En segelyachts rörelse i vinden bestäms faktiskt av vindens enkla tryck på dess segel, som driver fartyget framåt. Däremot har vindtunnelforskning visat att segling i motvind utsätter seglet för en mer komplex uppsättning krafter.

När den inkommande luften strömmar runt seglets konkava bakre yta minskar lufthastigheten, medan när den strömmar runt seglets konvexa främre yta ökar denna hastighet. Som ett resultat bildas ett område med högt tryck på seglets baksida och ett lågtrycksområde på framsidan. Tryckskillnaden på de två sidorna av seglet skapar en dragkraft (skjutande) som för yachten framåt i en vinkel mot vinden.

En segelyacht som ligger ungefär i rät vinkel mot vinden (i nautisk terminologi är yachten tacklad) rör sig snabbt framåt. Seglet utsätts för dragkrafter och sidokrafter. Om en segelyacht seglar i en spetsig vinkel mot vinden, saktar dess hastighet ner på grund av en minskning av dragkraften och en ökning av sidokraften. Ju mer seglet vänds mot aktern, desto långsammare rör sig yachten framåt, i synnerhet på grund av den stora sidokraften.

En segelyacht kan inte segla direkt i vinden, men den kan röra sig framåt genom att göra en serie korta sicksackrörelser i vinkel mot vinden, så kallade tacks. Om vinden blåser åt vänster sida (1) sägs yachten segla på babordsstag, om det blåser åt styrbord (2) sägs den segla styrbord. För att klara avståndet snabbare försöker seglaren öka båtens hastighet till det yttersta genom att justera seglets position, som visas i bilden nedan till vänster. För att minimera avvikelsen åt sidan från en rak linje rör sig yachten och ändrar kurs från styrbord till babord och vice versa. När yachten ändrar kurs kastas seglet till andra sidan och när dess plan sammanfaller med vindlinjen fladdrar det en tid, d.v.s. är inaktiv (mittbilden under texten). Yachten hamnar i den så kallade döda zonen och tappar fart tills vinden blåser upp seglet igen från motsatt riktning.

Jag tror att många av oss skulle ta chansen att dyka ner i havets avgrund på något slags undervattensfordon, men ändå skulle de flesta föredra en sjöresa på en segelbåt. När det inte fanns några flygplan eller tåg fanns det bara segelbåtar. Utan dem var världen inte vad den var.

Segelbåtar med raka segel förde européer till Amerika. Deras stabila däck och rymliga lastrum bar män och förnödenheter för att bygga den nya världen. Men dessa gamla skepp hade också sina begränsningar. De gick sakta och nästan åt samma håll med vinden. Mycket har förändrats sedan dess. Idag använder de helt andra principer för att kontrollera kraften i vind och vågor. Så om du vill åka en modern, måste du lära dig lite fysik.

Modern segling är inte bara att röra sig med vinden, det är något som verkar på seglet och får det att flyga som en vinge. Och detta osynliga "något" kallas lyft, som forskare kallar sidokraft.

En uppmärksam iakttagare kunde inte låta bli att notera att oavsett åt vilket håll vinden blåser så rör sig segelbåten alltid dit kaptenen vill ha den – även när det blåser motvind. Vad är hemligheten med en sådan fantastisk kombination av envishet och lydnad.

Många människor inser inte ens att ett segel är en vinge, och principen för driften av en vinge och ett segel är densamma. Den är baserad på lyft endast om lyftet av vingen flygplan, med hjälp av motvinden, trycker planet uppåt, sedan riktar det vertikalt placerade seglet segelbåten framåt. För att förklara detta ur vetenskaplig synvinkel är det nödvändigt att gå tillbaka till grunderna – hur ett segel fungerar.

Titta på den simulerade processen som visar hur luften verkar på seglets plan. Här kan du se att luften strömmar under modellen, som har en större böj, böj för att gå runt den. I det här fallet måste flödet påskyndas lite. Som ett resultat uppstår ett område med lågt tryck - detta genererar lyft. Det låga trycket på undersidan drar ner seglet.

Med andra ord, ett område med högt tryck försöker röra sig mot ett område med lågt tryck, vilket sätter press på seglet. En tryckskillnad uppstår som genererar lyft. På grund av seglets form är vindhastigheten på insidan av vindsidan lägre än på läsidan. Ett vakuum bildas på utsidan. Luft bokstavligen sugs in i seglet, vilket skjuter segelyachten framåt.

Faktum är att denna princip är ganska enkel att förstå, ta bara en närmare titt på vilket segelfartyg som helst. Tricket här är att seglet, oavsett hur det är placerat, överför vindenergi till fartyget, och även om det visuellt verkar som att seglet skulle sakta ner yachten, är kraftanvändningscentrum närmare fören på båten. segelbåt, och vindens kraft säkerställer rörelse framåt.

Men det här är en teori, men i praktiken är allt lite annorlunda. Faktum är att en segelyacht inte kan segla mot vinden - den rör sig i en viss vinkel mot den, de så kallade tackarna.

En segelbåt rör sig på grund av kraftbalansen. Seglen fungerar som vingar. Det mesta av lyftet de producerar är riktat i sidled, med endast en liten del framåt. Men hemligheten bakom detta underbara fenomen är det så kallade "osynliga" seglet, som ligger under yachtens botten. Detta är en köl eller, på nautiskt språk, en centerboard. Lyften av centerboarden producerar också lyft, som också riktas huvudsakligen åt sidan. Kölen motstår krängning och den motsatta kraften som verkar på seglet.

Förutom lyftkraften förekommer även en rullning - ett fenomen som är skadligt för framåtrörelsen och farligt för fartygets besättning. Men det är därför besättningen finns på yachten, för att fungera som en levande motvikt till fysikens obönhörliga lagar.

I en modern segelbåt samverkar både kölen och seglet för att driva segelbåten framåt. Men som vilken nybörjare som helst kommer att bekräfta är allt i praktiken mycket mer komplicerat än i teorin. En erfaren seglare vet att minsta förändring i seglets böj gör det möjligt att få mer lyft och kontrollera dess riktning. Genom att ändra seglets böj kontrollerar en skicklig seglare storleken och placeringen av området som producerar lyft. Med en djup böj framåt kan du skapa stort område tryck, men om böjningen är för stor eller luftmolekylernas framkant är för brant, kommer flödet runt dem inte längre att följa kröken. Med andra ord, om föremålet har skarpa hörn, kan flödespartiklarna inte göra en sväng - rörelsens momentum är för starkt, detta fenomen kallas "separerat flöde". Resultatet av denna effekt är att seglet kommer att "svepa" och tappa vinden.

Och här är några fler praktiskt råd användning av vindenergi. Optimal riktning mot vinden (racing close-hauled vind). Sjömän kallar det "segling mot vinden". Den skenbara vinden, som har en hastighet på 17 knop, är märkbart snabbare än den sanna vinden som skapar vågsystemet. Skillnaden i deras riktningar är 12°. Kurs mot skenbar vind - 33°, till sann vind - 45°.

Hittills har vi betraktat effekten av endast två krafter på yachten – flytkraften och viktkraften, förutsatt att den är i jämvikt i vila. Men eftersom yachten använder segel för att röra sig framåt, verkar ett komplext kraftsystem på fartyget. Det visas schematiskt i fig. 4, där det mest typiska fallet med en yacht som rör sig nära drag betraktas.

När ett luftflöde - vinden - strömmar runt seglen skapas en resulterande effekt på dem. aerodynamisk kraft A (se kapitel 2), riktad ungefär vinkelrätt mot seglets yta och applicerad i seglets centrum (CS) högt över vattenytan. Enligt mekanikens tredje lag måste varje kraft som appliceras på kroppen, i detta fall på seglen som är anslutna till yachtens skrov genom masten, stående rigg och ark, under konstant rörelse av en kropp i en rak linje. motverkas av en kraft lika stor och motsatt riktad. På en yacht är detta den resulterande hydrodynamiska kraften H som appliceras på undervattensdelen av skrovet. Mellan dessa krafter finns således en känd distansarm, som ett resultat av vilken ett moment av ett kraftpar bildas.

Både aerodynamiska och hydrodynamiska krafter visar sig inte vara orienterade i ett plan, utan i rymden, därför, när man studerar mekaniken i en yachts rörelse, beaktas projektionerna av dessa krafter på huvudkoordinatplanen. Med tanke på den nämnda Newtons tredje lag, skriver vi ut i par alla komponenterna i den aerodynamiska kraften och de motsvarande hydrodynamiska reaktionerna:

För att yachten ska hålla en stabil kurs måste varje kraftpar och varje par kraftmoment vara lika med varandra. Till exempel skapar drivkraften Fd och drivmotståndskraften Rd ett krängningsmoment Mkr, som måste balanseras av det rätande momentet Mv eller momentet för sidostabilitet. MV bildas på grund av verkan av krafterna från vikt D och flytkraften hos yachten gV som verkar på axeln l. Dessa samma krafter av vikt och flytkraft bildar ögonblicket för motstånd mot trimning eller moment längsgående stabilitet M l, lika stor och motverkar trimningsmomentet Md. Villkoren för den senare är parens ögonblick tvingar T-R och Fv-Nv.

Betydande ändringar görs i det givna diagrammet över krafternas verkan, särskilt på lätta yachter, av besättningen. När besättningen rör sig till lovartsidan eller längs yachtens längd, lutar besättningen med sin vikt effektivt fartyget eller motverkar dess trim mot fören. För att skapa stoppmomentet Md spelas den avgörande rollen av motsvarande styravböjning.

Den aerodynamiska sidokraften Fd, förutom rullning, orsakar lateral drift-drift, så yachten rör sig inte strikt längs DP, utan med en liten driftvinkel l. Det är denna omständighet som orsakar bildandet av en drivmotståndskraft Rd på yachtens köl, som till sin natur liknar lyftkraften som uppstår på vingen av ett flygplan som befinner sig i en anfallsvinkel mot det mötande flödet. I likhet med en vinge fungerar ett segel med tätt drag på en kurs, för vilken attackvinkeln är vinkeln mellan seglets korda och den skenbara vindens riktning. I modern fartygsteori ses således en segelyacht som en symbios av två vingar: ett skrov som rör sig i vattnet och ett segel, som påverkas av den skenbara vinden.

Stabilitet

Som vi redan har sagt är yachten utsatt för krafter och kraftmoment som tenderar att luta den i tvärgående och längsgående riktningar. Ett fartygs förmåga att motstå dessa krafters verkan och återgå till upprätt position efter att deras verkan upphört kallas stabilitet. Det viktigaste för en yacht är sidostabilitet.

När en yacht flyter utan krängning verkar tyngdkraften och flytkraften, som appliceras i CG respektive CV, längs samma vertikal. Om besättningen eller andra komponenter i masslasten inte rör sig under en rullning, så behåller CG sin ursprungliga position i DP (punkt G i fig. 5), roterar med skeppet. Samtidigt, på grund av den ändrade formen på undervattensdelen av skrovet, skiftar CV:n från punkt Co mot den krängda sidan till position C 1. Tack vare detta uppstår ett ögonblick av ett par krafter D och g V s skuldra l, lika med det horisontella avståndet mellan CG och yachtens nya CG. Detta ögonblick tenderar att återställa yachten till en upprätt position och kallas därför återställning.

Vid rullning rör sig CV:n längs en krökt bana C 0 C 1, krökningsradie G som kallas tvärgående metacentrisk radie, r motsvarande krökningscentrum M -tvärgående metacenter. Värdet på radien r och följaktligen formen på kurvan C 0 C 1 beror på kroppens konturer. I allmänhet, när hälen ökar, minskar den metacentriska radien, eftersom dess värde är proportionellt mot den fjärde potensen av vattenlinjens bredd.

