Особенности движения парусной яхты.

Силы нa парусах и корпусе.

Суда, приспособленные для движения под парусами, имеют ряд специфических особенностей, отличающих их от судов с механическим двигателем.

Эти особенности обусловлены использованием ветра в качествe энергии для движения, а в качестне движителя — пapycoв. Большинство людей хорошо знакомо с простым прямыми пapycaми, которые ставятся преимущественно на попуктных к ветру курсах .

Такой пapyc является плохо обтекаемым телом. На eгo подветренной стороне создается разрежение, на наветренной — повышенное давление.

Суммируясь по всей площади паруса, разность давлений образует силу сопротивления, направленную по курсу судна и приводящую eгo в движение. Прямой парус создаст тягу и при плавании под углом к направлению ветра вплоть до курса полный бейдевинд (60 — 70 градусов к ветру).

На этом курсе на ветровой поток воздуха накладывается встречный поток, вызванный скоростью продвижения судна вперед; вектор скорости cyммарного потока накладывается направленным к парусу уже не под 60 или 70 градусов, а гораздо острее.

Парус начинает работать уже по другому принципу — аэродинамического крыла. С кормовой кромки срывается выхрь, вызывающий циркуляцию потока воздуха вокруг паруса направление которой совпадает с общим потоком у подветренной стороны паруса и противоположному ему у наветренной.

Вследствае ускорения частиц воздуха на подветренной стороне возникает разрежение, а на наветренной, где движение частиц замедляется, создается пониженное давление, В результате образуется аэродинамическая сила, проекция которой на направление движения судна и является полезной тягой паруса.

При расположении паруса под углом к ветру он также обладает сопротивлением, но в данном случае сила сопротивления не только не создает тяги, но и наоборот тормозит движение судна.

Если на попутном курсе чем больше сопротивление, тем больше тяга паруса, то на курсе бейдевинд важно по возможности снизить сопротивление (по аналогии с аэродинамикой крыла оно называется лобовым) и увеличивает вторую составляющую аэродинамической силы – подъемную силу Y, направленную перпендикулярно направлению воздушного потока — вымпельного ветра.

Для таких условий работы прямой парус оказывается малоэффективным. Исследования парусов показали, что подъемная сила создается в основном за счет разрежения на подветренной поверхности, которое достигает своего максимума вблизи кромки паруса, обращенной к ветру.

Помимо прочих факторов величина разрежения зависит от формы — профиля паруса, который принимает парус наполненный ветром, от расположения и глубины выпуклости или «пуза» паруса.

Поэтому наибольшее распространение на спортивных и прогулочных судах приобрели косые паруса, которые устанавливаются одной из своих боковых кромок – передней шкаториной – к ветру. Этой шкаторине придается прямолинейность при помощи мачты или штага; парус же выкраивается с выпуклым профилем, имеющем глубину «пуза» от 6 до 12% его хорды.

Косые паруса эффективно работают под малыми углами атаки к вымпельному ветру — 5 – 8 градусов, благодаря чему суда , имеющие специально рассчитанные для плавания под парусами обводы, могут идти в бейдевинд под углом 30 — 35 градусов к направлению истинного ветра и продвигаться против ветра в лавировку — галсами.

Из схемы видно, что сила тяги T оказывается намного меньше боковой силы D, называемой дрейфа так как она вызывает перемещение судна — дрейф его в подветренную сторону. Следовательно, для того чтобы парусник эффективно продвигался в сторону ветра, он должен иметь достаточно большое сопротивление дрейфу и по возможности малое сопротивление в направлении движения.

Первое из этих качеств достигается благодаря применению килевых обводов с развитой боковой поверхностью или же эффективных профилированных килей – плавников, являющихся гидродинамическими крыльями малого удлинения.

Поскольку судно движется под углом дрейфа относительно его диаметральной плоскости, на таком плавнике создается гидродинамическая сила, направленная в наветренную сторону, т. е. против силы дрейфа, действующей на парус.

При установившемся движении обе силы должны быть равны по величине и располагаться в одной вертикальной плоскости

Обратимся теперь к рисунку на котором представлена несколько упрощенная пространственная картина действия основных сил на парус и корпус яхты.

