Курсы относительно ветра. Современные яхты и парусные лодки в большинстве случаев оснащаются косыми парусами. Отличительной их особенностью является то, что основная часть паруса или весь он располагается позади мачты или штага. Благодаря тому, что передняя кромка паруса туго натянута вдоль мачты (или сама по себе), парус обтекается потоком воздуха без заполаскивания при его расположении под довольно острым углом к ветру. Благодаря этому (и при соответствующих обводах корпуса) судно приобретает способность двигаться под острым углом к направлению ветра.
На рис. 190 представлено положение парусника при различных курсах по отношению к ветру. Прямо против ветра обычный парусник идти не может - парус в этом случае не создает силы тяги, способной преодолеть сопротивление воды и воздуха. Лучшие гоночные яхты в средний ветер могут идти в бейдевинд под углом 35-40° к направлению ветра; обычно же этот угол не меньше 45°. Поэтому к цели, расположенной прямо против ветра, парусник вынужден добираться в лавировку - попеременно правым и левым галсом. Угол между курсами судна на том и другом галсе называется лавировочным углом , а положение судна носом прямо против ветра - левентиком . Способность судна лавировать и с максимальной скоростью продвигаться в направлении прямо против ветра является одним из основных качеств парусника.
Курсы от крутого бейдевинда до галфвинда, когда ветер дует под 90° к ДП судна, называются острыми ; от галфвинда до фордевинда (ветер дует прямо в корму) - полными . Различают крутой (курс относительно ветра 90-135°) и полный (135-180°) бакштаги, так же как и бейдевинд (соответственно 40-60° и 60-80° к ветру).
Рис. 190. Курсы парусного судна относительно ветра.
1 - крутой бейдевинд; 2 - полный бейдевинд; 3 - галфвинд; 4 - бакштаг; 5 - фордевинд; 6 - левентик.
Вымпельный ветер. Поток воздуха, который обтекает паруса яхты, не совпадает с направлением истинного ветра (относительно суши). Если судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха, скорость которого равна скорости судна. При наличии ветра его направление относительно судна за счет встречного потока воздуха отклоняется определенным образом; изменяется и величина скорости. Таким образом, на паруса попадает суммарный поток, называемый вымпельным ветром . Направление и скорость его можно получить, сложив векторы истинного ветра и встречного потока (рис. 191).
Рис. 191. Вымпельный ветер на различных курсах яхты относительно ветра.
1 - бейдевинд; 2 - галфвинд; 3 - бакштаг; 4 - фордевинд.
v - скорость движения яхты; v и - истинная скорость ветра; v в - скорость вымпельного ветра.
Очевидно, что на курсе бейдевинд скорость вымпельного ветра имеет наибольшую величину, а на фордевинде - наименьшую, так как в последнем случае скорости обоих потоков направлены в прямо противоположные стороны.
Паруса на яхте всегда устанавливают, ориентируясь по направлению вымпельного ветра. Заметим, что скорость яхты растет не в прямой пропорциональности от скорости ветра, а гораздо медленнее. Поэтому при усилении ветра угол между направлением истинного и вымпельного ветра уменьшается, а в слабый ветер скорость и направление вымпельного ветра более заметно отличается от истинного.
Поскольку силы, действующие на парус как на крыло, растут пропорционально квадрату скорости обтекающего потока, у парусников с минимальным сопротивлением движению возможно явление «саморазгона», при котором их скорость превышает скорость ветра. К таким типам парусников относятся ледовые яхты - буера, яхты на подводных крыльях, колесные (пляжные) яхты и проа - узкие однокорпусные суда с поплавком-аутригером. На некоторых из этих типов судов зафиксированы скорости, втрое превышающие скорость ветра. Так, наш национальный рекорд скорости на буере равен 140 км/ч, а установлен он при ветре, скорость которого не превышала 50 км/ч. Попутно отметим, что абсолютный рекорд скорости под парусом на воде существенно ниже: он установлен в 1981 г. на специально построенном двухмачтовом катамаране «Кроссбау-II» и равен 67,3 км/ч.
Обычные парусные суда, если они не рассчитаны на глиссирование, в редких случаях превышают предел скорости водоизмещающего плавания, равный v = 5,6 √L км/ч (см. главу I).
Силы, действующие на парусное судно. Существует принципиальное различие между системой внешних сил, действующих на парусное судно, и судно, приводимое в движение механическим двигателем. На моторном судне упор движителя - гребного винта или водомета - и сила сопротивления воды его движению действуют в подводной части, располагаясь в диаметральной плоскости и на незначительном расстоянии друг от друга по вертикали.
На паруснике движущая сила приложена высоко над поверхностью воды и, следовательно, над линией действия силы сопротивления. Если судно движется под углом к направлению ветра - в бейдевинд, то его паруса работают по принципу аэродинамического крыла, рассмотренному в главе II. При обтекании паруса потоком воздуха на его подветренной (выпуклой) стороне создается разрежение, на наветренной - повышенное давление. Сумму этих давлений можно привести к результирующей аэродинамической силе A (см. рис. 192), направленной примерно перпендикулярно хорде профиля паруса и приложенной в центре парусности (ЦП) высоко над поверхностью воды.
Рис. 192. Силы, действующие на корпус и паруса.