Uppenbarligen beror återställningsmomentarmen på avståndet GM- höjd av metacenter över tyngdpunkten: ju mindre den är, desto mindre är skuldran l under rullning. I det allra första skedet av lutningen av storleken GM eller h betraktas av skeppsbyggare som ett mått på fartygets stabilitet och kallas initial tvärgående metacentrisk höjd. Ju mer h, ju större krängningskraft som krävs för att luta yachten till någon specifik rullningsvinkel, desto stabilare är fartyget. På cruising- och racingyachter är den metacentriska höjden vanligtvis 0,75-1,2 m; på cruisingjollar - 0,6-0,8 m.

Med hjälp av GMN-triangeln är det lätt att fastställa att den återställande skuldran är . Återställningsmomentet, med hänsyn till likheten mellan gV och D, är lika med:

Således, trots att den metacentriska höjden varierar inom ganska snäva gränser för yachter av olika storlekar, är storleken på det rätande momentet direkt proportionell mot yachtens förskjutning, därför kan ett tyngre fartyg motstå ett större krängningsmoment.

Den rätande axeln kan representeras som skillnaden mellan två avstånd (se fig. 5): l f - formstabil axel och l b - viktstabil axel. Det är inte svårt att fastställa den fysiska innebörden av dessa kvantiteter, eftersom l in bestäms av avvikelsen under rullningen av aktionslinjen av viktkraften från utgångsläget exakt över C 0, och l in är förskjutningen till lä. sidan av mitten av värdet av den nedsänkta volymen av skrovet. Med tanke på verkan av krafterna D och gV relativt Co, kan man märka att viktkraften D tenderar att kränga yachten ännu mer, och kraften gV, tvärtom, tenderar att räta ut fartyget.

Med triangel CoGK man kan hitta att , där CoC är höjden av CG ovanför CB i upprätt läge på yachten. Således, för att minska den negativa effekten av viktkrafter, är det nödvändigt att sänka tyngden på yachten om möjligt. I ett idealiskt fall bör CG placeras under CV:n, då blir viktstabilitetsarmen positiv och yachtens massa hjälper den att motstå krängningsmomentets verkan. Men bara ett fåtal yachter har denna egenskap: fördjupningen av tyngdpunkten under CV:n är förknippad med användningen av mycket tung ballast, som överstiger 60 % av yachtens deplacement, och överdriven lättnad av skrovet, balkarna och riggen. En effekt som liknar en minskning av CG uppnås genom att flytta besättningen till lovartsidan. Om vi ​​pratar om en lätt jolle, så lyckas besättningen förskjuta den allmänna CG så mycket att kraftens handlingslinje D skär med DP betydligt under CV:n och viktstabilitetsarmen visar sig vara positiv.

I en kölbåt är tyngdpunkten, tack vare den tunga ballastkölen, ganska låg (oftast under vattenlinjen eller något ovanför den). Yachtens stabilitet är alltid positiv och når sitt maximum vid en krängning på ca 90°, när yachten ligger med segel på vattnet. Naturligtvis kan en sådan lista bara uppnås på en yacht med säkert stängda öppningar i däck och en självdränerande sittbrunn. En yacht med öppen sittbrunn kan översvämmas med vatten med mycket lägre krängningsvinkel (en Dragon-klass yacht, till exempel vid 52°) och gå till botten utan att hinna räta ut sig.

I sjödugliga yachter uppträder en position med instabil jämvikt vid en list på cirka 130°, när masten redan är under vatten, riktad nedåt i en vinkel på 40° mot ytan. Med en ytterligare ökning av rullningen blir stabilitetsarmen negativ, kapsejsningsmomentet hjälper till att uppnå det andra läget av instabil jämvikt med en rullning på 180° (köl upp), när tyngdpunkten visar sig vara placerad högt över tyngdpunkten för en tillräckligt liten våg så att fartyget åter intar en normal position - köla ner. Det finns många fall där yachter gjort en hel 360° rotation och behållit sin sjöduglighet.

Om man jämför stabiliteten hos en kölyacht och en jolle kan man se att huvudrollen i att skapa det rätande ögonblicket för en jolle spelas av stabilitet form, och för en kölyacht - viktstabilitet. Det är därför det finns en så märkbar skillnad i konturerna av deras skrov: jollar har breda skrov med L/B = 2,6-3,2, med en vinkel med liten radie och en stor fyllighet av vattenlinjen. I ännu högre grad bestämmer skrovets form stabiliteten hos katamaraner, där den volymetriska förskjutningen delas lika mellan de två skroven. Även med en lätt rullning omfördelas förskjutningen mellan skroven kraftigt, vilket ökar flytkraften hos skrovet nedsänkt i vattnet (fig. 6). När det andra skrovet lämnar vattnet (vid en list på 8-15°) når stabilitetsarmen sitt maximala värde - det är något mindre än halva avståndet mellan skrovens DP:er. Med en ytterligare ökning av rullningen beter sig katamaranen som en jolle vars besättning hänger på en trapets. När rullen är 50-60° uppstår ett ögonblick av instabil jämvikt, varefter katamarans stabilitet blir negativ.

Statiskt stabilitetsdiagram. Uppenbarligen kan en fullständig egenskap hos en yachts stabilitet vara kurvan för förändringen i det rätande ögonblicket Mv beroende på rullningsvinkeln eller statisk stabilitetsdiagram (fig. 7). Diagrammet särskiljer tydligt momenten för maximal stabilitet (W) och den maximala rullningsvinkeln vid vilken fartyget, lämnat till sina egna enheter, kantrar (3-solnedgångsvinkeln i det statiska stabilitetsdiagrammet).

Med hjälp av diagrammet har fartygets kapten möjlighet att bedöma till exempel yachtens förmåga att bära en viss vindstyrka i en vind av en viss styrka. För att göra detta ritas kurvor av förändringar i krängningsmomentet Mkr beroende på rullningsvinkeln på stabilitetsdiagrammet. Punkt B i skärningspunkten mellan båda kurvorna indikerar krängningsvinkeln som yachten kommer att få under statisk vindpåverkan med en jämn ökning. I fig. 7 kommer yachten att få en lista motsvarande punkt D - ca 29°. För fartyg med tydligt definierade nedåtgående grenar av stabilitetsdiagrammet (jollar, kompromisser och katamaraner) kan navigering endast tillåtas vid krängningsvinklar som inte överstiger maximipunkten på stabilitetsdiagrammet.

Ris. 7. Diagram över statisk stabilitet för en cruising-racing yacht

I praktiken måste yachtbesättningar ofta hantera den dynamiska verkan av yttre krafter, där krängningsmomentet når ett betydande värde på relativt kort tid. Detta händer när det blåser eller en våg slår mot vinden. I dessa fall är inte bara storleken på krängningsmomentet viktig, utan också den kinetiska energin som tillförs fartyget och absorberas av det rätande momentets arbete.

På det statiska stabilitetsdiagrammet kan båda momentens arbete representeras i form av områden inneslutna mellan motsvarande kurvor och ordinataaxlar. Villkoret för yachtens jämvikt under dynamisk påverkan av yttre krafter kommer att vara jämlikheten mellan områdena OABVE (work Mkr) och OBGVE (work Mv). Med tanke på att områdena för OBVE är gemensamma kan vi överväga jämlikheten mellan områdena OAB och BGV. I fig. 7 kan man se att i fallet med dynamisk vindverkan är rullningsvinkeln (punkt E, ca 62°) märkbart högre än rullningen från vind med samma styrka under dess statiska verkan.

Från det statiska stabilitetsdiagrammet kan det bestämmas maximal dynamisk krängning ett ögonblick som kantrar en jolle eller hotar säkerheten för en yacht med öppen sittbrunn. Uppenbarligen kan effekten av återställningsmomentet endast beaktas upp till cockpitens översvämningsvinkel eller till den initiala minskningspunkten i det statiska stabilitetsdiagrammet.

Det är allmänt accepterat att kölyachter utrustade med tung ballast praktiskt taget kan kanteras. I det redan nämnda Fastnet-loppet 1979 kantrades dock 77 yachter i en krängningsvinkel på mer än 90°, och några av dem förblev flytande med kölen uppe under en tid (från 30 sekunder till 5 minuter), och flera yachter steg sedan till sin normala position genom en annan styrelse. Den allvarligaste skadan var förlusten av master (på 12 yachter), batterier, tunga köksspisar och annan utrustning som ramlade ur deras uttag. Vatten som kom in i byggnaderna ledde också till oönskade konsekvenser. Detta hände under dynamisk påverkan av en brant 9-10-metersvåg, vars profil plötsligt bröts under övergången från havet till det grunda Irländska havet, med en vindhastighet på 25-30 m/s.

Faktorer som påverkar lateral stabilitet. Således kan vi dra vissa slutsatser om påverkan av olika delar av yachtdesignen på dess stabilitet. Vid låga krängningsvinklar spelas huvudrollen för att skapa det rätande momentet av yachtens bredd och vattenlinjeområdets fullhetskoefficient. Ju bredare yachten och ju fylligare dess vattenlinje, desto längre från DP flyttas tyngdpunkten när fartyget rullar, desto större blir formstabiliteten. Det statiska stabilitetsdiagrammet för en ganska bred yacht har en brantare stigande gren än en smal - upp till = 60-80°.

Ju lägre tyngdpunkten på yachten är, desto stabilare är den, och påverkan av djupgående och stor ballast påverkar nästan hela yachtens stabilitetsdiagram. När du moderniserar en yacht är det användbart att komma ihåg en enkel regel: varje kilogram under vattenlinjen förbättrar stabiliteten, och varje kilogram över vattenlinjen förvärrar den. Den tunga sparren och riggen märks särskilt för stabiliteten.

Med samma placering av tyngdpunkten har en yacht med överskott av fribord även högre stabilitet vid krängningsvinklar på mer än 30-35°, när på ett fartyg med normal sidohöjd börjar däcket gå i vattnet. En högsidig yacht har ett stort maximalt rätande moment. Denna kvalitet är också inneboende i yachter som har vattentäta däckshus med tillräckligt stor volym.

Särskild uppmärksamhet bör ägnas åt inverkan av vatten i lastrummet och vätskor i tankar. Det handlar inte bara om att flytta massor av vätskor mot den krängda sidan; Huvudrollen spelas av närvaron av en fri yta av den överflödande vätskan, nämligen dess tröghetsmoment i förhållande till den längsgående axeln. Om till exempel vattenytan i lastrummet har en längd på / och en bredd på b, då minskar den metacentriska höjden med mängden

, m. (9)

Vatten i lastrummet, vars fria yta har stor bredd, är särskilt farligt. Vid segling i stormiga förhållanden måste därför vatten från lastrummet tas bort i tid.

För att minska påverkan av den fria ytan av vätskor installeras längsgående fenderskott i tankar, som är uppdelade i flera delar längs bredden. Hål görs i skotten för fritt flöde av vätska.

Sidostabilitet och prestanda för yachten. När rullen ökar över 10-12° ökar vattnets motstånd mot yachtens rörelse märkbart, vilket leder till en hastighetsförlust. Därför är det viktigt att när vinden ökar kan yachten behålla effektiva segel längre utan överdriven krängning. Ofta, även på relativt stora yachter, under kappsegling är besättningen placerad på lovartsidan och försöker minska listan.