Считается, что аэродинамическая сила приложена к парусам в условном центре парусности — (ЦП), за который в предварительных расчетах принимается геометрический центр тяжести парусов, поставленных в ДП судна. Для треугольного паруса ЦП является точкой пересечения двух медиан, т. е. аэродинамическая сила и ее составляющая D приложены достаточно высоко над ватерлинией.

Сила сопротивления дрейфу Rd подобным же образом считается приложенной в центре бокового сопротивления (ЦБС), за который принимается геометрический центр тяжести боковой проекции подводной части ДП судна с килем и рулем. В зависимости от обводов подводной части ЦБС оказывается расположенным на глубине 15 — 25 % осадки яхты.

Таким образом, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу Rd оказываются приложенными на довольно большом плече l и образуют кренящий момент M = D*l/. Следствием этого является неизбежный крен, с которым происходит движение парусных судов на острых углах к ветру.

Величина этого крена зависит от остойчивости судна, а для его уменьшения яхту снабжают тяжелым (от 30 до 60 % водоизмещения) балластным фальшкилем или откренивают, если речь идет о легком швертботе.

Гораздо меньший дифферентующий на нос момент создает пара сил тяги Т и сопротивления воды движению яхты R, которая также уравновешивается восстанавливающим моментом продольной остойчивости судна.

Гораздо более существенное влияние на управляемость судна оказывает другой момент этих сил, действующий в горизонтальной плоскости и возникающий вследствие того, что сила T смещается при крене в сторону накрененного борта.

Момент сил T и R? (Mпр = T*b) стремится повернуть судно носом против ветра (или привести его к ветру, как говорят яхтсмены). Противодействовать этому можно при помощи руля, но дизайнеры стараются создать компенсирующий момент за счет сил D и Rd, вынося ЦП вперед от ЦБС на большую величину a.

В зависимости от обводов судна, типа оснастки и парусов эта величина составляет от 5 до 20% длины судна по ватерлинии. Большая цифра относится к современным спортивным яхтам, имеющим глубокий плавниковый киль и руль и оснащенными высокими узкими парусами бермудского типа; меньшая — к судам типа старинных шхун с прямой длинной линией киля и широкими гафельными парусами.

Многое зависит и от остойчивости судна: чем она меньше, там больший крен на ходу получает яхта, тем дальше от борта смещается сила T и тем больше необходимо разнести ЦП и ЦБС. При черезмерном носовом расположении ЦП относительно ЦБС яхта получает тенденцию — уваливаться под ветер — отворачивать форштевень от ветра.

В этом случае приходится перекладывать на ветер , вследствие чего скорость яхты может заметно снизится ( так же, как и в случае недостаточного опережения ЦП перед ЦБС , когда руль отклоняют в подветренную сторону).

Подводя итог, можно сформулировать основные требования, которым должно удовлетворять судно, предназначенное для плавания острыми курсами к ветру:

1. Оно должно быть достаточно остойчивым, чтобы не получать в свежий ветер черезмерного крена;

2. Судно следует оснастить эффективными парусами, способными pазвивать достаточную аэродинамическую силу на малых углах атаки к вымпельному ветру;

3. Судно должно иметь эффективный киль для сопротивления дрейфу;

4. Оно должно быть хорошо отцентровано для обеспечения устойчивости на курсе.

Еще одна особенность парусных судов – это непостоянство величины силы тяги, которая зависит от скорости ветра. Поэтому режим эксплуатации парусника изменяется в широких пределах — от водоизмещающего плавания с минимальной скоростью до глиссирования (при благоприятных условиях) на гребне волны.

С расчетом на весь этот диапазон или же на какую – либо часть его – в зависимости от преобладающих ветровых условий в районе плавания — и проектируются обводы корпуса, выбирают ту или иную площадь парусности и остойчивость судна.

Как правило, мощности, развиваемой парусами, оказывается достаточно для достижения максимальной скорости Fr = 0.5, или V = 3 v L уз, где L – длина яхты по ватерлинии, м.

Конструктивные типы парусных яхт. В зависимости от того, каким образом обеспечивается боковое сопротивление дрейфу и остойчивость судна, необходимые для плавания под парусами, различают несколько основных конструктивных типов парусных лодок и яхт.

