei este de obicei 9,5-11% din suprafața părții scufundate a DP a iahtului.

O cârmă cu un raport de aspect ridicat (raportul dintre pătratul adâncimii cârmei și aria sa) dezvoltă o forță laterală mare la unghiuri mici de atac, datorită căreia participă eficient la furnizarea unei forțe de rezistență la deriva laterală. Totuși, așa cum se arată în fig. 11, la anumite unghiuri de atac ale profilelor de alungire diferită, curgerea se separă de suprafața de rarefacție, după care forța de ridicare a profilului scade semnificativ. De exemplu, când l= 6 unghiul critic al cârmei este de 15°; la l=2- 30°. Ca compromis se folosesc ghidonele cu extensie. l = 4-5 (raportul de aspect al unei cârme dreptunghiulare este de 2-2,5), iar pentru a crește unghiul critic al deplasării, în fața cârmei este instalat un fin-skeg. O cârmă cu o alungire mare răspunde mai rapid la deplasare, deoarece circulația fluxului, care determină forța de ridicare, se dezvoltă mai repede în jurul unui profil cu o coardă mică decât în ​​jurul întregii părți subacvatice a carenei cu o cârmă montată pe stâlpul pupa.

Marginea superioară a cârmei trebuie să se potrivească perfect pe corp în limitele abaterilor de funcționare de ± 30 ° pentru a preveni curgerea apei prin ea; în caz contrar, eficiența cârmei este degradată. Uneori, pe șina cârmei, dacă este atârnată pe traversă, o șaibă aerodinamică este fixată sub forma unei plăci late lângă linia de plutire.

Ceea ce s-a spus despre forma chilelor se aplică și cârmelor: o formă trapezoidală cu marginea inferioară dreptunghiulară sau ușor rotunjită este considerată optimă. Pentru a reduce efortul asupra motocultorului, volanul este uneori realizat de tip echilibrat - cu o axă de rotație situată la 1 / 4-1 / 5 din coardă din „nasul” profilului.

Când conduceți un iaht, este necesar să țineți cont de specificul funcționării cârmei în diferite condiții și, mai ales, de standul din spate. Nu faceți schimbări bruște ale cârmei la bord la începutul virajului - va exista o blocare, forță laterală N pe volan va cădea, dar forța de rezistență va crește rapid R. Iahtul va intra in circulatie incet si cu o mare pierdere de viteza. Este necesar să începeți virajul prin deplasarea cârmei la un unghi mic, dar de îndată ce pupa se rostogolește spre exterior și unghiul de atac al cârmei începe să scadă, aceasta ar trebui să fie deplasată la un unghi mai mare în raport cu DP-ul iahtului.

Trebuie amintit că forța laterală asupra cârmei crește rapid odată cu creșterea vitezei bărcii. Într-un vânt slab este inutil să încercați să întoarceți rapid iahtul prin deplasarea cârmei la un unghi mare (apropo, valoarea unghiului critic depinde de viteză: la o viteză mai mică, separarea curgerii are loc la unghiuri mai mici. de atac).

Rezistența cârmei la schimbarea cursului iahtului, în funcție de forma, designul și locația acestuia, variază de la 10 la 40% din rezistența totală a iahtului. Prin urmare, tehnica, controlul direcției (și centrarea iahtului, de care stabilitatea depinde de curs) trebuie luate foarte în serios, pentru a nu permite devierea volanului la un unghi mai mare decât este necesar.

Propulsie

Posibilitate de mers pe jos numită capacitatea iahtului de a dezvolta o anumită viteză cu utilizarea eficientă a energiei eoliene.

Viteza pe care o poate dezvolta un iaht depinde în primul rând de viteza vântului, deoarece toate forțele aerodinamice acționează asupra pânzelor. inclusiv forța de împingere, crește proporțional cu pătratul vitezei aparente a vântului. În plus, depinde și de raportul putere-greutate al navei - raportul dintre suprafața velei și dimensiunile sale. Ca o caracteristică a raportului putere-greutate, raportul este cel mai des folosit S" 1/2 /V 1/3(unde S este aria velei, m 2; V- deplasarea totală, m 3) sau S/W (aici W este suprafața umedă a carenei, inclusiv chila și cârma).

Forța de tracțiune și, prin urmare, viteza iahtului, este, de asemenea, determinată de capacitatea instalației de navigare de a dezvolta o tracțiune suficientă pe diferite cursuri în raport cu direcția vântului.

Factorii enumerați se referă la pânzele de propulsie ale iahtului, care transformă energia eoliană în propulsie. T. După cum se arată în fig. 4, această forță cu mișcare uniformă a iahtului trebuie să fie egală și opusă forței de rezistență la mișcare R. Acesta din urmă este o proiecție a rezultantei tuturor forțelor hidrodinamice care acționează pe suprafața umedă a carenei pe direcția de mișcare.

Există două tipuri de forțe hidrodinamice: forțele de presiune direcționate perpendicular pe suprafața corpului și forțele vâscoase care acționează tangențial la această suprafață. Forța vâscoasă rezultată dă forța rezistenta la frecare.

Forțele de presiune se datorează formării valurilor pe suprafața apei în timpul deplasării iahtului, astfel încât rezultanta lor dă forța rezistența la val.

Cu o curbură mare a suprafeței carenei în partea din spate, stratul limită se poate desprinde de pe piele, se pot forma vârtejuri care absorb o parte din energia forței motrice. Deci, există o altă componentă a rezistenței la mișcarea iahtului - rezistență la formă.

Încă două tipuri de rezistență apar datorită faptului că iahtul nu se mișcă drept de-a lungul DP, ci cu un anumit unghi de deriva și rostogolire. Aceasta este inductiv și elicoidal rezistenţă. O pondere semnificativă în rezistența inductivă este ocupată de rezistența părților proeminente - chila și cârma.