Hur effektivt det är att flytta last (besättning) åt ena sidan är lätt att föreställa sig med den enklaste formeln, som är giltig för små vinklar (inom 0-10°) av rullningen;

, (10)

M o-moment, krängning av yachten med 1°;

D- förskjutning av yachten, t;

h- initial tvärgående metacentrisk höjd, m.

Genom att känna till massan på lasten som flyttas och avståndet från dess nya plats från DP, är det möjligt att bestämma krängningsmomentet och dividera det med Mo, få rullningsvinkeln i grader. Till exempel, om på en yacht med en deplacement på 7 ton och A = 1 m, fem personer är placerade vid sidan på ett avstånd av 1,5 m från DP, kommer krängningsmomentet de skapar att ge yachten en rulle på 4,5 ° (eller minska rullen till andra sidan med ungefär samma mängd).

Längsgående stabilitet. Fysiken för de fenomen som inträffar under yachtens lutning i längdriktningen liknar fenomenen under en rullning, men den längsgående metacentriska höjden är jämförbar i storlek med längden på yachten. Därför är längsgående lutningar och trim vanligtvis små och mäts inte i grader, utan genom förändringar i djupgående för och akter. Och ändå, om alla dess förmågor pressas ut ur en yacht, kan man inte låta bli att ta hänsyn till verkan av krafterna som trimmar yachten till fören och flyttar storlekscentrumet framåt (se fig. 4). Detta kan motverkas genom att flytta besättningen till akter- däck.

Krafterna som trimmar fören når sin största magnitud när man seglar i akterstaget; på denna bana, särskilt vid hård vind, bör besättningen flyttas så långt akterut som möjligt. På en tät bana är trimmomentet litet, och det är bäst för besättningen att placera sig nära mittskepps och kränga fartyget. På gibben visar sig trimmomentet vara mindre än på akterstaget, speciellt om yachten har en spinnaker och blooper, som ger ett visst lyft.

För katamaraner är den longitudinella metacentriska höjden jämförbar med den tvärgående höjden, ibland mindre. Därför kan effekten av trimmomentet, nästan omärklig på en kölyacht, kapsejsa en katamaran med samma huvuddimensioner.

Olycksstatistik indikerar fall av kapsejsning över fören på passerande banor av kryssande katamaraner med hög vindstyrka.

1.7. Driftmotstånd

Sidokraften Fd (se fig. 4) kränger inte bara yachten, den orsakar sidodrift svikta. Styrkan på avdriften beror på yachtens kurs i förhållande till vinden. När man seglar i en tät riktning är den tre gånger större än dragkraften som för yachten framåt; i en golfvind är båda krafterna ungefär lika stora i ett brant backstag (den sanna vinden är ca 135° i förhållande till yachtens kurs), den drivande kraften visar sig vara 2-3 gånger större än drivkraften, och i ett rent gipp det finns ingen drivkraft alls. Följaktligen, för att ett fartyg ska lyckas förflytta sig framåt på en kurs från tätdragning till golfvind, måste det ha tillräckligt sidomotstånd för att driva, mycket större än vattnets motstånd mot yachtens rörelse längs banan.

Funktionen att skapa motstånd mot drift i moderna yachter utförs främst av centerboards, fenkölar och roder.

Som vi redan har sagt är ett oumbärligt villkor för uppkomsten av en kraft av motstånd mot drift yachtens rörelse i en liten vinkel mot DP - driftvinkeln. Låt oss överväga vad som händer i vattenflödet direkt vid kölen, som är en vinge med ett tvärsnitt i form av en tunn symmetrisk aerodynamisk profil (fig. 8).

Om det inte finns någon avdriftsvinkel (Fig. 8, a), så kommer vattenflödet, som möter kölprofilen vid punkten a,är uppdelad i två delar. Vid denna punkt, kallad den kritiska punkten, är flödeshastigheten lika med O, trycket är maximalt, lika med hastighetshöjden, där r är vattentätheten (för färskvatten); v- yachtens hastighet (m/s). Både de övre och nedre delarna av flödet flyter samtidigt runt profilens yta och möts igen vid punkten b på den utgående kanten. Uppenbarligen kan ingen kraft riktad över flödet uppstå på profilen; Endast en friktionsmotståndskraft kommer att verka på grund av vattnets viskositet.

Om profilen avviks av en viss anfallsvinkel a(i fallet med en yachtköl - driftvinkeln), då kommer flödesmönstret runt profilen att ändras (fig. 8, b). Kritisk punkt A kommer att flytta till den nedre delen av profilens "näsa". Den väg som en vattenpartikel måste färdas längs profilens övre yta kommer att förlängas, och spetsen b 1 där partiklar som strömmar runt profilens övre och undre yta, enligt villkoren för flödeskontinuitet, skulle mötas, efter att ha passerat en lika väg, hamnar de på den övre ytan. Men när man går runt profilens skarpa utgående kant bryter den nedre delen av flödet av från kanten i form av en virvel (fig. 8, c och d). Denna virvel, som kallas startvirveln, som roterar moturs, får vatten att cirkulera runt profilen i motsatt riktning, dvs medurs (fig. 8, d). Detta fenomen, orsakat av viskösa krafter, liknar rotationen av ett stort kugghjul (cirkulation) som är i ingrepp med ett litet drivhjul (startvirvel).

Efter att cirkulationen har inträffat bryter startvirveln bort från den framträdande kanten, punkt b 2 rör sig närmare denna kant, vilket gör att det inte längre finns någon skillnad i hastigheterna med vilka de övre och nedre delarna av flödet lämnar vingen. Cirkulationen runt vingen orsakar uppkomsten av en lyftkraft Y, riktad över flödet: vid den övre ytan av vingen ökar vattenpartiklarnas hastighet på grund av cirkulationen, vid den nedre ytan, när de möter partiklar som är involverade i cirkulationen, saktar ner. Följaktligen minskar trycket vid den övre ytan jämfört med trycket i flödet framför vingen, och på den undre ytan ökar det. Tryckskillnaden ger lyft Y.

Dessutom kommer kraften att verka på profilen frontal(profil) motstånd X, som uppstår på grund av friktion av vatten på profilens yta och hydrodynamiskt tryck på dess främre del.

I fig. Figur 9 visar resultaten av tryckmätning vid ytan av en symmetrisk profil gjord i en vindtunnel. Y-axeln visar värdet på koefficienten MED p, vilket är förhållandet mellan övertryck (totalt tryck minus atmosfärstryck) och hastighetshöjd. På profilens ovansida är trycket negativt (vakuum), på undersidan är det positivt. Sålunda är lyftkraften som verkar på vilket profilelement som helst summan av tryck- och försämringskrafterna som verkar på det, och i allmänhet är den proportionell mot arean som är innesluten mellan tryckfördelningskurvorna längs profilkordan (skuggad i fig. 9).

Data som presenteras i fig. 9 tillåter oss att dra ett antal viktiga slutsatser om driften av en yachtköl. För det första spelas huvudrollen för att skapa sidokraften av vakuumet som uppstår på fenans yta från lovartsidan. För det andra ligger toppen av sällsynthet nära den inkommande kanten av kölen. Följaktligen är anbringningspunkten för den resulterande lyftkraften på den främre tredjedelen av fenkordan. I allmänhet ökar lyftet upp till en anfallsvinkel på 15-18°, varefter det plötsligt sjunker.

På grund av att det bildas virvlar på rarfaktionssidan störs det jämna flödet runt vingen, rarfaktionen sjunker och flödet stannar (detta fenomen diskuteras mer ingående i kapitel 2 för segel). Samtidigt med ökningen av anfallsvinkeln ökar motståndet, det når ett maximum vid a = 90°.

Driften på en modern yacht överstiger sällan 5°, så det finns ingen anledning att oroa sig för att flödet bryter av kölen. Den kritiska anfallsvinkeln måste dock beaktas för yachtroder, som också är konstruerade och fungerar enligt principen om en vinge.

Låt oss överväga huvudparametrarna för yachtkölar, som har en betydande inverkan på deras effektivitet när det gäller att skapa kraft för att motstå drift. På samma sätt kan vad som anges nedan utsträckas till roder, med hänsyn till att de arbetar med en betydligt större anfallsvinkel.

Tjocklek och tvärsnittsform på kölen. Tester av symmetriska bärytor har visat att tjockare bärytor (med ett större tvärsnittstjockleksförhållande t till hans ackord b) ge större lyftkraft. Deras motstånd är högre än för profiler med en mindre relativ tjocklek. Optimala resultat kan erhållas när t/b = 0,09-0,12. Mängden lyft på sådana profiler beror relativt lite på yachtens hastighet, så kölarna utvecklar tillräckligt motstånd mot drift även i svaga vindar.

Placeringen av den maximala profiltjockleken längs kordlängden har ett betydande inflytande på storleken på drivmotståndskraften. De mest effektiva är profiler vars maximala tjocklek ligger på ett avstånd av 40-50% av ackordet från deras "näsa". För yachtroder som arbetar i höga anfallsvinklar, profiler med maximal tjocklek, belägen något närmare framkanten - upp till 30 % av ackordet.

Formen på profilens "näsa" - radien för avrundning av den inkommande kanten - har ett visst inflytande på kölens effektivitet. Om kanten är för skarp, får flödet som strömmar på kölen stor acceleration här och bryter av från profilen i form av virvlar.

I det här fallet inträffar en minskning av lyftkraften, särskilt signifikant vid höga anfallsvinklar. Därför är en sådan skärpning av den inkommande kanten oacceptabel för roder.

Aerodynamisk förlängning. I ändarna av vingen strömmar vatten från området med högt tryck till baksidan av profilen. Som ett resultat fälls virvlar från ändarna av vingen och bildar två virvelgator. En ganska betydande del av energin läggs på deras underhåll, bildar den så kallade induktiv reaktans. Dessutom, på grund av tryckutjämning i ändarna av vingen, inträffar ett lokalt lyftfall, som visas i diagrammet över dess fördelning längs vingens längd i fig. 10.

Ju kortare vinglängd L i förhållande till dess ackord b, dvs desto mindre förlängning L/b, ju relativt större lyftförlusten och desto större induktivt motstånd. Inom aerodynamik är det vanligt att uppskatta vingformatet med hjälp av formeln

(där 5 är vingområdet), som kan appliceras på vingar och fenor av vilken form som helst. Med en rektangulär form är det aerodynamiska sidoförhållandet lika med förhållandet; för deltavinge l = 2Llb.

I fig. 10 visar en vinge sammansatt av två trapetsformade fenkölar. På en yacht är kölen fäst med en bred bas i botten, så här finns inget vattenflöde till vakuumsidan och under inverkan av skrovet utjämnas trycket på båda ytorna. Utan denna påverkan skulle det aerodynamiska sidoförhållandet kunna anses vara dubbelt så mycket som förhållandet mellan köldjupet och dess djupgående. I praktiken överskrids detta förhållande, beroende på kölens storlek, yachtens konturer och krängningsvinkeln, endast 1,2-1,3 gånger.

Inverkan av kölens aerodynamiska förlängning på storleken på den drivmotståndskraft som den utvecklar R d kan uppskattas från testresultaten av en fena som har en profil NACA 009 (t/b=9%) och en yta på 0,37 m2 (fig. 11). Flödeshastigheten motsvarade yachtens hastighet på 3 knop (1,5 m/s). Av intresse är förändringen av drivmotståndskraften vid en anfallsvinkel på 4-6°, vilket motsvarar yachtens avdriftsvinkel på en kortdragen kurs. Om du accepterar kraften R d med förlängning l = 1 per enhet (6,8 vid a = 5°), sedan med en ökning av l till 2 ökar driftmotståndet mer än 1,5 gånger (10,4 kg), och med l = 3 - exakt fördubblats (13,6) kg). Samma graf kan tjäna för en kvalitativ bedömning av effektiviteten hos roder av olika förlängningar, som arbetar i området med stora anfallsvinklar.