Килевая яхта имеет киль — глубокий плавник, создающий значительное боковое сопротивление. К нижней части этого плавника крепится чугунный или свинцовый груз, называемый балластным килем нли фальшкилем.

Киль может быть образован обводами корпуса и составлять с ним одно целое либо выполнен в виде отдельного плавника,имеющего в поперечных сечениях симметричный авиационный профиль, или бульбкиля (вертикальный лист с тяжелой отливкой внизу.

Чем яснее выделен из корпуса яхты киль и больше его удлинение, тем эффективнее он противодействует дрейфу, тем относительно меньше может быть принята его площадь.

При длинной килевой линии площадь ДП может составлять 1/5 площади парусности S; при нормальных яхтенных обводах — 1/7S; при плавниковом киле — 1/12S.

На современных спортивных яхтах применяют преимущественно плавниковые профилированные кили, напоминающие авиационные крилья малого удлинения.

Форма, профиль и размеры плавника выбираются с учетом того, чтобы киль развивал максимальную подъемную силу на малых углах атаки — 3 – 5 градуса, соответствующих углу дрейфа современных яхт.

Для реальных скоростей, с которыми плавают парусники, оптимальны кили с относительной толщиной t/b = 0.09 – 0.12 (t – толщина сечения киля, b – хорда профиля).

Максимальная толщина профиля должна располагаться на расстоянии от 30 до 40% хорды от передней кромки профиля киля. Хорошими качествами обладает также профиль NASA 664-0 c максимальной толщиной, расположенной на расстоянии 50% хорды от носка.

Удлинение килей современных килевых яхт составляет от 1 до 3, рулей до 4.

Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой, причем угол наклона оказывает определенное влияние на величину подъемной силы и лобового сопротивления киля. При удлинении киля около l = 0.6 может быть допущен наклон передней кромки до 50 градусов ; при l = 1 — около 20 градусов; при l больше 1,5 оптимален киль с вертикальной передней кромкой.

Суммарная площадь киля и руля для эффективного противодействия дрейфу принимается обычно равной от 1/25 и 1/17 площади основных парусов. Руль, как правило, устанавливается отдельно от киля и эффективно участвует в создании силы сопротивления дрейфу, являясь тем же профилированным крылом с небольшой площадью.

Масса балластного фальшкиля составляет от 25 до 40% водоизмещения судна, благодаря чему центр тяжести яхты оказывается распределенным достаточно низко (чаще всего под ватерлинией или слегка выше ее). Остойчивость килевой яхты всегда положительна и достигает максимума при крене около 90 градусов, когда паруса уже лежат на воде.

Разумеется, в этом случае судно остается на плаву, если оно имеет надежные закрытия всех палубных отверстий и самоотливной кокпит, не сообщающийся с основным помещением. Килевая яхта имеет большую осадку и предназначена для плавания по морях и озерах с глубокой водой и сильными ветрами.

Швертбот — легкое парусное судно, используемое на мелководье. Боковое сопротивление обеспечивается благодаря шверту – плоскому или профилированному тонкому килю, который для уменьшения осадки убирается внутрь, корпуса в специальный колодец, установленный в ДП.

Масса шверта, даже если он изготовлен из металла, невелика и практически не оказывает существенного влияния на остойчивость лодки. Остойчивость швертботов обычно обеспечивается за счет увеличения ширины корпуса, причем чем меньшее судно, тем относительно более широким должен быть корпус.

Кроме того, уменьшить крен активно помогает экипаж лодки, располагаясь на планшире или даже откидываясь за борт с помощью трапеции — подвески с поясом, крепящейся к мачте на длинном стальном тросе.

При крене порядка 60 – 80 градусов сила плавучести и сила веса швертбота оказываются расположенными на одной плоскости — наступает момент неустойчивого равновесия.

Достаточно небольшого порыва ветра или удара волны, чтобы положить лодку парусами на воду. Поэтому мореходность швертбота ограничена и плавание на нем допускается лишь вблизи берегов и на сравнительно закрытых от ветра и волнения акваториях.

Наибольшее распространение получили вращающиеся шверты секторного типа, мечевидные, L– образные, а также втыкающиеся в колодец кинжальные. Вращающиеся шверты удобнее втыкающихся, так как они при посадке на мель не так сильно нагружают конструкцию корпусов.