În sfârșit, mișcarea iahtului înainte este rezistată și de aerul care spală carena, echipajul, dezvoltarea sistemului de cabluri de tachelaj și vela. Această parte a rezistenței se numește aer.

Rezistenta la frecare. Când iahtul se mișcă, particulele de apă direct adiacente placajului carenei par să se lipească de acesta și sunt transportate împreună cu vasul. Viteza acestor particule în raport cu corpul este zero (Fig. 14). Următorul strat de particule, alunecând de-a lungul primului, este deja ușor în spatele punctelor corespunzătoare ale carenei, iar la o anumită distanță de carenă, apa rămâne în general staționară sau are o viteză relativă a carenei egală cu viteza de iahtul v. Acest strat de apă, în care acționează forțele vâscoase, iar viteza de mișcare a particulelor de apă față de carenă crește de la 0 la viteza navei, se numește strat limită. Grosimea sa este relativ mică și variază de la 1 la 2% din lungimea carenei de-a lungul liniei de plutire, cu toate acestea, natura sau modul de mișcare a particulelor de apă din ea are un impact semnificativ asupra valorii rezistenței la frecare.

S-a stabilit că modul de mișcare al particulelor variază în funcție de viteza vasului și de lungimea suprafeței sale umede. În hidrodinamică, această dependență este exprimată prin numărul Reynolds:

n este coeficientul de vâscozitate cinematică a apei (pentru apa dulce n= 1,15-10 -6 m 2 /s);

L- lungimea suprafeței umede, m;

v- viteza iahtului, m/s.

Cu un număr relativ mic Re = 10 6, particulele de apă din stratul limită se mișcă în straturi, formând laminare curgere. Energia sa nu este suficientă pentru a depăși forțele vâscoase care împiedică mișcarea transversală a particulelor. Cea mai mare diferență de viteză între straturile de particule este direct la suprafața carcasei; în consecință, forțele de frecare au cea mai mare valoare aici.

Numărul Reynolds din stratul limită crește pe măsură ce particulele de apă se îndepărtează de tulpină (cu creșterea lungimii umede). Cu o viteză de 2 m/s, de exemplu, deja la o distanță de aproximativ 2 m de el Re atinge o valoare critică la care regimul de curgere în stratul limită devine vortex, adică turbulent și direcționat peste stratul limită. Datorită schimbului de energie cinetică între straturi, viteza particulelor de lângă suprafața corpului crește într-o măsură mai mare decât în ​​fluxul laminar. Diferența de viteză dv crește aici, iar rezistența la frecare crește în consecință. Datorită mișcărilor transversale ale particulelor de apă, grosimea stratului limită crește, iar rezistența la frecare crește brusc.

Regimul de curgere laminar acoperă doar o mică parte din carena iahtului în prova și doar la viteze mici. Valoare critica Re, la care are loc un flux turbulent în jurul corpului, se află în intervalul 5-10 5-6-10 6 și depinde în mare măsură de forma și netezimea suprafeței sale. Pe măsură ce viteza crește, punctul de tranziție al stratului limită laminar în cel turbulent se deplasează spre nas și cu o viteză suficient de mare poate veni un moment în care întreaga suprafață umedă a carenei va fi acoperită de un flux turbulent. Adevărat, direct lângă piele, unde viteza curgerii este aproape de zero, se păstrează încă cel mai subțire film cu regim laminar - un substrat laminar.

Rezistența la frecare se calculează cu formula:

(13)

R tr - rezistenta la frecare, kg;

ztr - coeficient de rezistență la frecare;

r este densitatea masei apei;

pentru apa dulce:

v- viteza iahtului, m/s;

Suprafață umedă în W, m 2.

Coeficientul de rezistență la frecare este o valoare variabilă în funcție de natura curgerii în stratul limită, lungimea corpului L kvl viteza v și rugozitatea suprafeței carcasei.

Pe fig. 15 arată dependența coeficientului de rezistență la frecare ztr de număr Reși rugozitatea suprafeței. Creșterea rezistenței unei suprafețe rugoase față de una netedă poate fi explicată cu ușurință prin prezența unui substrat laminar în stratul limită turbulent. Dacă denivelările de pe suprafață sunt complet scufundate în substratul laminar, atunci ele nu introduc modificări semnificative în natura fluxului laminar al substratului. Dacă neregularitățile depășesc grosimea substratului și ies deasupra acestuia, atunci apare turbulență în mișcarea particulelor de apă pe întreaga grosime a stratului limită, iar coeficientul de frecare crește în consecință.

Orez. 15 ne permite să apreciem importanța finisării fundului iahtului pentru a reduce rezistența la frecare a acestuia. De exemplu, dacă un iaht cu o lungime de 7,5 m de-a lungul liniei de plutire se deplasează cu o viteză v= 6 noduri (3,1 m/s), apoi numărul corespunzător

Să presupunem că partea de jos a iahtului are o rugozitate (înălțimea medie a neregulilor) k== 0,2 mm, care corespunde rugozității relative

L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4 . Pentru o rugozitate și un număr dat R e coeficientul de frecare este z tr = 0,0038 (punctul G).

Să estimăm dacă este posibil în acest caz să obținem o suprafață de fund care este aproape netedă din punct de vedere tehnic. La R e = 2-10 7 o astfel de suprafaţă corespunde rugozităţii relative L/k= 3 10 5 sau rugozitate absolută k\u003d 7500 / 3 10 5 \u003d 0,025 mm. Experiența arată că acest lucru se poate realiza prin șlefuirea cu atenție a fundului cu șmirghel fin și apoi lăcuirea acestuia. Efortul va da roade? Graficul arată că coeficientul de rezistență la frecare va scădea până la z tr = 0,0028 (punctul D), sau cu 30%, ceea ce, desigur, nu poate fi neglijat de echipajul care mizează pe succes în curse.