Genom att öka förlängningen av kölfenan är det således möjligt att erhålla den erforderliga mängden sidokraft R d med en mindre kölarea och därför med en mindre blöt yta och vattenbeständighet mot yachtens rörelse. Köllängden på moderna cruising- och racingyachter är i genomsnitt l = 1-3. Roderfjädern, som inte bara tjänar till att styra fartyget, utan också är ett integrerat element i att skapa motståndet hos yachten, har en ännu större töjning och närmar sig l = 4.

Område och form på kölen. Oftast bestäms kölens dimensioner av statistiska data, och jämför den designade yachten med väl beprövade fartyg. På moderna cruising- och racingyachter med ett roder skilt från kölen, sträcker sig den totala arean av kölen och rodret från 4,5 till 6,5 % av yachtens segelarea, och roderytan är 20-40 % av kölområdet.

För att uppnå optimal töjning strävar yachtdesignern efter att anta det maximala djupgående som tillåts av seglingsförhållanden eller mätregler. Oftast har kölen formen av en trapets med en lutande framkant. Som studier har visat, för yachtkölar med ett bildförhållande på 1 till 3, har vinkeln mellan framkanten och vertikalen i intervallet från -8° till 22,5° praktiskt taget ingen effekt på kölens hydrodynamiska egenskaper. Om kölen (eller centerboarden) är mycket smal och lång, åtföljs en lutning av framkanten på mer än 15° mot vertikalen av en avvikelse av vattenflödeslinjerna nedför profilen, mot det nedre bakre hörnet. Som ett resultat minskar lyftkraften och kölmotståndet ökar. I detta fall är den optimala lutningsvinkeln 5° mot vertikalen.

Mängden lyft som utvecklas av kölen och rodret påverkas avsevärt av kvaliteten på dess ytfinish, speciellt framkanten, där flödet runt profilen bildas. Därför rekommenderas att polera kölen och rodret på ett avstånd av minst 1,5 % av profilkordan.

Yachthastighet. Lyftkraften på en vinge bestäms av formeln:

(11)

Сy - lyftkoefficient, beroende på vingens parametrar - profilform, bildförhållande, plankontur, såväl som på attackvinkeln - den ökar med ökande attackvinkel;

r- Vattnets massdensitet, ;

V- hastigheten på flödet som flödar runt vingen, m/s;

S- flygelarea, m2.

Således är kraften hos motståndet mot drift ett variabelt värde som är proportionellt mot kvadraten på hastigheten. I det första ögonblicket av yachtens rörelse, till exempel efter ett slag, när fartyget tappar fart, eller när fartyget rör sig bort från bommen i medvind, är lyftkraften på kölen liten. För styrkan Y motsvarade drivkraften F D kölen ska vara placerad mot det mötande flödet i hög anfallsvinkel. Med andra ord, skeppet börjar röra sig med en stor driftvinkel. När hastigheten ökar minskar driftvinkeln tills den når sitt normala värde - 3-5°.

Kaptenen måste ta hänsyn till denna omständighet och ge tillräckligt med utrymme för lä när man accelererar yachten eller efter att ha svängt in på en ny axel. En stor initial driftvinkel måste användas för att snabbt få fart genom att dra lätt i arken. Detta minskar förresten drivkraften på seglen.

Det är också nödvändigt att komma ihåg mekaniken för genereringen av lyft, som visas på fenan först efter separationen av startvirveln och utvecklingen av stabil cirkulation. På den smala kölen på en modern yacht sker cirkulationen snabbare än på skrovet på en yacht med ett roder monterat på kölen, det vill säga på en vinge med ett stort korda. Den andra yachten kommer att driva mer medvind innan skrovet blir effektivt för att förhindra avdriften.

Styrbarhet

Styrbarhetär kvaliteten på ett fartyg som gör att det kan följa en given kurs eller ändra riktning. Endast en yacht som reagerar på lämpligt sätt på att flytta rodret kan anses vara kontrollerbar.

Styrbarhet kombinerar två egenskaper hos ett fartyg - kursstabilitet och smidighet.

Banans stabilitet- detta är en yachts förmåga att upprätthålla en given rak rörelseriktning under påverkan av olika yttre krafter på den: vind, vågor, etc. Stabilitet på kurs beror inte bara på yachtens designegenskaper och arten av yachten. verkan av yttre krafter, men också på rorsmannens reaktion på fartygets avvikelse från kursen, hans känsla för styrning.

Låt oss återgå till diagrammet över verkan av yttre krafter på seglen och skrovet på yachten (se fig. 4). Det relativa läget för de två kraftparen är av avgörande betydelse för yachtens stabilitet på kurs. Krakkraft F d och drivmotståndskraft R d tenderar att trycka fören av yachten i vinden, medan den andra para-thrust kraft T och motstånd mot rörelse R för yachten till vinden. Det är uppenbart att yachtens reaktion beror på förhållandet mellan storleken på krafterna och axlarna som övervägs A Och b, som de verkar på. När rullningsvinkeln ökar, armen på drivparet bökar också. Axel av ett fallande par A beror på den relativa positionen för seglets centrum (CS) - punkten för applicering av de resulterande aerodynamiska krafterna på seglen och centrum för sidomotstånd (CLR) - punkten för applicering av de resulterande hydrodynamiska krafterna på skrovet Yacht. Placeringen av dessa punkter ändras beroende på många faktorer: yachtens kurs i förhållande till vinden, formen och inställningen av seglen, yachtens list och trim, formen och profilen på kölen och rodret, etc.

Därför, när de designar och återutrustar yachter, arbetar de med konventionella CP:er och CB:er, med tanke på att de är placerade i tyngdpunkterna för platta figurer, som är segel satta i yachtens mittplan, och undervattenskonturerna av DP med en köl, fenor och roder (bild 12).

Det är känt att tyngdpunkten för ett triangulärt segel är belägen i skärningspunkten mellan två medianer, och den gemensamma tyngdpunkten för de två seglen är belägen på ett rakt linjesegment som förbinder båda seglens CP och delar detta segment i omvänd proportion till deras yta. Vanligtvis är det inte den faktiska arean av fockan som tas med i beräkningen, utan den uppmätta arean av den främre segeltriangeln.

Placeringen av det centrala centret kan bestämmas genom att balansera profilen för undervattensdelen av DP, skuren från tunn kartong, på spetsen av en nål. När mallen är placerad strikt horisontellt, är nålen placerad vid den konventionella punkten i mitten. Låt oss komma ihåg att för att skapa kraften av motstånd mot drift, hör huvudrollen till fenkölen och rodret. Centrum för hydrodynamiska tryck på deras profiler kan hittas ganska exakt, till exempel för profiler med en relativ tjocklek t/b vid cirka 8 % är denna punkt cirka 26 % av ackordet borta från framkanten. Men yachtens skrov, även om det deltar i skapandet av sidokrafter i liten utsträckning, gör vissa förändringar i flödets natur runt kölen och rodret, och det ändras beroende på krängningsvinkeln och trimningen, som samt farten på yachten. I de flesta fall rör sig den verkliga tyngdpunkten framåt på en kort bana.

Designers placerar som regel CPU:n på ett visst avstånd (avancerat) framför centrala nervsystemet. Vanligtvis anges blyet som en procentandel av fartygets längd vid vattenlinjen och är 15-18 % för en Bermuda-slup. L kvl.

Om den sanna CP visar sig vara placerad för långt framför CS, faller yachten på en tät kurs mot vinden och rorsmannen måste hela tiden hålla rodret lutat mot vinden. Om CP är bakom CB, då tenderar yachten att ta sig mot vinden; konstant styrning krävs för att hålla båten i schack.

Båtens tendens att sjunka är särskilt obehaglig. Vid en olycka med rodret kan yachten inte föras in på en tät kurs med enbart hjälp av segel, dessutom har den en ökad drift. Faktum är att kölen på yachten avleder flödet av vatten som strömmar från den närmare fartygets DP. Därför, om rodret är rakt, arbetar det med en märkbart lägre anfallsvinkel än kölen. Om du lutar rodret till lovart, visar sig lyftkraften som genereras på det vara riktad mot läsidan - i samma riktning som drivkraften på seglen. I det här fallet "dras" kölen och rodret åt olika håll och yachten är instabil på kurs.

En annan sak är yachtens lätta tendens att köras. Rodret, förskjutet i en liten vinkel (3-4°) medvind, arbetar med samma eller något större anfallsvinkel som kölen och deltar effektivt i motståndet mot drift. Den laterala kraften som uppstår på rodret orsakar en betydande förskjutning av det övergripande centrala styrsystemet mot aktern, samtidigt minskar driftvinkeln, yachten ligger stabilt på kurs.

Men om rodret på en tät bana ständigt måste växlas till vinden mer än 3-4°, bör du tänka på att justera det relativa läget för den centrala ratten och den centrala styrenheten. På en redan byggd yacht är det lättare att göra detta genom att flytta CPU:n framåt, installera masten i steg till det extrema nasal position eller luta den framåt.

Orsaken till yachtens drift kan också vara storseglet - för "potbellied" eller med en ombyggd förlik. I det här fallet är ett mellanstag användbart, med vilket du kan böja masten i mittdelen (i höjdled) framåt och därigenom göra seglet plattare, samt försvaga förliket. Du kan även förkorta längden på storsegelförliket.

Det är svårare att flytta den centrala rattstången till aktern, för vilken du måste installera en akterfena framför rodret eller öka roderbladets yta.

Vi har redan sagt att när rullningen ökar, ökar också yachtens tendens att rulla. Detta inträffar inte bara på grund av en ökning av armen på det addukterande kraftparet - T Och R. Under en rullning ökar det hydrodynamiska trycket i bågvågens område, vilket leder till en framåtriktad förskjutning av det centrala nervsystemet. Därför, i en frisk vind, för att minska yachtens tendens att driva, bör du flytta storseglet framåt och: ta ett rev på storseglet eller reva det lite för denna kurs. Det är också användbart att byta fock till en mindre, vilket minskar lusten och trimningen av yachten på fören.

En erfaren designer vid val av förskottsvärde A tar vanligtvis hänsyn till yachtens stabilitet för att kompensera för ökningen av körmomentet vid krängning: för en yacht med mindre stabilitet sätts ett stort framstegsvärde, för mer stabila fartyg anses framflyttningen vara minimal.

Välcentrerade yachter har ofta ökad girning på backstagets kurs, när storseglet som dras ombord tenderar att vända yachten med sin för mot vinden. Detta underlättas också av en hög våg som kommer från aktern i en vinkel mot DP. För att hålla yachten på kurs måste du arbeta hårt på rodret och avleda det till en kritisk vinkel, när flödet från dess läyta är möjligt (detta sker vanligtvis vid anfallsvinklar på 15-20°). Detta fenomen åtföljs av en förlust av lyftkraft på rodret och följaktligen yachtens kontrollerbarhet. Yachten kan plötsligt kasta sig kraftigt i vinden och få en stor list, och på grund av minskningen av roderbladets fördjupning kan luft från vattenytan bryta igenom till sällsynthetssidan.

