Характеристика паруса как движителя яхты.

Основным типом паруса, которым сейчас оснащаются прогулочные, туристские и спортивные суда, является бермудский. Этот парус имеет высокие аэродинамические качества на ocтрых курсах к ветру, прост в постановке и управлении.

К его недостаткам относят сравнительно большую высоту мачты, а также скручивание паруса по высоте, проявляющееся в различии значений угла атаки eгo нижней и верхией части. Подавляющее число мaлых парусных судов оснащаемых шлюпом — одномачтовым вооружением с двумя парусами – гротом и стакселем.

Передней шкаториной грот крепится к мачте посредством ликпаза — продольной выемки в виде желоба, в который входит ликтрос, или при помощи ползунков скользящих по рельсу, закрепленному вдоль мачты. Нижняя шкаторина чаще всего крепится такими же способами к гику.

Стаксель присоединяется к штагу посредством ракс — карабииов или же егo передняя шкаторина заводится в ликпаз обтекателя штага.

Площадь основнoгo стакселя, который ставится в средний ветер составляет от 30 до 40 % общеи площади паpycноcти.

В слабый ветер этот стаксель заменяют генуэзским с большой площадью, а в свежий — ставят сменные штормовые паруса, имеющие меньшую площадь и сшитые из прочной ткани. Стаксель играет важную роль в создании силы тяги, Во – первых, он не имеет по передней шкаторине такого источника, как мачта, которая отрицательно влияет на работу грота.

Во – вторых, благодаря ускорению потока воздуха в щели между стакселем и гротом увеличивается разрежение на подветренной стороне грота и предотвращается образование здесь завыхрений. В связи с этим в последние годы дизайнеры яхт стараются как можно больше увеличить площадь стакселя , тем самым распространяя его влияние по всей высоте грота.

Часто применяется оснастка с топовым стакселем , фал которого проводится не топ мачты. Традиционный тип оснастки с проводкой штага на верхнюю четверть мачты получил название вооружения «3/4» или «7/8» в зависимости от положения точки крепления штага на мачте.

Современная теория косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла. Если рассматривать движение яхты острыми курсами к ветру, то эффективность паруса как движителя зависит от тех же параметров, что и эффективность жесткого крыла в создании подъемной силы:

— площадь поверхности паруса;

— профиль его поперечного сечения;

— аэродинамического удлинения и формы контура паруса;

— угла установки паруса по отношению к вымпельному ветру;

— скорости вымпельного ветра.

При изготовлении парусам придается правильный выпукло вогнутый профиль поперечного сечения по всей высоте , называемый яхтсменами «пузом».

Такой парус хорошо работает при малых углах атаки, обтекание его происходит плавно, без срыва вихрей на подветренной стороне. Благодаря выпуклости поток воздуха получает здесь дополнительное ускорение, что сопровождается понижением давления и ростом подъемной силы.

Относительная величина «пуза», т. е. отношение стрелки вогнутости f к хорде паруса b, оказывает существенное влияние на аэродинамические силы, действующие на паруса и, следовательно, на тягу и силу дрейфа.

При обтекании плоского паруса на его подветренной стороне образуются выхри и срывы струи, на что затрачивается энергия ветра, а условия для создания пониженного давления здесь ухудшаются.

Поэтому плоский парус имеет гораздо более низкие тяговые характеристики, чем «пузатый». В то же время при увеличении «пуза» возрастает и лобовое сопротивление паруса, что ограничивает его рациональную величину значениями f/b = 1/8 – 1/10.

Кроме того, приходится считаться и с силой дрейфа, которая при увеличении «пуза» возрастает в гораздо большей степени, чем сила тяги. Поэтому паруса с f/b = 1/10 применяют лишь в слабые ветра, когда абсолютная величина силы дрейфа невелика.

Такие паруса используют также в качестве дополнительных на полных курсах, начиная от галфвинда, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения.

В качестве же основных парусов для средних ветров (3 – 4 балла) применяют более плоские паруса (f/b = 1/12); для сильных ветров оптимальны паруса с «пузом» 1/17 – 1/20. В свежий ветер судно с более плоским парусом идет круче к ветру, с меньшим креном и дрейфом, чем оснащенное «пузатым» парусом.

Кроме величины пуза, большое влияние на тяговые характаристики паруса оказывает расположение максимальной выпуклости профиля относительно передней шкаторины .