Linia B vă permite să estimați rugozitatea admisibilă a fundului pentru iahturi de diferite dimensiuni și viteze diferite. Se poate observa că odată cu creșterea lungimii și vitezei liniei de plutire, cerințele pentru calitatea suprafeței cresc.

Pentru orientare, prezentăm valorile rugozității (în mm) pentru diferite suprafețe:

lemn, lăcuit și lustruit cu grijă - 0,003-0,005;

lemn, vopsit și lustruit - 0,02-0,03;

vopsit cu o acoperire proprie - 0,04-0,C6;

lemn, vopsit cu plumb roșu - 0,15;

placă obișnuită - 0,5;

fund acoperit cu scoici - până la 4,0.

Am spus deja că pentru o parte din lungimea iahtului, începând de la tulpină, se poate păstra un strat limită laminar, cu excepția cazului în care o rugozitate excesivă contribuie la turbulența curgerii. Prin urmare, este deosebit de important să manipulați cu atenție prova carenei, toate marginile de intrare ale chilei, aripioarele și cârmele. Cu dimensiuni transversale mici - coardele, întreaga suprafață a chilei și a cârmei ar trebui să fie șlefuită. În partea din spate a carenei, unde grosimea stratului limită crește, cerințele pentru finisarea suprafeței pot fi oarecum reduse.

Murdărirea fundului cu alge și cochilii se reflectă în mod deosebit în rezistența la frecare. Dacă nu curățați periodic fundul iahturilor care se află în mod constant în apă, atunci după două sau trei luni rezistența la frecare poate crește cu 50-80%, ceea ce echivalează cu o pierdere a vitezei în vântul mediu cu 15-25. %.

Rezistenta la forma. Chiar și într-o carenă bine raționalizată, în mișcare, poți găsi un wake-jet în care apa face mișcări vortex. Aceasta este o consecință a separării stratului limită de corp la un anumit punct (B în Fig. 14). Poziția punctului depinde de natura modificării curburii suprafeței de-a lungul lungimii carenei. Cu cât contururile capătului de la pupa sunt mai netede, cu atât mai departe de pupa are loc separarea stratului limită și cu atât se formează mai puțin vârtej.

La raporturile normale dintre lungimea corpului și lățimea, rezistența formei este mică. Creșterea acestuia se poate datora prezenței pomeților ascuțiți, contururilor rupte ale corpului, chilelor profilate incorect, cârmele și alte părți proeminente. Rezistența formei crește odată cu scăderea lungimii zonei, a stratului limită laminar, prin urmare, este necesar să îndepărtați dungile de vopsea, să reduceți rugozitatea, să închideți adânciturile din piele, să puneți carenări pe țevile proeminente etc.

rezistența la val. Apariția valurilor în apropierea carenei navei în timpul mișcării acesteia este cauzată de acțiunea forțelor gravitaționale ale lichidului la interfața dintre apă și aer. La capătul din față, în punctul în care carena se întâlnește cu apa, presiunea crește brusc, iar apa se ridică la o anumită înălțime. Mai aproape de mijlocul navei, unde din cauza expansiunii carenei navei, viteza debitului crește, presiunea din acesta, conform legii lui Bernoulli, scade și nivelul apei scade. În pupa, unde presiunea crește din nou, se formează un al doilea vârf de val. Particulele de apă încep să oscileze lângă carenă, ceea ce provoacă oscilații secundare ale suprafeței apei.

Apare un sistem complex de valuri de prua și pupa, care prin natura sa este același pentru navele de orice dimensiune (Fig. 16). La viteză mică, undele divergente care provin din prova și pupa navei sunt clar vizibile. Crestele lor sunt situate la un unghi de 36-40° față de planul diametral. La viteze mai mari, se disting unde transversale, ale căror creste nu depășesc secta / era, limitate de un unghi de 18-20 ° față de DP-ul navei. Sistemele de prova și pupa ale valurilor transversale interacționează între ele, ceea ce poate duce atât la creșterea înălțimii valului total din spatele pupei navei, cât și la scăderea acesteia. Pe măsură ce te îndepărtezi de navă, energia valurilor este absorbită de mediu și se estompează treptat.

Mărimea rezistenței valurilor variază în funcție de viteza iahtului. Din teoria oscilațiilor se știe că viteza de propagare a undelor este legată de lungimea acestora l raport

Unde p = 3,14; v- viteza iahtului, m/s; g \u003d 9,81 m / s 2 - accelerația gravitației.

Deoarece sistemul de valuri se mișcă împreună cu iahtul, viteza de propagare a undelor este egală cu viteza iahtului.

Dacă vorbim, de exemplu, despre un iaht cu o lungime a liniei de plutire de 8 m, atunci la o viteză de 4 noduri, aproximativ trei valuri transversale vor fi amplasate pe lungimea carenei, la o viteză de 6 noduri - unul și o jumatate. Relația dintre lungimea undei transversale X, creată de lungimea corpului Lkvl! deplasându-se cu viteză v, determină în mare măsură mărimea rezistenței undei.

Cursuri de vânt. Iahturile și bărcile cu pânze moderne sunt în cele mai multe cazuri echipate cu oblic pânze. Trăsătura lor distinctivă este aceea că partea principală a velei sau toată ea este situată în spatele catargului sau al șoferului. Datorită faptului că marginea anterioară a pânzei este întinsă de-a lungul catargului (sau însăși), pânza curge în jurul fluxului de aer fără clătire atunci când este situată într-un unghi destul de ascuțit față de vânt. Datorită acestui lucru (și cu contururile adecvate ale carenei), nava dobândește capacitatea de a se deplasa la un unghi ascuțit față de direcția vântului.