Kampen mot detta fenomen, kallas broschering, tvingar att öka arean av roderfjädern och dess förlängning, att installera en fena framför rodret, vars area är ungefär en fjärdedel av fjäderns area. Tack vare närvaron av en fena framför rodret organiseras ett riktat vattenflöde, rodrets kritiska attackvinklar ökas, luftgenombrott till det förhindras och kraften på rorkulten reduceras. Vid segling i akterstaget bör besättningen sträva efter att spinnakerns dragkraft riktas så långt framåt som möjligt, och inte i sidled, för att undvika överdriven krängning. Det är också viktigt att förhindra utseendet av trim på nosen, vilket kan minska rattens djup. Broaching underlättas också av yachtens rullning, som uppstår som ett resultat av avbrott i luftflödet från spinnakern.

Stabilitet på kurs, förutom den övervägda påverkan av yttre krafter och den relativa positionen för deras applikationspunkter, bestäms av konfigurationen av undervattensdelen av DP. Tidigare för långa resor öppet vatten föredragna yachter med en lång köllinje, eftersom de har större motstånd mot svängning och följaktligen stabilitet på kurs. Denna typ av fartyg har dock betydande nackdelar, såsom en stor blöt yta och dålig manövrerbarhet. Dessutom visade det sig att kursstabilitet inte beror så mycket på storleken på den laterala projektionen av DP, utan på rattens läge i förhållande till det centrala styrsystemet, det vill säga på "spaken" på vilken styrningen hjulet fungerar. Det noteras att om detta avstånd är mindre än 25 % L kvl , då blir yachten girig och reagerar dåligt på roderavböjning. På l=40-45% L kvl (se fig. 12) att hålla fartyget på en given kurs är inte svårt.

Rörlighet- ett fartygs förmåga att ändra rörelseriktningen och beskriva en bana under påverkan av rodret och seglen. Rodrets verkan är baserad på samma princip för en hydrodynamisk vinge som ansågs för en yachtköl. När ratten förskjuts till en viss vinkel uppstår en hydrodynamisk kraft R, en av komponenterna N skjuter aktern på yachten i motsatt riktning mot den där rodret är placerat (fig. 13). Under dess inflytande börjar skeppet röra sig längs en krökt bana. Samtidigt styrka R ger komponenten Q - dragkraften som bromsar yachtens framfart.

Om du fixerar rodret i en position kommer skeppet att röra sig ungefär i en cirkel som kallas cirkulation. Cirkulationens diameter eller radie är ett mått på kärlets vridförmåga: ju större cirkulationsradien är, desto sämre vridförmåga. Endast yachtens tyngdpunkt rör sig genom cirkulationen, aktern bärs ut. Samtidigt upplever fartyget drift orsakad av centrifugalkraft och delvis av kraft N på ratten.

Cirkulationsradien beror på yachtens hastighet och massa, dess tröghetsmoment i förhållande till den vertikala axeln som passerar genom CG, på rodrets effektivitet - kraftens storlek N och dess skuldra i förhållande till tyngdpunkten för en given roderavböjning. Ju större fart och förskjutning yachten har, desto mer tunga massor (motor, ankare, utrustningsdelar) är placerade vid fartygets ändar, desto större cirkulationsradie. Vanligtvis uttrycks cirkulationsradien, som bestäms under sjöförsök av yachten, i skrovlängder.

Agiliteten är bättre ju kortare undervattensdelen av fartyget är och ju närmare mittskeppet är dess huvudområde koncentrerat. Till exempel har fartyg med lång köllinje (som marinbåtar) dålig svängförmåga och omvänt bra vändförmåga - jollar med smala, djupa centerboards.

Rodrets effektivitet beror på fjäderns yta och form, tvärsnittsprofil, aerodynamiskt bildförhållande, typ av installation (på akterstolpen, separat från kölen eller på fenan), och även avståndet för stocken från den centrala rattstången. De mest utbredda är roder utformade i form av en vinge med en aerodynamisk tvärsnittsprofil. Den maximala profiltjockleken anses vanligtvis ligga inom 10-12 % av kordan och är placerad 1/3 av kordan från framkanten. Roderområdet är vanligtvis 9,5-11% av arean för den nedsänkta delen av yachtens DP.

Ett roder med ett stort bildförhållande (förhållandet mellan kvadraten på rodrets djup och dess area) utvecklar en stor sidokraft vid låga anfallsvinklar, på grund av vilken det effektivt deltar i att ge sidomotstånd mot drift. Men som visas i fig. 11, vid vissa anfallsvinklar för profiler med olika sidoförhållande, separeras flödet från sällsynthetsytan, varefter lyftkraften på profilen sjunker avsevärt. Till exempel när l= 6 kritisk rodervinkel är 15°; på l=2- 30°. Som en kompromiss används styre med förlängningar l = 4-5 (bildförhållandet för den rektangulära ratten är 2-2,5), och för att öka den kritiska växlingsvinkeln installeras en skeggfena framför ratten. Ett roder med stort bildförhållande reagerar snabbare på växling, eftersom flödescirkulationen, som bestämmer lyftkraften, utvecklas snabbare runt en profil med ett litet korda än runt hela undervattensdelen av skrovet med ett roder monterat på akterstolpen.

Den övre kanten av ratten måste passa tätt mot kroppen med arbetsavvikelser på ±30° för att förhindra att vatten strömmar genom den. annars försämras styrprestandan. Ibland, på roderstången, om den är monterad på akterspegeln, är en aerodynamisk bricka fäst i form av en bred platta nära vattenlinjen.

Det som har sagts om kölarnas form gäller även rodren: en trapetsform med rektangulär eller lätt rundad underkant anses vara optimal. För att minska krafterna på rorkulten är ratten ibland gjord av en balanserande typ, med en rotationsaxel placerad 1/4-1/5 av kordan från profilens "näsa".

När du styr en yacht är det nödvändigt att ta hänsyn till den specifika driften av rodret i olika förutsättningar, och framför allt störningen av flödet från ryggen. Du kan inte göra plötsliga växlingar av ratten ombord i början av en sväng, flödet kommer att stanna, sidokraft kommer att uppstå. N på ratten kommer att falla, men motståndskraften kommer snabbt att öka R. Yachten kommer långsamt in i cirkulationen och med en stor hastighetsförlust. Det är nödvändigt att starta en sväng genom att flytta rodret till en liten vinkel, men så fort aktern rullar utåt och rodrets attackvinkel börjar minska, ska det flyttas till en större vinkel i förhållande till yachtens DP.

Man bör komma ihåg att sidokraften på rodret ökar snabbt när båtens hastighet ökar. I svag vind är det meningslöst att försöka vända yachten snabbt genom att flytta rodret till en stor vinkel (förresten, värdet på den kritiska vinkeln beror på hastigheten: vid lägre hastigheter sker flödesseparation vid lägre vinklar på ge sig på).

Rodrets motstånd när yachtens kurs ändras, beroende på dess form, design och placering, varierar från 10 till 40 % av yachtens totala motstånd. Därför måste tekniken att styra rodret (och centreringen av yachten, som stabiliteten på kursen beror på) tas på största allvar, och rodret får inte tillåtas avvika i större vinkel än nödvändigt.

Försäljningstakt

Försäljningstakt hänvisar till en yachts förmåga att nå en viss hastighet samtidigt som den effektivt använder vindenergi.

Hastigheten som en yacht kan nå beror i första hand på vindhastigheten, eftersom alla aerodynamiska krafter som verkar på seglen. inklusive dragkraften, ökning i proportion till kvadraten på den skenbara vindhastigheten. Dessutom beror det också på fartygets strömförsörjning - förhållandet mellan segelytan och dess dimensioner. Det förhållande som oftast används som en egenskap för energitillgänglighet är S" 1/2 /V 1/3(där S är vindområdet, m2; V- total deplacement, m 3) eller S/W (här är W den våta ytan på skrovet inklusive köl och roder).

Dragkraften, och därmed båtens hastighet, bestäms också av segelriggens förmåga att utveckla tillräcklig dragkraft i olika kurser i förhållande till vindriktningen.

De listade faktorerna relaterar till yachtens framdrivningssegel, som omvandlar vindenergi till drivkraft T. Som visas i fig. 4, denna kraft under jämn rörelse av yachten måste vara lika med och motsatt kraften av motstånd mot rörelse R. Den senare är en projektion av de resulterande alla hydrodynamiska krafter som verkar på den våta ytan av kroppen på rörelseriktningen.

Det finns två typer av hydrodynamiska krafter: tryckkrafter riktade vinkelrätt mot kroppens yta och viskösa krafter som verkar tangentiellt mot denna yta. Resultanten av de viskösa krafterna ger kraften friktionsmotstånd.

Tryckkrafter orsakas av att det bildas vågor på vattenytan när yachten rör sig, så deras resulterande kraft ger vågmotstånd.

Med en stor krökning av skrovytan i den aktre delen kan gränsskiktet lossna från huden och det kan bildas virvlar som absorberar en del av energin från drivkraften. Detta skapar ytterligare en komponent av motstånd mot yachtens rörelse - formmotstånd.

Ytterligare två typer av motstånd dyker upp på grund av att yachten inte rör sig rakt längs DP, utan med en viss driftvinkel och rullning. Detta induktiv och klack motstånd. En betydande andel av det induktiva motståndet upptas av motståndet hos de utskjutande delarna - kölen och rodret.

Slutligen motverkas yachtens framåtrörelse också av luften som tvättar skrovet, besättningen och utvecklingen av systemet med riggning av kablar och segel. Denna del av motstånd kallas luft.

Friktionsmotstånd. När yachten rör sig verkar vattenpartiklar i direkt anslutning till skrovets hud fastna på den och bärs med på fartyget. Hastigheten för dessa partiklar i förhållande till kroppen är noll (fig. 14). Nästa lager av partiklar, som glider över det första, släpar redan något efter motsvarande punkter på skrovet, och på ett visst avstånd från skrovet förblir vattnet i allmänhet orörligt eller har en hastighet i förhållande till skrovet som är lika med yachtens hastighet v. Detta vattenskikt, i vilket viskösa krafter verkar, och vattenpartiklarnas rörelsehastighet i förhållande till skrovet ökar från 0 till fartygets hastighet, kallas gränsskiktet. Dess tjocklek är relativt liten och sträcker sig från 1 till 2 % av skrovets längd längs vattenlinjen, men naturen eller rörelsesättet för vattenpartiklar i den har en betydande inverkan på mängden friktionsmotstånd.

Det har fastställts att chasgitzens rörelsesätt varierar beroende på fartygets hastighet och längden på dess våta yta. Inom hydrodynamik uttrycks detta beroende av Reynolds-talet:

n är koefficienten för vattnets kinematiska viskositet (för färskvatten n = 1,15-10 -6 m 2 /s);

L- våt yta längd, m;

v- yachthastighet, m/s.

Med ett relativt litet antal Re = 10 6 rör sig vattenpartiklar i gränsskiktet i lager och bildar laminär flöde. Dess energi räcker inte för att övervinna de viskösa krafterna som förhindrar partiklars tvärgående rörelser. Den största skillnaden i hastighet mellan lager av partiklar sker direkt på ytan av huset; Följaktligen är friktionskrafterna störst här.