В то же время для них требуется колодец больших размеров, загромождающий кокпит лодки. Втыкающиеся шверты применяют в основном на самых малых парусных лодках.

Узкие и длинные (удлинение l до 4) мечевидные и кинжальные шверты, как правило, выполняются профилированными с относительной толщиной t/b = 0.05 – 0.08 (на гоночных лодках – 0,044 – 0,05). Шверты других типов вырезаются из металлического листа.

Площадь профилированного шверта, имеющего повышенную эффективность в создании боковой силы сопротивления дрейфу, принимается обычно равной 1/25 – 1/30 площади парусности S. Если шверт секторный или L – образный, его площадь должна быть не менее 1/20S.

Чтобы повысить остойчивость при сохранении малой осадки, иногда строят яхты с тяжелыми швертами (падающими килями).

Такой шверт представляет собой полую сварную коробку из металлических листов, заполненную внутри балластом.

Колодец для киля в этом случае выполняется по всей высоте корпуса – от днища до палубы. Киль весящий 18 – 30% водоизмещения яхты, втягивается в клодец при помощи талей, винтовых домкратов или гидравлических устройств.

Тяжелые литые или вырезанные из толстого стального листа шверты применяют и для повышения остойчивости крейсерских швертботов.

Компромисс — является промежуточным типом между килевой яхтой и швертботом.

Благодаря увеличенной, по сравнению, со швертботом осадке и наличию балластного фальшкиля компромисс более устойчив, чем швертбот. В то же время для его плавания требуется акватория с меньшими глубинами, чем для килевой яхты.

Швертовый колодец на компромиссе может размещаться полностью в фальшкиле и не загромождать каюту. Компромисс используется главным образом в районах, где имеются открытые водные пространства с сильными ветрами, но с малой глубиной, а также для комбинированного плавания , когда в одном плавании приходится и проходить реку и выходить в море.

Многокорпусные суда — катамараны, тримараны и проа — составляют особую группу парусных судов. Общим для них является обеспечение поперечной остойчивости за счет силы поддержания, которая создается при крене на погружающемся в воду подветренном корпусе или поплавке.

У катамарана водоизмещение распределено поровну между обоими корпусами. Уже при небольшом крене водоизмещение резко перераспределяется : сила плавучести корпуса, погружающегося в волду, увеличивается.

Когда другой корпус выходит из воды (при крене 8 – 15 градусов), плечо остойчивости достигает максимальной величины и оно немного меньше половины расстояния между ДП корпусов. При дальнейшем увеличении крена катамаран ведет себя подобно швертботу, экипаж которого висит на трапеции.

При крене 50 – 60 градусов наступает момент неустойчивого равновесия, после чего остойчивость катамарана становится отрицательной – судно опрокидывается.

Катамаран имеет огромную начальную остойчивость, и только быстрое уменьшение восстанавливающего плеча после выхода наветренного корпуса из воды заставляет дизайнеров предусматривать специальные меры, предотвращающие опрокидывание двухкорпусных судов – снабжать их автоматикой для отдачи шкотов по достижении определенного угла крена, легкими жесткими или надувными поплавками на топах мачт и т. п.

На тримаране суммарный объем боковых поплавков составляет обычно 75 – 100% водоизмещения, поэтому максимальная остойчивость у этого типа судов достигает в момент полного погружения подветренного поплавка в воду.

На стоянке и на ходу без крена поплавки не касаются поверхности воды. Преимуществом многокорпусных судов перед обычными яхтами и швертботами обуславливается их узкими и длинными корпусами.

Отношение длины корпуса к ширине на катамаране составляет от 10 до 20; средний корпус быстроходного тримарана имеет L/B = 8 – 11, а поплавки — 14 – 18. Благодаря этому, а также отсутствию тяжелого фальшкиля многокорпусные суда испытывают меньшее сопротивление воды движению и могут развивать значительно более высокие скорости (до 20 узлов и выше), чем однокорпусные яхты.

Кроме того, при небольшом значении дрейфа на узких и длинных корпусах развивается боковая сила сопротивления дрейфу такой величины, что целесообразно отказаться от применения швертов. Таким образом , многокорпусное судно может эксплуатироваться при малой глубине на акватории, чем килевая яхта или компромисс.

Источник: По мтериалам зарубежной печати.