Pe fig. 190 arată poziţia ambarcaţiunii cu pânze pe diferite cursuri faţă de vânt. O barcă cu pânze obișnuită nu poate merge direct împotriva vântului - în acest caz, vela nu creează o forță de tracțiune care poate depăși rezistența apei și a aerului. Cele mai bune iahturi de curse cu vânt mediu pot naviga la un unghi de 35-40° față de direcția vântului; de obicei, acest unghi nu este mai mic de 45°. Prin urmare, la o țintă situată direct împotriva vântului, barca cu pânze este forțată să ajungă viraj- viraj alternativ dreapta și stânga. Se numește unghiul dintre cursele navei pe ambele viraje unghi de aderență, și poziția navei cu prova direct în vânt - leventik. Capacitatea unei nave de a vira și de a se deplasa cu viteză maximă într-o direcție directă în vânt este una dintre principalele calități ale unei ambarcațiuni cu pânze.

Cursurile de la vânt apropiat la vânt din golf când vântul este la 90° față de DP-ul navei sunt numite ascuțit; de la gulfwind la jibe (vânt care sufla direct în pupa) - complet. Distinge abrupt(curs peste vânt 90-135°) și deplin(135-180°) spate, precum și vânt remorcat (respectiv 40-60° și 60-80° față de vânt).

Orez. 190. Cursurile unei nave cu pânze în raport cu vântul.

1 - vânt lateral abrupt; 2 - transport complet; 3 - vânt din golf; 4 - spatele spatelui; 5 - sâmbătă; 6 - leventik.

Vânt fanion. Fluxul de aer care curge în jurul pânzelor iahtului nu se potrivește cu direcția vânt adevărat(față de pământ). Dacă nava se mișcă, apare un contra-flux de aer, a cărui viteză este egală cu viteza navei. În prezența vântului, direcția acestuia față de navă este deviată într-un anumit fel din cauza fluxului de aer care se apropie; se schimba si viteza. Astfel, fluxul total, numit vânt de fanion. Direcția și viteza acestuia pot fi obținute prin adăugarea vectorilor vântului adevărat și ai curgerii care se apropie (Fig. 191).

Orez. 191. Vânt aparent la diferite cursuri ale iahtului în raport cu vântul.

1 - vânt rău; 2 - vânt din golf; 3 - spatele spatelui; 4 - ciugulă.

v- viteza iahtului; vși - viteza vântului reală; vîn - viteza vântului fanionului.

În mod evident, pe cursul remorcat, viteza vântului fanionului are cea mai mare valoare, iar pe jibe - cea mai mică, deoarece în acest ultim caz vitezele ambelor fluxuri sunt direcționate în direcții direct opuse.

Pânzele de pe iaht sunt întotdeauna puse, concentrându-se pe direcția vântului fanionului. Rețineți că viteza iahtului nu crește direct proporțional cu viteza vântului, ci mult mai încet. Prin urmare, atunci când vântul crește, unghiul dintre direcția vântului adevărat și aparent scade, iar la un vânt slab, viteza și direcția vântului aparent diferă mai vizibil de cea adevărată.

Deoarece forțele care acționează asupra pânzei ca pe o aripă cresc proporțional cu pătratul vitezei fluxului în jur, bărcile cu pânze cu rezistență minimă la mișcare pot experimenta „auto-accelerare”, în care viteza lor depășește viteza vântului. Aceste tipuri de barci cu pânze includ iahturi de gheață - bărci cu gheață, iahturi cu hidrofoil, iahturi cu roți (pe plajă) și proa - nave înguste cu o singură cocă, cu un flotor cu stabilizator. Unele dintre aceste tipuri de nave au înregistrat viteze de până la trei ori viteza vântului. Astfel, recordul nostru național de viteză pe geamandură este de 140 km/h și a fost stabilit într-o viteză a vântului care nu a depășit 50 km/h. În treacăt, observăm că recordul absolut de viteză la navigație pe apă este semnificativ mai scăzut: a fost stabilit în 1981 pe un catamaran cu două catarge special construit Crossbau-II și este egal cu 67,3 km/h.

Navele cu pânze obișnuite, dacă nu sunt proiectate pentru planare, depășesc în cazuri rare limita de viteză pentru navigație cu deplasare, egală cu v = 5,6 √L km/h (vezi capitolul I).

Forțele care acționează asupra unei nave cu pânze. Există o diferență fundamentală între sistemul de forțe externe care acționează asupra unei nave cu vele și o navă condusă de un motor mecanic. Pe o navă cu motor, forța elicei - o elice sau un jet de apă - și forța de rezistență la apă la mișcarea acesteia acționează în partea subacvatică, situată în plan diametral și la o mică distanță verticală una de cealaltă.

Pe o barcă cu pânze, forța motrice este aplicată sus deasupra suprafeței apei și, prin urmare, deasupra liniei de acțiune a forței de tracțiune. Dacă nava se mișcă la un unghi față de direcția vântului - într-un vânt rău, atunci pânzele sale funcționează pe principiul unei aripi aerodinamice, discutat în capitolul II. Când pânza curge în jurul pânzei cu un curent de aer, se creează un vid pe partea sa sub vânt (convexă) și se creează o presiune crescută pe partea spre vânt. Suma acestor presiuni poate fi redusă la forța aerodinamică rezultată A(vezi Fig. 192), îndreptat aproximativ perpendicular pe coarda profilului pânzei și aplicat în centrul pânzei (CPU) deasupra suprafeței apei.

Orez. 192. Forțe care acționează asupra carenei și pânzei.