Reynoldstalet i gränsskiktet ökar när vattenpartiklar rör sig bort från stammen (med ökande vätnadslängd). Med en hastighet av t.ex. 2 m/s, redan på ett avstånd av ca 2 m från den Re kommer att nå ett kritiskt värde vid vilket flödesregimen i gränsskiktet blir virvel, d.v.s. turbulent och riktad över gränsskiktet. På grund av det resulterande utbytet av kinetisk energi mellan skikten ökar hastigheten för partiklar nära ytan av huset i större utsträckning än med laminärt flöde. Hastighetsskillnad Dv här ökar friktionsmotståndet i enlighet därmed. På grund av de tvärgående rörelserna av vattenpartiklar ökar tjockleken på gränsskiktet och friktionsmotståndet ökar kraftigt.

Det laminära flödesregimen täcker endast en liten del av yachtens skrov i bogdelen och endast vid låga hastigheter. Kritiskt värde Re, vid vilket turbulent flöde runt kroppen uppstår, ligger i intervallet 5-10 5-6-10 6 och beror till stor del på formen och jämnheten på dess yta. När hastigheten ökar rör sig punkten för övergången av det laminära gränsskiktet till det turbulenta mot nosen och vid en tillräckligt hög hastighet kan det komma ett ögonblick då hela skrovets våta yta kommer att täckas av ett turbulent flöde. Det är sant att direkt nära huden, där flödeshastigheten är nära noll, finns fortfarande en tunn film med en laminär regim - ett laminärt underskikt - kvar.

Friktionsmotståndet beräknas med formeln:

(13)

R tr - friktionsmotstånd, kg;

ztr - friktionsmotståndskoefficient;

r-massadensitet av vatten;

för färskvatten:

v- yachthastighet, m/s;

W-våt yta, m2.

Friktionsmotståndskoefficienten är ett variabelt värde beroende på arten av flödet i gränsskiktet och kroppens längd L kvl av hastighet v och ytjämnhet på huset.

I fig. Figur 15 visar beroendet av friktionsmotståndskoefficienten ztr på siffran Re och ytjämnhet hos huset. Ökningen av motståndet hos en grov yta jämfört med en slät kan lätt förklaras av närvaron av ett laminärt underskikt i det turbulenta gränsskiktet. Om tuberklerna på ytan är helt nedsänkta i det laminära underskiktet, introducerar de inte signifikanta förändringar i arten av det laminära flödet av underskiktet. Om oregelbundenheterna överstiger tjockleken på underskiktet och sticker ut ovanför det, uppstår turbulisering av vattenpartiklars rörelse genom hela gränsskiktets tjocklek, och friktionskoefficienten ökar i enlighet därmed.

Ris. 15 låter oss inse vikten av att avsluta botten av en yacht för att minska dess friktionsmotstånd. Till exempel om en yacht med en längd på 7,5 m längs vattenlinjen rör sig med en hastighet v= 6 knop (3,1 m/s), sedan motsvarande antal

Låt oss anta att yachtens botten är grov (genomsnittlig höjd av ojämnheter) k== 0,2 mm, vilket motsvarar relativ grovhet

L/k = 7500/0,2 = 3,75 10 4. För en given grovhet och antal R e friktionskoefficienten är lika med z tr = 0,0038 (punkt G).

Låt oss utvärdera om det är möjligt att i detta fall få en bottenyta som är nära tekniskt slät. På R e = 2-10 7 motsvarar en sådan yta den relativa grovheten L/k= 3 10 5 eller absolut grovhet k=7500/3 105 = 0,025 mm. Erfarenheten visar att detta kan uppnås genom att försiktigt slipa botten med fint sandpapper och sedan lacka den. Kommer ansträngningen att vara värt det? Grafen visar att friktionsmotståndskoefficienten kommer att minska till z tr = 0,0028 (punkt D), eller med 30 %, vilket naturligtvis inte kan försummas av ett ekipage som räknar med framgång i racing.

Linje B låter dig uppskatta den tillåtna bottenråheten för yachter av olika storlekar och olika hastigheter. Man kan se att med ökande vattenlinjelängd och hastighet ökar kraven på ytkvalitet.

För orientering presenterar vi grovhetsvärdena (i mm) för olika ytor:

trä, noggrant lackad och polerad - 0,003-0,005;

trä, målade och slipade - 0,02-0,03;

målad med en patenterad beläggning - 0,04-0,C6;

trä, målad med rött bly - 0,15;

vanlig bräda - 0,5;

botten bevuxen med skal - upp till 4,0.

Vi har redan sagt att längs en del av yachtens längd, med utgångspunkt från stammen, kan ett laminärt gränsskikt upprätthållas, om inte överdriven grovhet bidrar till turbulens i flödet. Därför är det särskilt viktigt att noggrant bearbeta skrovets för, alla inkommande kanter på kölen, fenor och roder. För små tvärgående dimensioner - korda - ska hela ytan på kölen och rodret slipas. I den aktre delen av skrovet, där gränsskiktets tjocklek ökar, kan kraven på ytbehandling minskas något.

Nedsmutsningen av botten med alger och snäckor har en särskilt stark effekt på friktionsmotståndet. Om du inte regelbundet rengör botten av yachter som ständigt är i vattnet, kan friktionsmotståndet efter två till tre månader öka med 50-80%, vilket motsvarar en hastighetsförlust i en medelvind på 15-25 %.

Bilda motstånd.Även med ett väl strömlinjeformat skrov kan du under rörelse upptäcka en wake-stream där vattnet gör virvelrörelser. Detta är en följd av separationen av gränsskiktet från kroppen vid en viss punkt (B i fig. 14). Punktens position beror på arten av förändringen i ytkrökningen längs kroppens längd. Ju jämnare akterändens konturer är, desto längre till aktern sker separationen av gränsskiktet och desto mindre virvelbildning sker.

Med normala förhållanden mellan kroppslängd och bredd är formmotståndet lågt. Dess ökning kan bero på närvaron av vassa kindben, brutna skrovlinjer, felaktigt profilerade kölar, roder och andra utskjutande delar. Formmotståndet ökar med en minskning av omfattningen av zonen, det laminära gränsskiktet, så det är nödvändigt att ta bort färgavlagringar, minska grovhet, täta urtag i huden, placera kåpor på utskjutande rör etc.

Vågmotstånd. Utseendet av vågor nära skrovet på ett fartyg under dess rörelse orsakas av vätskans gravitation vid gränsytan mellan vatten och luft. I föränden, där skrovet möter vattnet, stiger trycket kraftigt och vattnet stiger till en viss höjd. Närmare mittsektionen, där, på grund av expansionen av fartygets skrov, flödets hastighet ökar, trycket i det, enligt Bernoullis lag, sjunker och vattennivån minskar. I den aktre delen, där trycket stiger igen, bildas en andra vågtopp. Vattenpartiklar börjar oscillera nära kroppen, vilket orsakar sekundära svängningar av vattenytan.

Ett komplext system av för- och aktervågor uppstår, vilket är samma till sin natur för fartyg av alla storlekar (fig. 16). Vid låga hastigheter är divergerande vågor med ursprung i fartygets för och akter tydligt synliga. Deras åsar är placerade i en vinkel på 36-40° mot mittplanet. Vid högre hastigheter släpps tvärgående vågor, vars toppar inte sträcker sig utanför gränserna för sekten/eran, begränsade av en vinkel på 18-20° mot fartygets DP. Bog- och aktersystemet av tvärvågor interagerar med varandra, vilket kan resultera i både en ökning av höjden på den totala vågen bakom aktern på fartyget och en minskning av den. När de rör sig bort från fartyget absorberas vågornas energi av mediet och de dämpas gradvis.

Mängden vågmotstånd varierar beroende på båtens hastighet. Från teorin om oscillationer är det känt att hastigheten för utbredning av vågor är relaterad till deras längd l förhållande

Var sid = 3,14; v- yachthastighet, m/s; g = 9,81 m/s 2 - acceleration på grund av gravitation.

Eftersom vågsystemet rör sig med yachten är hastigheten på vågutbredningen lika med yachtens hastighet.

Om vi ​​till exempel talar om en yacht med en längd längs vattenlinjen på 8 m, kommer det med en hastighet av 4 knop att finnas ungefär tre tvärgående vågor längs skrovets längd och med en hastighet av 6 knop - en och en halv. Relationen mellan den tvärgående våglängden X skapad av en kropp med längden Lkvl! rör sig i hastighet v, bestämmer till stor del värdet på vågmotståndet.

Kurser i förhållande till vinden. Moderna yachter och segelbåtar är i de flesta fall utrustade med sned segel. Deras utmärkande särdrag är att huvuddelen av seglet eller hela det ligger bakom masten eller förstaget. På grund av att seglets framkant dras hårt längs masten (eller av sig själv) flyter seglet runt luftflödet utan att spola när det är placerat i en ganska spetsig vinkel mot vinden. Tack vare detta (och med lämpliga skrovkonturer) får fartyget förmågan att röra sig i en spetsig vinkel mot vindens riktning.

I fig. 190 visar segelbåtens läge i olika kurser i förhållande till vinden. En vanlig segelbåt kan inte segla direkt mot vinden - seglet skapar i detta fall inte en dragkraft som kan övervinna motståndet från vatten och luft. De bästa kappseglingsyachter i medelvind kan segla tätt i en vinkel på 35-40° mot vindriktningen; Vanligtvis är denna vinkel inte mindre än 45°. Därför tvingas segelbåten ta sig till ett mål som ligger direkt mot vinden. slagning- växelvis styrbord och babord. Vinkeln mellan fartygets kurser på den ena och den andra anropas slagvinkel, och fartygets position med sin fören direkt mot vinden är vänster. Ett fartygs förmåga att slå och röra sig med maximal hastighet direkt i vinden är en av de viktigaste egenskaperna hos en segelbåt.

Kurser från tätt till halvvind, när vinden blåser 90° mot fartygets hamn, kallas skarp; från gulfwind till gipp (vinden blåser rakt akterut) - full. Skilja på brant(förlopp relativt vinden 90-135°) och full(135-180°) bakstag, samt tätdragna (40-60° respektive 60-80° mot vinden).

Ris. 190. Ett segelfartygs kurser i förhållande till vinden.

1 - brant tätdragning; 2 - full tätdragning; 3 - Gulfwind; 4 - backstag 5 - gippa; 6 - vänster.

Synbar vind. Luftflödet som strömmar runt yachtens segel sammanfaller inte med riktningen riktig vind(i förhållande till sushi). Om fartyget rör sig, uppstår ett motflöde av luft, vars hastighet är lika med fartygets hastighet. När det blåser avviker dess riktning relativt fartyget på ett visst sätt på grund av det mötande luftflödet; hastighetens storlek ändras också. Alltså kallade det totala flödet skenbar vind. Dess riktning och hastighet kan erhållas genom att addera vektorerna för den sanna vinden och det mötande flödet (bild 191).

Ris. 191. Synbar vind vid olika kurser av yachten i förhållande till vinden.

1 - tätt dragna; 2 - Gulfwind; 3 - backstag 4 - gippa.

v- yachtens hastighet; v och - sann vindhastighet; v in - skenbar vindhastighet.

Det är uppenbart att på en tät bana är den skenbara vindhastigheten störst och på en gipp den minsta, eftersom i det senare fallet båda flödenas hastigheter är riktade i exakt motsatta riktningar.

Seglen på en yacht är alltid inställda i den skenbara vindens riktning. Observera att yachtens hastighet inte växer i direkt proportion till vindhastigheten, utan mycket långsammare. Därför, när vinden ökar, minskar vinkeln mellan den sanna och skenbara vindens riktning, och i svaga vindar skiljer sig hastigheten och riktningen av den skenbara vinden mer märkbart från den sanna.