На рисунке показано распределение разрежения на подветренной стороне жесткой модели паруса с пузом f/ b = 0,188 при отстоянии максимального пуза на 40 и 60 % хорды от передней кромки при угле атаки 15 градусов.

Нетрудно сделать вывод о том, что в создании движущей силы главную роль играет передняя часть паруса. Именно здесь концентрируется разрежение у паруса с пузом, расположенным в 40% b от передней шкаторины.

У второго паруса (максимальное пузо расположено в 60% b от передней шкаторины) область разрежения охватывает в основном заднюю часть профиля, вследствие чего увеличивается составляющая давления R, направленная против движения яхты.

Таким образом, при смещении пуза к задней шкаторине эффективность паруса снижается как вследствие падения подъемной силы, так и роста сил сопротивления.

Лавировочные паруса поэтому и шьют с максимальной глубиной пуза, расположенной на расстоянии от 35 – 40% хорды для плоских парусов до 40 – 50% хорды для более полных, рассчитанных на слабые ветра.

Особенно недопустим такой дефект парусов, как слишком тугая и заворачивающаяся в наветренную сторону задняя шкаторина, на которой образуются тормозящие движение лодки силы. Поэтому для поддержания задней части паруса используют плоские гибкие линейки — латы.

В верхней части паруса и гика образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную — в область разрежения. Вследствие этого образуются вихри, срывающиеся с кромок паруса.

Эти возмущения потока требуют затрат кинетической энергии ветра, которые выражаются в росте общего аэродинамического сопротивления судна в виде составляющей индуктивного сопротивления.

Очевидно, что наибольшим индуктивным сопротивлением обладает четырехугольный гафельный парус, у которого перетекание воздуха происходит по широким верхней и нижней шкаторинам.

Чем больше длина этих шкаторин по отношению к высоте паруса (следовательно, меньше удлинение паруса, тем больше потери энергии ветра на завихрения и меньше тяга паруса).

Поэтому, для того чтобы развить достаточную тягу на острых курсах, парус должен иметь аэродинамическое удлинение в пределах l = 4 — 5. Кроме того, индуктивное сопротивление меньше у паруса, контур которого в верхней части близок к очертанию плуэллипса.

Следует, однако, иметь в виду, что на высоком парусе точка приложения аэродинамических сил располагается довольно высоко и создается большой кренящий момент на единицу площади, чем у низкого паруса.

Поэтому удлинение парусов выбирают в соответствии с остойчивостью судна: чем она выше, тем более высокая парусность может быть применена на яхте.

Если же парус используется в основном при попутных ветрах, то требуется, чтобы он создавал большое сопротивление набегающему потоку воздуха.

Иными словами, форма его должна быть плохо обтекаемой. Низкий широкий парус в этом случае дает наибольшую тягу при умеренном кренящем моменте.

Такой парус может иметь четырехугольную трапециевидную форму с рейком и гафелем. Большое влияние на аэродинамические качества грота оказывает мачта, которая является источником образования вихрей, попадающих как на наветренную, так и на подветренную стороны паруса.

Особенно неблагоприятно это сказывается на подветренной стороне, где вихревой след мачты уменьшает разрежение; вследствие этого величина подъемной силы падает.

Кроме того, и сама мачта обладает довольно большим лобовым сопротивлением. Мачта с большим поперечным сечением может снизить подъемную силу паруса на 25% по сравнению с парусом поставленным на штаге.

Большую роль играет форма поперечного сечения мачты. Важно, чтобы на курсе бейдевинд, когда судно идет под углом 25 – 30 градусов к направлению вымпельного ветра, вихревая дорожка, срывающаяся с подветренной стороны мачты, имела минимальную ширину.

Наибольшее распространение на парусных судах получили мачты овального поперечного сечения с соотношением размеров по ДП к размеру по траверзу около 3/2.

Каплевидные и другие типы обтекаемых профилей целесообразны только в том случае, если мачта вращается для установки под наивыгоднейшим углом к вымпельному ветру при перемене галса. Такими мачтами снабжаются обычно буера и катамараны.

От угла установки паруса по отношению к вымпельному ветру зависит режим обтекания его подветренной стороны, величина разрежения и подъемной силы.

Опыты показывают, что при определенном угле атаки происходит отрыв пограничного слоя от подветренной поверхности паруса, а при дальнейшем увеличении – a т. е. выбирании шкотов, здесь образуется обширная вихревая полость.

Это сопровождается падением разрежения и его перераспределением вдоль хорды паруса; в итоге подъемная сила паруса резко падает, а лобовое сопротивление возрастает.