Conform celei de-a treia legi a mecanicii, cu o mișcare constantă a unui corp în linie dreaptă, fiecare forță aplicată corpului (în acest caz, velelor conectate la carena iahtului prin catarg, tachelaj în picioare și foi) trebuie să fie contracarată de o forță egală și direcționată opus. Pe o barcă cu pânze, această forță este forța hidrodinamică rezultată H aplicat pe partea subacvatică a carenei (Fig. 192). Deci între forțe Ași H există o distanță cunoscută - un umăr, în urma căruia se formează un moment al unei perechi de forțe, având tendința de a roti nava în jurul unei axe orientate într-un anumit mod în spațiu.

Pentru a simplifica fenomenele care apar în timpul deplasării navelor cu pânze, forțele hidro- și aerodinamice și momentele lor sunt descompuse în componente paralele cu axele de coordonate principale. Ghidați de a treia lege a lui Newton, putem scrie în perechi toate componentele acestor forțe și momente:

A	- forta rezultanta aerodinamica;
T	- forța pânzelor care trage nava înainte:
D	- forța de înclinare sau forța de deriva;
A v	- forță verticală (tuns pe nas);
P	- forța de masă (deplasarea) vasului;
M d	- momentul de tundere;
M kr	- moment de călcâie;
M P	- momentul care duce la vânt;
H	- forta rezultata hidrodinamica;
R	- forța de rezistență la apă la mișcarea vasului;
R d	- forța laterală sau forța de rezistență la deriva;
H v	- forta hidrodinamica verticala;
γ· V	- forta de flotabilitate;
M l	- momentul de rezistenta la trim;
Mîn	- momentul de restabilire;
M la	- un moment umilitor.

Pentru ca nava să viraze constant pe cursul său, fiecare pereche de forțe și fiecare pereche de momente trebuie să fie egale între ele. De exemplu, forța de deriva Dși forța de rezistență la deriva R d crea un moment de tăgăduire M cr, care trebuie echilibrat de un moment restaurator Mîn sau moment de stabilitate laterală. Acest moment se formează datorită acțiunii forțelor de masă Pși flotabilitatea navei γ V acţionând asupra umărului l. Aceleași forțe formează momentul rezistenței la tăiere sau momentul stabilității longitudinale M l, egală ca mărime și opusă momentului de tăiere M e. Termenii acestora din urmă sunt momentele perechilor de forţe T - Rși A v - H v .

Astfel, mișcarea unei nave cu pânze într-un curs oblic față de vânt este asociată cu rostogolirea și tăierea și forța laterală. D, pe lângă rostogolire, provoacă și deriva - deriva laterală, prin urmare, orice navă cu vele nu se deplasează strict în direcția DP, ca o navă cu motor mecanic, ci cu un unghi mic de deriva β. Coca unei bărci cu pânze, chila și cârma acesteia devin o hidrofoilă, care este atacată de un flux de apă care se apropie la un unghi de atac egal cu unghiul de derivă. Această circumstanță este cea care provoacă formarea unei forțe de rezistență la deriva pe chila iahtului. R d, care este o componentă a forței de ridicare.

Stabilitatea mișcării și centrarea unei nave cu pânze. Datorită călcâiului, forței de tracțiune a pânzelor T si forta de rezistenta R par să opereze în diferite planuri verticale. Ele formează o pereche de forțe care aduc nava în vânt - eliminând-o din cursul drept pe care îl urmează. Acest lucru este împiedicat de momentul celei de-a doua perechi de forțe - călcâiarea Dși forțele de rezistență la deriva R d, precum și o forță mică N pe cârmă, care trebuie aplicată pentru a corecta mișcarea iahtului pe traseu.

Evident, reacția vasului la acțiunea tuturor acestor forțe depinde atât de mărimea acestora, cât și de raportul umerilor. Ași b asupra cărora acţionează. Cu o creștere a ruliui, umărul perechii conducătoare b crește, de asemenea, și valoarea efectului de levier al perechii finale A depinde de poziția relativă centru velei(CP - puncte de aplicare a forțelor aerodinamice rezultate asupra pânzelor) și centru de rezistenţă laterală(CBS - puncte de aplicare a forțelor hidrodinamice rezultate pe corpul iahtului).

Determinarea precisă a poziției acestor puncte este o sarcină destul de dificilă, mai ales având în vedere că variază în funcție de mulți factori: cursul navei în raport cu vânt, tăierea și reglarea pânzelor, ruliu și trim al iahtului, forma și profilul chilei și cârmei etc.

La proiectarea și reechiparea iahturilor, acestea funcționează cu CPU și CBS condiționate, considerându-le situate în centrele de greutate ale figurilor plate, care sunt pânze așezate în DP și contururile părții subacvatice a DP cu o chilă, aripioare și o cârmă (Fig. 193). Centrul de greutate al unei pânze triunghiulare, de exemplu, este situat la intersecția a două mediane, iar centrul de greutate comun al celor două pânze este situat pe o linie dreaptă care leagă CPU-urile ambelor pânze și împarte acest segment invers. proporţional cu suprafaţa lor. Dacă vela are o formă patruunghiulară, atunci aria sa este împărțită de o diagonală în două triunghiuri și se obține CPU-ul ca centru comun al acestor triunghiuri.

Orez. 193. Determinarea centrului condiționat de navigare a iahtului.

Poziția CBS poate fi determinată prin echilibrarea șablonului profilului subacvatic al DP, decupat din carton subțire, pe vârful acului. Când șablonul este orizontal, acul va fi în punctul CBS condiționat. Cu toate acestea, această metodă este mai mult sau mai puțin aplicabilă navelor cu o suprafață mare a părții subacvatice a DP - pentru iahturile de tip tradițional cu o linie lungă de chilă, bărci de nave etc. Pe iahturile moderne, ale căror contururi sunt proiectat pe baza teoriei aripilor, rolul principal în crearea derivei forței de rezistență este jucat de o chilă cu aripioare și o cârmă, instalate de obicei separat de chilă. Centrele de presiune hidrodinamică de pe profilele lor pot fi găsite destul de precis. De exemplu, pentru profile cu o grosime relativă δ/ b aproximativ 8% acest punct este aproximativ 26% din acord b de la marginea anterioară.