Eftersom krafterna som verkar på ett segel som på en vinge ökar i proportion till kvadraten på flödeshastigheten, kan segelbåtar med minimalt motstånd mot rörelse uppleva ett "självaccelerations"-fenomen, där deras hastighet överstiger vindens hastighet . Dessa typer av segelbåtar inkluderar isyachter - isbåtar, bärplansjakter, yachter med hjul (strand) och smala enkelskrovsfartyg med en utriggerflotta. Vissa av dessa typer av fartyg har registrerat hastigheter upp till tre gånger vindhastigheten. Så vårt nationella hastighetsrekord för isbåtar är 140 km/h, och det sattes i en vind vars hastighet inte översteg 50 km/h. Det noterar vi i förbigående absolut rekord seglingshastigheterna på vattnet är betydligt lägre: den installerades 1981 på en specialbyggd tvåmastad katamaran "Crossbau-II" och är lika med 67,3 km/h.

Konventionella segelfartyg, såvida de inte är konstruerade för planing, överskrider sällan deplacementhastighetsgränsen på v = 5,6 √L km/h (se kapitel I).

Krafter som verkar på ett segelfartyg. Det finns en grundläggande skillnad mellan systemet av yttre krafter som verkar på ett segelfartyg och ett fartyg som drivs av en mekanisk motor. På ett motoriserat fartyg verkar propellerns dragkraft - propellern eller vattenstrålen - och kraften från vattenmotståndet för dess rörelse i undervattensdelen, belägen i mittplanet och på ett litet avstånd från varandra vertikalt.

På en segelbåt appliceras drivkraften högt över vattenytan och därför över dragkraftens verkningslinje. Om fartyget rör sig i en vinkel mot vindens riktning - tätt, fungerar dess segel enligt principen om en aerodynamisk vinge, som diskuteras i kapitel II. När luft strömmar runt ett segel skapas ett vakuum på dess läsida (konvexa) och ökat tryck skapas på lovartsidan. Summan av dessa tryck kan reduceras till den resulterande aerodynamiska kraften A(se fig. 192), riktad ungefär vinkelrätt mot segelprofilens korda och applicerad i mitten av seglet (CS) högt över vattenytan.

Ris. 192. Krafter som verkar på skrov och segel.

Enligt mekanikens tredje lag måste varje kraft som appliceras på kroppen (i detta fall på seglen som är anslutna till yachtens skrov genom masten, stående rigg och lakan) under konstant rörelse av en kropp i en rak linje. motverkas av en kraft lika stor och motsatt riktad. På en segelbåt är denna kraft den resulterande hydrodynamiska kraften H, fäst vid undervattensdelen av skrovet (bild 192). Alltså mellan krafterna A Och H det finns ett känt avstånd - skuldran, som ett resultat av vilket ett moment av ett par krafter bildas, tenderar att rotera fartyget i förhållande till en axel som är orienterad på ett visst sätt i rymden.

För att förenkla de fenomen som uppstår under segelfartygs rörelser bryts hydro- och aerodynamiska krafter och deras moment upp i komponenter parallella med huvudkoordinataxlarna. Med ledning av Newtons tredje lag kan vi skriva ut i par alla komponenterna i dessa krafter och moment:

A	- aerodynamisk resulterande kraft;
T	- dragkraften från seglen som för fartyget framåt:
D	- krängningskraft eller drivkraft;
A v	- vertikal (trimning till näsan) kraft;
P	- kärlets masskraft (förskjutning);
M d	- trimningsmoment;
M cr	- krängningsmoment;
M P	- ögonblicket som leder till vinden;
H	- hydrodynamisk resulterande kraft;
R	- kraften av vattenmotstånd mot fartygets rörelse;
R d	- sidokraft eller motstånd mot drift;
H v	- vertikal hydrodynamisk kraft;
γ· V	- flytkraft;
M l	- motståndsmoment mot trimning;
M V	- återställande ögonblick;
M på	- sjunkande ögonblick.

För att fartyget ska kunna röra sig stadigt längs sin kurs måste varje kraftpar och varje momentpar vara lika med varandra. Till exempel drivkraften D och drivmotståndskraft R d skapa ett krängande ögonblick M kr, som måste balanseras av återställningsmomentet M i eller ögonblick av sidostabilitet. Detta ögonblick bildas på grund av masskrafternas verkan P och fartygets flytförmåga γ· V, som verkar på axeln l. Samma krafter bildar motståndsmomentet mot trimning eller momentet för längdstabilitet M l, lika stor och motsatt trimningsmomentet M d. Termerna för den senare är momenten av kraftpar T - R Och A v - H v .

Således är rörelsen av ett segelfartyg på en sned kurs mot vinden förknippad med rullning och trim, och sidokraften D, förutom rullning, orsakar också drift - lateral drift, så vilket segelfartyg som helst inte rör sig strikt i DP:s riktning, som ett fartyg med en mekanisk motor, utan med en liten driftvinkel β. En segelbåts skrov, dess köl och roder blir en bärplansbåt, på vilken ett mötande vattenflöde strömmar i en anfallsvinkel som är lika med driftvinkeln. Det är denna omständighet som avgör bildandet av en drivmotståndskraft på yachtens köl R d, som är en komponent av lyftkraften.

Stabilitet av rörelse och centrering av ett segelfartyg. På grund av krängning, seglens dragkraft T och motståndskraft R verkar fungera i olika vertikala plan. De bildar ett par krafter som för fartyget mot vinden - slår det av den raka kurs det följer. Detta förhindras av ögonblicket för det andra kraftparet - krängning D och drivmotståndskrafter R d, samt en liten kraft N på ratten, som måste appliceras för att korrigera yachtens rörelse längs banan.

Det är uppenbart att fartygets reaktion på verkan av alla dessa krafter beror både på deras storlek och på förhållandet mellan armarna a Och b som de agerar på. Med ökande rullning, armen av drivparet bökar också, och hävstångseffekten av det fallande paret a beror på den relativa positionen segel mitt(CP - appliceringspunkter för de resulterande aerodynamiska krafterna på seglen) och centrum för sidomotstånd(CBS - appliceringspunkter för de resulterande hydrodynamiska krafterna på yachtskrovet).

Att exakt bestämma positionen för dessa punkter är en ganska svår uppgift, särskilt när man betänker att den förändras beroende på många faktorer: fartygets kurs i förhållande till vinden, skärningen och inställningen av seglen, yachtens list och trim, form och profil på kölen och rodret m.m.

När de designar och utrustar yachter arbetar de med konventionella CP och CB, med tanke på att de är placerade i tyngdpunkterna för platta figurer, som representerar segel satta i DP, och konturerna av undervattensdelen av DP med en köl, fenor och roder (bild 193). Tyngdpunkten för ett triangulärt segel, till exempel, är belägen i skärningspunkten mellan två medianer, och den gemensamma tyngdpunkten för de två seglen är belägen på ett rakt linjesegment som förbinder båda seglens CP och delar detta segment i omvänd proportion till deras yta. Om seglet har en fyrkantig form delas dess yta diagonalt i två trianglar och CP erhålls som det gemensamma centrumet för dessa trianglar.

Ris. 193. Bestämning av en yachts villkorliga segelcentrum.

Det centrala centrets position kan bestämmas genom att balansera en mall av DP:s undervattensprofil, utskuren av tunn kartong, på spetsen av en nål. När mallen är placerad horisontellt kommer nålen att vara i den villkorliga mittpunkten. Denna metod är dock mer eller mindre användbar för fartyg med en stor yta av undervattensdelen av DP - för traditionella yachter med en lång köllinje, fartygsbåtar etc. På moderna yachter, vars konturer är utformade på grundval av vingteori, spelas huvudrollen i att skapa kraften av motstånd mot drift av fenkölen och rodret, som vanligtvis installeras separat från kölen. Centrum för hydrodynamiska tryck på deras profiler kan hittas ganska exakt. Till exempel för profiler med en relativ tjocklek δ/ b ca 8% denna punkt är på ett avstånd av ca 26% av ackordet b från den inkommande kanten.

Yachtens skrov påverkar dock på ett visst sätt arten av flödet runt kölen och rodret, och denna påverkan varierar beroende på fartygets roll, trim och hastighet. I de flesta fall, på skarpa kurser mot vinden, rör sig den verkliga tyngdpunkten framåt med avseende på tryckcentrumet som bestämts för kölen och rodret som för isolerade profiler. På grund av osäkerheten vid beräkning av positionen för CP och det centrala centret, när man utvecklar en design för segelfartyg, placerar designers CP på ett visst avstånd a- före - före centralbanken. Mängden framsteg bestäms statistiskt, från en jämförelse med väl beprövade yachter som har undervattenskonturer, stabilitet och seglingsriggar nära designen. Försprånget sätts vanligtvis som en procentandel av fartygets längd vid vattenlinjen och är 15-18 % för ett fartyg utrustat med en Bermuda-slup. L. Ju mindre stabilitet yachten har, desto mer rullning kommer den att ta emot under påverkan av vinden och desto större framsteg krävs av CPU:n framför det centrala styrsystemet.

Exakt justering av den relativa positionen för CP och CB är möjlig när du testar yachten under pågående. Om fartyget tenderar att falla i vinden, särskilt i medelstora och friska vindar, är detta ett stort inriktningsfel. Faktum är att kölen avleder flödet av vatten som strömmar från den närmare fartygets DP. Därför, om rodret är rakt, fungerar dess profil med en märkbart lägre anfallsvinkel än kölen. Om, för att kompensera för yachtens tendens att sjunka, rodret måste flyttas mot vinden, visar sig den lyftkraft som genereras på det vara riktad i läriktningen - i samma riktning som drivkraften D på segel. Följaktligen kommer fartyget att få ökad drift.

En annan sak är yachtens lätta tendens att köras. Rodret, förskjutet 3-4° till läsidan, arbetar med samma eller något större anfallsvinkel som kölen och deltar effektivt i motståndet mot drift. Sidokraft H, som inträffar på rodret, orsakar en betydande förskjutning av den allmänna tyngdpunkten mot aktern samtidigt som drivvinkeln minskas. Men om du för att hålla yachten på en tät kurs hela tiden måste flytta rodret till läsidan i en vinkel större än 2-3°, är det nödvändigt att flytta CPU:n framåt eller flytta det centrala styrsystemet tillbaka, vilket är svårare.

På en färdig yacht kan du flytta CPU:n framåt genom att luta masten framåt, flytta den framåt (om stegdesignen tillåter), förkorta storseglet längs förliken och öka arean på huvudfocken. För att flytta den centrala ratten bakåt måste du installera en fena framför ratten eller öka storleken på ratten.

För att eliminera yachtens tendens att sjunka är det nödvändigt att vidta motsatta åtgärder: flytta tillbaka CPU:n eller flytta mitten framåt.

Rollen av aerodynamiska kraftkomponenter i skapandet av dragkraft och drift. Den moderna teorin om driften av ett snedsegel är baserad på bestämmelserna om vingens aerodynamik, vars element diskuterades i kapitel II. När ett luftflöde strömmar runt ett segel i en anfallsvinkel α mot den skenbara vinden, skapas en aerodynamisk kraft på det A, som kan representeras i form av två komponenter: hiss Y, riktad vinkelrätt mot luftflödet (skenbar vind), och motstånd X- kraftprojektioner A på luftflödets riktning. Dessa krafter används när man beaktar egenskaperna hos seglet och segelutrustningen i allmänhet.

Samtidigt kraft A kan representeras i form av två andra komponenter: dragkraft T, riktad längs yachtens rörelseaxel och drivkraften vinkelrätt mot den D. Låt oss komma ihåg att rörelseriktningen för segelbåten (eller banan) skiljer sig från dess kurs genom värdet på driftvinkeln β, men i ytterligare analys kan denna vinkel försummas.