Величина критического угла атаки, при котором подъемная сила начинает падать , зависит от глубины f профиля и аэродинамического удлинения l паруса, размеров сечения мачты или диаметра штага.

Чем более пузат парус и чем больше его удлинение, тем при меньшем угле атаки происходит срыв потока. В слабый ветер поток срывается с паруса при меньших углах атаки, чем в сильный ; такой же эффект дает наличие мачты.

При постановке стакселя перед гротом благодаря повышению скорости воздушного потока в зазоре между парусами срыв потока с грота происходит при больших углах атаки , парус можно выбрать сильнее без ущерба для его подъемной силы.

Опыт показывает, что для бермудских парусов средней полноты наивыгоднейшие углы атаки на полных курсах вплоть до бакштага находятся в пределах 6 – 10 градусов ; на острых курсах они уменьшаются до 5 – 8 градусов.

При увеличении угла атаки сверх критического подъемная сила падает при одновременном росте лобового сопротивления. При a = 90 градусов подъемная сила на парусе не возникает; он обладает только лобовым сопротивлением.

При выбирании шкотов удается контролировать угол атаки нижней трети паруса, а в верхней — ткань может отклоняться под ветер, уменьшая тем самим угол атаки между нижней и верхней частью паруса может достигать 20 градусов.

А так как парус выбирают, ориентируясь на поведение его верхней части (пока не перестает заполаскивать ткань у передней шкаторины), то нижняя часть чаще чего оказывается работающей с избыточным углом атаки.

Здесь может происходить срыв потока с соответствующим падением подъемной силы. Следовательно, тяга скрученного паруса оказывается меньше, чем если бы каждое его сечение по высоте работало с оптимальным углом атаки.

Для уменьшения скручивания паруса применяют оттяжки гика, препятствующие задиранию нока гика вверх, а также проводку гика – шкота с одним или двумя поперечными погонами, простирающимися по всей ширине яхты.

При смещении ползуна гика – шкота к борту тяга шкотов становится почти вертикальной, благодаря чему удается держать заднюю шкаторину паруса на острых курсах более тугой. С этой же целью на стакселях применяют дополнительные оттяжки шкотов и регулируемые кипы.

Было бы ошибкой думать, что парус вообще не должен иметь скручивания, т.е. чтобы по всей его высоте поперечные сечения были повернуты на один и тот же угол. Известно, что по мере увеличения высоты над уровнем воды скорость ветра повышается.

Это явление вызвано силами трения воздуха о воду, затормаживающими поток вблизи ее поверхности. Например на высоте 10метров над уровнем воды скорость ветра в 1,4 раза превышает его скорость на уровне 2 метра.

Построив треугольник скоростей для различных сечений паруса по высоте, можно убедиться, что в верхней части на парус действует ветер большей скорости и направленный под большим углом к ДП судна, чем на уровне гика.

В зависимости от высоты парусности и скорости ветра эта разность в углах составляет от 3 – 5 градусов на курсе бейдевинд и до 10 – 12 градусов на курсе бакштаг.

Следовательно, скручивание паруса в небольших пределах не только допустимо, но и способствует более эффективной работе паруса.

Поляра паруса. Характеристикой аэродинамических качеств паруса является поляра — график изменения подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления и угла атаки.

Для того чтобы поляру можно было применить к парусу любых размеров, по осям координат откладывают не значения сил, а безразмерные коэффициенты подъемной силы.

Cy = Y/ 0.5p*v2 *S.

и лобового сопротивления.

Cx = X / 0.5p*v2*S.

Данные для построения поляр получают в результате продувки моделей парусов в аэродинамических трубах. С помощью поляры, помимо величин подъемной силы и лобового сопротивления, можно определить и их составляющие — силу тяги Т и дрейфа D.

Опустив, например, из точки поляры, соответствующие углы атаки а = 20 градусов, перпендикуляр на ось движения яхты, можно найти коэффициент силы тяги Ст как отрезок прямой ОА.

Длина самого перпендикуляра является коэффициентом силы дрейфа Сd.

Поляра паруса позволяет определить наивыгоднейший угол установки паруса на данном курсе по отношению к ветру, т. е. таким образом, чтобы сила тяги имела максимальную величину.

Для этого необходимо, чтобы перпендикуляр к оси движения яхты одновременно являлся касательной к поляре (наивыгоднейший угол атаки паруса равен около 14 градусов — точки касания C на поляре).