Cu toate acestea, carena iahtului afectează într-un anumit fel natura curgerii în jurul chilei și cârmei, iar această influență variază în funcție de ruliu, trim și viteza navei. În cele mai multe cazuri, pe cursuri ascuțite spre vânt, adevăratul CLS se deplasează înainte în raport cu centrul de presiune definit pentru chilă și cârmă ca și pentru profilele izolate. Din cauza incertitudinii în calculul poziției CPU și CBS, proiectanții, atunci când dezvoltă un proiect pentru nave cu pânze, au CPU la o anumită distanță. A- înaintând - înaintea CBS. Cuantumul avansului este determinat statistic, dintr-o comparație cu iahturi bine stabilite, care au contururi apropiate de proiect ale părții subacvatice, stabilitate și echipament de navigație. Avansul este de obicei stabilit ca un procent din lungimea navei de-a lungul liniei de plutire și pentru o navă echipată cu un sloop Bermuda, 15-18% L. Cu cât stabilitatea iahtului este mai mică, cu atât va primi ruliu mai mare sub influența vântului și cu atât este mai mare nevoia de plumb al procesorului în fața CBS.

Ajustarea precisă a poziției relative a CPU și CLS este posibilă atunci când testați iahtul în mișcare. Dacă nava tinde să suporte în aval, în special în vânt mediu și proaspăt, atunci acesta este un defect mare de centrare. Faptul este că chila deviază fluxul de apă care curge din ea mai aproape de DP-ul navei. Prin urmare, dacă cârma este dreaptă, atunci profilul său funcționează cu un unghi de atac vizibil mai mic decât chila. Dacă, pentru a compensa tendința iahtului de a se deplasa, cârma trebuie deplasată spre vânt, atunci forța de susținere formată pe ea se dovedește a fi îndreptată spre partea sub vânt - în aceeași direcție ca și deriva. forta D pe pânze. În consecință, nava va avea deriva crescută.

Un alt lucru este tendința ușoară a iahtului de a fi condus. Cârma deplasată cu 3-4° spre partea sub vânt funcționează cu același unghi de atac sau puțin mai mare ca și chila și participă eficient la rezistența la deriva. Forta bruta H, care se ridică pe cârmă, determină o deplasare semnificativă a CLS totală către pupă, reducând în același timp unghiul de deriva. Cu toate acestea, dacă pentru a menține iahtul pe un curs de vânt rău, trebuie să mutați constant cârma spre partea sub vânt la un unghi mai mare de 2-3 °, trebuie să mutați CPU înainte sau să mutați CLS înapoi, ceea ce este mai dificil.

Pe un iaht construit, puteți deplasa CPU înainte prin înclinarea catargului înainte, deplasându-l înainte (dacă designul treptei permite), scurtând vela mare de-a lungul velului, mărind aria velului principal. Pentru a muta CLS înapoi, trebuie să instalați o aripă în fața volanului sau să măriți dimensiunea lamei cârmei.

Pentru a elimina tendința iahtului de a se deplasa, este necesar să se aplice măsuri opuse: mutați CPU înapoi sau mutați CLS-ul înainte.

Rolul componentelor forței aerodinamice în crearea forței și a derivei. Teoria modernă a muncii unei vele înclinate se bazează pe prevederile aerodinamicii aripii, ale căror elemente au fost luate în considerare în capitolul II. Când vela, plasată la un unghi de atac α față de vântul fanionului, curge în jurul velei, se creează o forță aerodinamică asupra acesteia A, care poate fi reprezentat ca două componente: forța de ridicare Y, direcționat perpendicular pe fluxul de aer (vântul fanionului) și tragere X- proiecții de forță A pe direcția fluxului de aer. Aceste forțe sunt utilizate atunci când se iau în considerare caracteristicile velei și ale întregului instalație de navigație în ansamblu.

Forța simultan A poate fi reprezentat sub forma altor două componente: forţa de împingere T, îndreptată de-a lungul axei de mișcare a iahtului și forța de deriva perpendiculară pe aceasta D. Amintiți-vă că direcția de mișcare a unei bărci cu pânze (sau cale) diferă de cursul său prin valoarea unghiului de deriva β, dar acest unghi poate fi neglijat în analize ulterioare.

Dacă pe un curs de vânt rău, este posibil să creșteți portanța pe vela la o valoare Y 1, iar rezistența frontală rămâne neschimbată, apoi forțele Y 1 și X, adăugate conform regulii de adunare vectorială, formează o nouă forță aerodinamică A 1 (Fig. 194, A). Având în vedere noile sale componente T 1 și D 1, se poate observa că în acest caz, odată cu creșterea forței de ridicare, cresc atât forța de împingere, cât și forța de deriva.

Orez. 194. Rolul liftului și tragerii în crearea unei forțe motrice.

Cu o construcție similară, se poate observa că, odată cu creșterea rezistenței pe un curs remorcat, forța de tracțiune scade, iar forța de derivă crește. Astfel, atunci când navighează în vânt apropiat, forța de ridicare a pânzei joacă un rol decisiv în crearea împingerii pânzelor; rezistența frontală ar trebui să fie minimă.

Rețineți că pe cursul remorcat, vântul fanionului are cea mai mare viteză, deci ambele componente ale forței aerodinamice Yși X sunt suficient de mari.