Om det på en tät bana är möjligt att öka lyftkraften på seglet till värdet Y 1, och frontmotståndet förblir oförändrat, därefter krafterna Y 1 och X, tillagda enligt regeln för vektortillägg, bildar en ny aerodynamisk kraft A 1 (Fig. 194, A). Med tanke på dess nya komponenter T 1 och D 1, kan det noteras att i detta fall, med en ökning av lyftkraften, ökar både tryckkraften och drivkraften.

Ris. 194. Lyftets och dragets roll för att skapa drivkraft.

Med en liknande konstruktion kan man vara övertygad om att med en ökning av luftmotståndet på en tät bana minskar tryckkraften och drivkraften ökar. Vid tätsegling spelar alltså seglets lyftkraft en avgörande roll för att skapa segeldragkraft; luftmotståndet ska vara minimalt.

Observera att på en tät bana har den skenbara vinden den högsta hastigheten, så båda komponenterna i den aerodynamiska kraften Y Och Xär ganska stora.

På en Gulfwind-bana (bild 194, b) lyft är dragkraften och drag är drivkraften. En ökning av seglets motstånd påverkar inte mängden dragkraft: bara drivkraften ökar. Men eftersom den skenbara vindhastigheten i golfvinden minskar jämfört med den täta vinden, påverkar avdriften fartygets prestanda i mindre utsträckning.

Bakstag på kurs (bild 194, V) seglet arbetar i höga anfallsvinklar, vid vilka lyftkraften är betydligt mindre än dragkraften. Om du ökar dragkraften ökar också dragkraften och drivkraften. När lyftkraften ökar, ökar dragkraften och drivkraften minskar (bild 194, G). Följaktligen, på akterstagsbanan, ökar en ökning av både lyft och (eller) motstånd dragkraften.

Under en gippkurs är seglets anfallsvinkel nära 90°, så lyftkraften på seglet är noll, och motståndet riktas längs fartygets rörelseaxel och är dragkraften. Drivkraften är noll. För att öka seglens dragkraft är det därför lämpligt att öka motståndet på en gippbana. På kappseglingsyachter görs detta genom att sätta ytterligare segel - en spinnaker och en blooper, som har en stor yta och en dåligt strömlinjeformad form. Observera att på en gippkurs påverkas yachtens segel av den skenbara vinden med minsta hastighet, vilket orsakar relativt måttliga krafter på seglen.

Driftmotstånd. Som visas ovan beror drivkraften på yachtens kurs i förhållande till vinden. När man seglar tätt är det ungefär tre gånger dragkraften T, flytta fartyget framåt; på Gulfwind är båda krafterna ungefär lika stora; på ett brant bakstag visar sig seglets dragkraft vara 2-3 gånger större än drivkraften och på en ren gibb finns ingen drivkraft alls. Följaktligen, för att en segelbåt framgångsrikt ska kunna röra sig framåt på kurser från tätdragen till golfvind (i en vinkel på 40-90° mot vinden), måste den ha tillräckligt sidomotstånd mot drift, mycket större än vattnets motstånd till yachtens rörelse längs banan.

Funktionen att skapa motstånd mot drift på moderna segelfartyg utförs främst av fenkölar eller centerboards och roder. Mekaniken bakom genereringen av lyft på en vinge med en symmetrisk profil, såsom kölar, centerboards och roder, diskuterades i kapitel II (se sidan 67). Observera att avdriftsvinkeln för moderna yachter - attackvinkeln för kölen eller centerboardprofilen - sällan överstiger 5°, därför är det nödvändigt att välja dess optimala dimensioner, form och tvärsnittsprofil vid design av en köl eller centerboard. för att erhålla maximal lyftkraft med minimalt motstånd vid låga anfallsvinklar.

Tester av aerodynamiska symmetriska bärytor har visat att tjockare bärytor (med ett större tvärsnittstjockleksförhållande t till hans ackord b) ger större lyftkraft än tunna. Men vid låga hastigheter har sådana profiler högre luftmotstånd. Optimala resultat på segelbåtar kan uppnås med költjocklek t/b= 0,09÷0,12, eftersom lyftkraften på sådana profiler beror lite på fartygets hastighet.

Profilens maximala tjocklek bör placeras på ett avstånd av 30 till 40 % av kordan från kölprofilens framkant. NACA 664‑0-profilen har också goda egenskaper med en maximal tjocklek placerad på ett avstånd av 50 % av kordan från nosen (Fig. 195).

Ris. 195. Profilerad kölfena av en yacht.

Ordinater av rekommenderade profiler för sektioner av yachtkölar och centerboards

	Avstånd från pipen x, % b
	2,5	5	10	20	30	40
	Ordinater 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; relativ tjocklek δ	Avstånd från pipen x, % b
	50	60	70	80	90	100
	Ordinater y, % b
NACA-66; 5 = 0,05	4,41	3,80	3,05	2,19	1,21	0,11
Profil för centerboards; 5 = 0,04	3,88	3,34	2,68	1,92	1,06	0,10
Köl av yacht NACA 664-0; 5 = 0,12	12,00	10,94	8,35	4,99	2,59	0

För lätta racingjollar som kan hyvla och nå höga hastigheter används centerboards och roder med tunnare profil ( t/b= 0,044÷0,05) och geometrisk förlängning (fördjupningsförhållande d till mittackordet b ons) till 4.

Förlängningen av kölarna på moderna kölyachter sträcker sig från 1 till 3, roderen - upp till 4. Oftast har kölen formen av en trapets med en lutande framkant, och lutningsvinkeln har en viss effekt på mängden lyft och drag av kölen. Vid förlängning av kölen runt λ = 0,6 kan en lutning av framkanten på upp till 50° tillåtas; vid X = 1 - ca 20°; för λ > 1,5 är en köl med vertikal framkant optimal.

Den totala arean av kölen och rodret för att effektivt motverka drift antas vanligtvis vara från 1/25 till 1/17 av huvudseglens area.

Vindarna som är i den södra delen Stilla havet blåsa in mot väster. Det är därför vår rutt utformades så att vi på segelbåten "Juliet" rör oss från öst till väst, det vill säga så att vinden blåser i ryggen.

Men om du tittar på vår rutt kommer du att märka att vi ofta, till exempel när vi flyttade från söder till norr från Samoa till Tokelau, var tvungna att röra oss vinkelrätt mot vinden. Och ibland ändrades vindriktningen helt och vi fick gå i motvind.

Julias väg

Vad ska man göra i det här fallet?

Segelfartyg har länge kunnat segla mot vinden. Klassikern Yakov Perelman skrev om detta för länge sedan väl och enkelt i sin andra bok från serien "Entertaining Physics". Jag presenterar detta stycke här ordagrant med bilder.

"Segling mot vinden

Det är svårt att föreställa sig hur segelfartyg kan gå "mot vinden" - eller, som sjömän säger, gå "nära". Visserligen kommer en sjöman att säga till dig att du inte kan segla direkt mot vinden, men du kan bara röra dig i en spetsig vinkel mot vindens riktning. Men denna vinkel är liten - ungefär en fjärdedel av en rät vinkel - och det verkar kanske lika obegripligt: ​​om man ska segla direkt mot vinden eller i en vinkel på 22° mot den.

I verkligheten är detta dock inte likgiltigt, och vi ska nu förklara hur det är möjligt att röra sig mot det i en liten vinkel av vindens kraft. Låt oss först titta på hur vinden i allmänhet verkar på seglet, det vill säga var den trycker på seglet när det blåser på det. Du tror säkert att vinden alltid trycker seglet i den riktning det blåser. Men det är inte så: var vinden än blåser, trycker den seglet vinkelrätt mot seglets plan. Verkligen: låt vinden blåsa i den riktning som anges av pilarna i figuren nedan; linjen AB representerar seglet.

Vinden trycker alltid seglet i rät vinkel mot dess plan.

Eftersom vinden pressar jämnt på hela seglets yta ersätter vi vindtrycket med en kraft R som appliceras på mitten av seglet. Vi kommer att dela denna kraft i två: kraften Q, vinkelrät mot seglet, och kraften P, riktad längs den (se figuren ovan, till höger). Den sista kraften trycker seglet ingenstans, eftersom vindens friktion på duken är obetydlig. Kraften Q kvarstår, vilket trycker seglet i rät vinkel mot det.

Genom att veta detta kan vi lätt förstå hur ett segelfartyg kan segla i spetsig vinkel mot vinden. Låt linje KK representera fartygets köllinje.

Hur kan du segla mot vinden?

Vinden blåser i en spetsig vinkel mot denna linje i den riktning som anges av en serie pilar. Line AB representerar ett segel; den är placerad så att dess plan delar vinkeln mellan kölens riktning och vindens riktning. Följ kraftfördelningen i figuren. Vi representerar vindtrycket på seglet med kraften Q, som vi vet måste vara vinkelrät mot seglet. Låt oss dela upp denna kraft i två: kraften R, vinkelrät mot kölen, och kraften S, riktad framåt längs fartygets köllinje. Eftersom fartygets rörelse i riktning R möter starkt motstånd från vattnet (köla in segelbåtar blir mycket djup), balanseras kraften R nästan helt av vattnets motstånd. Det återstår bara en kraft S, som, som du ser, är riktad framåt och därför förflyttar fartyget i en vinkel, som mot vinden. [Det kan bevisas att kraften S är störst när seglets plan delar vinkeln mellan kölen och vindriktningen.]. Vanligtvis utförs denna rörelse i sicksack, som visas i figuren nedan. På sjömäns språk kallas en sådan rörelse av fartyget "tackning" i ordets strikta mening."

Låt oss nu titta på allt möjliga vägbeskrivningar vind i förhållande till båtens kurs.

Diagram över fartygets kurs i förhållande till vinden, det vill säga vinkeln mellan vindriktningen och vektorn från aktern till fören (kurs).

När det blåser i ditt ansikte (leventik) dinglar seglen från sida till sida och det är omöjligt att röra sig med seglet. Självklart kan man alltid sänka seglen och sätta på motorn, men detta har inte längre med segling att göra.

När vinden blåser rakt bakom dig (gibb, medvind) sätter de accelererade luftmolekylerna tryck på seglet på ena sidan och båten rör sig. I det här fallet kan fartyget bara röra sig långsammare än vindhastigheten. Analogin med att cykla i vinden fungerar här - vinden blåser i ryggen och det är lättare att vrida på pedalerna.

När seglet rör sig mot vinden (nära draget) rör sig seglet inte på grund av trycket från luftmolekyler på seglet bakifrån, som i fallet med en gip, utan på grund av den lyftkraft som skapas på grund av olika lufthastigheter på båda sidor längs seglet. Dessutom, på grund av kölen, rör sig båten inte i en riktning vinkelrät mot båtens kurs, utan bara framåt. Det vill säga att seglet i det här fallet inte är ett paraply, som i fallet med ett tätdraget segel, utan en flygplansvinge.

Under våra passager gick vi huvudsakligen förbi backstag och golfvindar med medelhastighet vid 7-8 knop vid en vindhastighet på 15 knop. Ibland seglade vi mot vinden, halvvind och tätt. Och när vinden lagt sig slog de på motorn.

I allmänhet är en båt med ett segel som går mot vinden inte ett mirakel, utan en verklighet.

Det mest intressanta är att båtar inte bara kan segla mot vinden, utan även snabbare än vinden. Detta händer när båten backstag och skapar sin egen vind.