Pe cursul Gulfwind (Fig. 194, b) forța de ridicare este forța de împingere, iar forța de tracțiune este forța de deriva. O creștere a rezistenței pânzei nu afectează mărimea forței de împingere: crește doar forța de deriva. Cu toate acestea, deoarece viteza vântului fanionului în vântul din golf este redusă în comparație cu vântul remorcat, deriva afectează performanța de conducere a navei într-o măsură mai mică.

Pe traseul spatelui (Fig. 194, în) vela funcționează la unghiuri mari de atac, la care forța de ridicare este mult mai mică decât rezistența. Dacă creșteți rezistența, atunci forța de tracțiune și de deriva vor crește și ele. Odată cu creșterea forței de ridicare, forța crește, iar forța de derivă scade (Fig. 194, G). În consecință, pe traseul spatelui, o creștere atât a portanței, cât și (sau) rezistenței crește tracțiunea.

Pe o șansă, unghiul de atac al pânzei este aproape de 90°, deci forța de ridicare a velei este zero, iar rezistența este îndreptată de-a lungul axei mișcării navei și este forța de împingere. Forța de deriva este zero. Prin urmare, pe un curs de șobare, pentru a crește forța pânzelor, este de dorit să se mărească rezistența lor. Pe iahturile de curse, acest lucru se face prin stabilirea unor pânze suplimentare - un spinnaker și un blooper, care au o suprafață mare și o formă slab raționalizată. De remarcat că pe traseul de jibe, pânzele iahtului sunt afectate de vântul fanion de viteză minimă, care provoacă forțe relativ moderate asupra pânzelor.

rezistenta la deriva. După cum se arată mai sus, puterea derivei depinde de cursul iahtului în raport cu vânt. Când navighează în apropiere, este de aproximativ trei ori mai mare decât tracțiunea T, deplasarea navei înainte; pe un vânt din golf ambele forțe sunt aproximativ egale; pe un spate abrupt, tracțiunea pânzei este de 2-3 ori mai mare decât forța de derivă, iar pe un tigaie curată, forța de deriva este deloc absentă. Prin urmare, pentru ca o barca cu pânze să avanseze cu succes pe trasee de la remorcat la vânt din golf (la un unghi de 40-90 ° față de vânt), trebuie să aibă suficientă rezistență laterală la derivă, mult mai mare decât rezistența apei la mișcare. a iahtului de-a lungul cursului.

Funcția de a crea o forță de rezistență la derivă pe navele moderne cu pânze este îndeplinită în principal de chilele cu aripioare sau tablele centrale și cârmele. Mecanica apariției portanței pe o aripă cu profil simetric, care sunt chile, frigărui și cârme, a fost analizată în capitolul II (vezi p. 67). Trebuie remarcat faptul că valoarea unghiului de deriva al iahturilor moderne - unghiul de atac al profilului chilei sau al bordului central - rareori depășește 5 °, prin urmare, atunci când proiectați o chilă sau o placă centrală, este necesar să alegeți dimensiunile optime, forma acesteia. si profil in sectiune transversala pentru a obtine o forta de ridicare maxima cu o tragere minima, si anume la unghiuri mici de atac.

Testele profilurilor aerodinamice simetrice au arătat că profilurile aerodinamice mai groase (cu un raport de grosime a secțiunii mai mare t la coarda lui b) dau mai multă ridicare decât cele subțiri. Cu toate acestea, la viteze mici, astfel de profile au o rezistență mai mare. Rezultate optime pe iahturile cu vele pot fi obținute cu o grosime a chilei t/b= 0,09÷0,12, deoarece forța de ridicare pe astfel de profile depinde puțin de viteza navei.

Grosimea maximă a profilului ar trebui să fie situată la o distanță de 30 până la 40% din coardă de marginea anterioară a profilului chilei. Calitati bune are si profilul NACA 664-0 cu grosimea maxima situata la o distanta de 50% din coarda fata de nas (Fig. 195).

Orez. 195. Inotatoare profilată a iahtului.

Coordonate ale profilurilor de secțiune recomandate pentru chile de iaht și pumnale

	distanta fata de nas X, % b
	2,5	5	10	20	30	40
	ordonate y, % b
NACA-66; 5 = 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
Profil; grosimea relativă δ	distanta fata de nas X, % b
	50	60	70	80	90	100
	ordonate y, % b
NACA-66; 5 = 0,05	4,41	3,80	3,05	2,19	1,21	0,11
Profil pentru pumnale; 5=0,04	3,88	3,34	2,68	1,92	1,06	0,10
Chila iahtului NACA 664-0; 5 = 0,12	12,00	10,94	8,35	4,99	2,59	0

Pentru barele ușoare de curse, capabile să planeze și să atingă viteze mari, se folosesc pumnale și cârme cu profil mai subțire ( t/b= 0,044÷0,05) și alungirea geometrică (raportul de adâncire d la coarda din mijloc b miercuri) până la 4.

Alungirea chilelor iahturilor moderne cu chilă este de la 1 la 3, cârmele - până la 4. Cel mai adesea, chila are forma unui trapez cu marginea anterioară înclinată, iar unghiul de înclinare are un anumit efect asupra cantitatea de susținere și rezistență a chilei. Cu o prelungire a chilei de aproximativ λ = 0,6, poate fi permisă o înclinare a muchiei anterioare de până la 50°; la λ = 1 - aproximativ 20°; cu λ > 1,5, chila cu marginea anterioară verticală este optimă.

Suprafața totală a chilei și a cârmei pentru o contracarare eficientă la derivă este de obicei egală cu 1/25 până la 1/17 din suprafața pânzelor principale.

Vânturile care sunt în partea de sud Oceanul Pacific sufla înăuntru spre vest. De aceea traseul nostru a fost întocmit astfel încât pe iahtul cu vele „Juliet” să ne deplasăm de la est la vest, adică să bată vântul în spate.

Cu toate acestea, dacă vă uitați la traseul nostru, veți observa că de multe ori, de exemplu, când ne deplasăm de la sud la nord de la Samoa la Tokelau, a trebuit să ne deplasăm perpendicular pe vânt. Și uneori direcția vântului se schimba complet și trebuia să mergi împotriva vântului.

traseul Julietei

Ce să faci în acest caz?

Navele cu pânze au putut de mult să navigheze împotriva vântului. Clasicul Yakov Perelman a scris despre asta multă vreme bine și simplu în a doua sa carte din seria Entertaining Physics. Această piesă o citez aici textual cu poze.

„Navigare împotriva vântului

Este greu de imaginat cum navele cu pânze pot merge „împotriva vântului” – sau, după spusele marinarilor, merg „haulate”. Adevărat, un marinar vă va spune că nu puteți naviga direct în vânt, dar vă puteți deplasa doar într-un unghi ascuțit față de direcția vântului. Dar acest unghi este mic - aproximativ un sfert de unghi drept - și pare, poate, la fel de neînțeles: dacă să navighezi direct împotriva vântului sau la un unghi de 22 ° față de el.

De fapt, totuși, acest lucru nu este indiferent și acum vom explica cum este posibil să te deplasezi către el într-un unghi ușor prin forța vântului. Să luăm în considerare mai întâi cum acționează vântul asupra pânzei în general, adică unde împinge pânza atunci când suflă pe ea. Probabil crezi că vântul împinge întotdeauna vela în direcția în care bate. Dar nu este așa: oriunde bate vântul, împinge vela perpendicular pe planul velei. Într-adevăr: lăsați vântul să bată în direcția indicată de săgețile din figura de mai jos; linia AB reprezintă vela.

Vântul împinge vela întotdeauna în unghi drept față de planul său.

Deoarece vântul împinge uniform pe întreaga suprafață a velei, înlocuim presiunea vântului cu forța R aplicată la mijlocul velei. Descompunem această forță în două: forța Q, perpendiculară pe vela și forța P, îndreptată de-a lungul acesteia (vezi figura de mai sus, din dreapta). Ultima forță împinge vela nicăieri, deoarece frecarea vântului pe pânză este neglijabilă. Rămâne o forță Q care împinge vela în unghi drept față de ea.

Știind acest lucru, putem înțelege cu ușurință cum o navă cu pânze poate merge într-un unghi ascuțit în vânt. Fie ca linia KK să reprezinte linia chilei navei.

Cum poți naviga împotriva vântului.

Vântul bate într-un unghi ascuțit față de această linie în direcția indicată de rândul de săgeți. Linia AB reprezintă vela; este plasat astfel încât planul său să traverseze unghiul dintre direcția chilei și direcția vântului. Urmați diagrama pentru distribuția forțelor. Reprezentăm presiunea vântului asupra velei prin forța Q, care, știm, ar trebui să fie perpendiculară pe vela. Descompunem această forță în două: forța R, perpendiculară pe chilă și forța S, îndreptată înainte de-a lungul liniei chilei a navei. Deoarece mișcarea navei în direcția R întâmpină o rezistență puternică la apă (chila navelor cu vele este foarte adâncă), forța R este aproape complet echilibrată de rezistența la apă. Rămâne doar forța S, care, după cum vezi, este îndreptată înainte și, prin urmare, mișcă nava într-un unghi, parcă spre vânt. [Se poate demonstra că forța S este cea mai mare atunci când planul pânzei traversează unghiul dintre direcțiile chilei și vântului.]. De obicei, această mișcare este efectuată în zig-zag, așa cum se arată în figura de mai jos. În limbajul marinarilor, o astfel de mișcare a vasului se numește „viraj” în sensul restrâns al cuvântului.

Să ne uităm acum la totul directii posibile vânt raportat la cursul bărcii.

O diagramă a cursurilor navei în raport cu vânt, adică unghiul dintre direcția vântului și vectorul de la pupa la prova (curs).

Când vântul bate în față (vânt din cap), pânzele atârnă dintr-o parte în alta și este imposibil să te miști cu vela. Desigur, puteți oricând să coborâți pânzele și să porniți motorul, dar acest lucru nu mai este relevant pentru navigație.

Când vântul bate exact în spate (jibe, vânt în coadă), moleculele de aer dispersate pun presiune pe vela dintr-o parte și barca se mișcă. În acest caz, nava se poate mișca doar mai lent decât viteza vântului. Aici funcționează analogia mersului cu bicicleta în vânt - vântul bate în spate și este mai ușor să pedalezi.

Când se deplasează împotriva vântului (tras), vela se mișcă nu din cauza presiunii moleculelor de aer pe velă din spate, ca în cazul unui jibe, ci datorită forței de ridicare care se creează datorită vitezelor diferite ale aerului pe ambele. laturi de-a lungul pânzei. În același timp, din cauza chilei, barca nu se deplasează într-o direcție perpendiculară pe cursul ambarcațiunii, ci doar înainte. Adică, vela în acest caz nu este o umbrelă, ca în cazul unui vânt rău, ci o aripă de avion.

În timpul trecerilor noastre, am navigat în mare parte cu spate și vânturi din golf la o viteză medie de 7-8 noduri, cu o viteză a vântului de 15 noduri. Uneori mergeam împotriva vântului, pe jumătate de vânt și de aproape. Și când vântul s-a stins, au pornit motorul.

În general, o barcă cu vela care merge împotriva vântului nu este un miracol, ci o realitate.

Cel mai interesant lucru este că bărcile pot merge nu numai împotriva vântului, ci chiar mai repede decât vântul. Acest lucru se întâmplă atunci când barca pleacă în spate, creându-și propriul vânt.