Согласно третьему закону механики, при установившемся движении тела по прямой каждой силе, приложенной к телу (в данном случае - к парусам, связанным с корпусом яхты через мачту, стоячий такелаж и шкоты), должна противодействовать равная ей по величине и противоположно направленная сила. На паруснике этой силой является результирующая гидродинамическая сила H , приложенная к подводной части корпуса (рис. 192). Таким образом, между силами A и H существует известное расстояние - плечо, вследствие чего образуется момент пары сил, стремящийся привести во вращение судно относительно оси, определенным образом ориентированной в пространстве.
Для упрощения явлений, возникающих при движении парусных судов, гидро- и аэродинамическую силы и их моменты раскладывают на составляющие, параллельные главным координатным осям. Руководствуясь третьим законом Ньютона, можно выписать попарно все составляющие этих сил и моментов:
| A | - аэродинамическая результирующая сила; |
| T | - сила тяги парусов, движущая судно вперед: |
| D | - кренящая сила или сила дрейфа; |
| A v | - вертикальная (дифферентующая на нос) сила; |
| P | - сила массы (водоизмещение) судна; |
| M д | - дифферентующий момент; |
| M кр | - кренящий момент; |
| M п | - приводящий к ветру момент; |
| H | - гидродинамическая результирующая сила; |
| R | - сила сопротивления воды движению судна; |
| R д | - боковая сила или сила сопротивления дрейфу; |
| H v | - вертикальная гидродинамическая сила; |
| γ·V | - сила плавучести; |
| M l | - момент сопротивления дифференту; |
| M в | - восстанавливающий момент; |
| M у | - уваливающий момент. |
Для того чтобы судно устойчиво шло по курсу, каждая пара сил и каждая пара моментов должны быть равны друг другу. Например, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу R д создают кренящий момент M кр, который должен быть уравновешен восстанавливающим моментом M в или моментом поперечной остойчивости. Этот момент образуется благодаря действию сил массы P и плавучести судна γ·V , действующих на плече l . Эти же силы образуют момент сопротивления дифференту или момент продольной остойчивости M l , равный по величине и противодействующий дифферентующему моменту M д. Слагаемыми последнего являются моменты пар сил T - R и A v - H v .
Таким образом, движение парусного судна косым курсом к ветру сопряжено с креном и дифферентом, а боковая сила D , кроме крена, вызывает еще и дрейф - боковой снос, поэтому любое парусное судно движется не строго в направлении ДП, как судно с механическим двигателем, а с небольшим углом дрейфа β. Корпус парусника, его киль и руль становятся подводным крылом, на которое набегает встречный поток воды под углом атаки, равным углу дрейфа. Именно это обстоятельство обусловливает образование на киле яхты силы сопротивления дрейфу R д, которая является компонентом подъемной силы.
Устойчивость движения и центровка парусного судна. Вследствие крена сила тяги парусов T и сила сопротивления R оказываются действующими в разных вертикальных плоскостях. Они образуют пару сил, приводящих судно к ветру - сбивающих с прямолинейного курса, которым оно следует. Этому препятствуют момент второй пары сил - кренящей D и силы сопротивления дрейфу R д, а также небольшая по величине сила N на руле, которую необходимо прикладывать для того, чтобы корректировать движение яхты по курсу.
Очевидно, что реакция судна на действие всех этих сил зависит как от их величины, так и от соотношения плеч a и b , на которые они действуют. При увеличении крена плечо приводящей пары b также увеличивается, а величина плеча уваливающей пары a зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП - точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам) и центра бокового сопротивления (ЦБС - точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты).
Точное определение положения этих точек является довольно сложной задачей, особенно если учесть, что оно изменяется в зависимости от многих факторов: курса судна относительно ветра, покроя и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.
При проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которые представляют собой паруса, поставленные в ДП, и очертания подводной части ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 193). Центр тяжести треугольного паруса, например, находится на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов располагается на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Если парус имеет четырехугольную форму, то его площадь делят диагональю на два треугольника и получают ЦП как общий центр этих треугольников.
Рис. 193. Определение условного центра парусности яхты.
Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки шаблон подводного профиля ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон расположится горизонтально, игла будет находиться в точке условного ЦБС. Однако этот способ более или менее применим для судов с большой площадью подводной части ДП - для яхт традиционного типа с длинной килевой линией, судовых шлюпок и т. п. На современных яхтах, обводы которых проектируются на основе теории крыла, основную роль в создании силы сопротивления дрейфу играют плавниковый киль и руль, устанавливаемый обычно отдельно от киля. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно. Например, для профилей с относительной толщиной δ/b около 8 % эта точка находится на расстоянии около 26 % хорды b от входящей кромки.
Однако корпус яхты определенным образом влияет на характер обтекания киля и руля, причем это влияние изменяется в зависимости от крена, дифферента и скорости судна. В большинстве случаев на острых курсах к ветру истинный ЦБС перемещается вперед по отношению к центру давления, определенному для киля и руля как для изолированных профилей. Вследствие неопределенности в расчете положения ЦП и ЦБС конструкторы при разработке проекта парусных судов располагают ЦП на некотором расстоянии a - опережении - впереди ЦБС. Величина опережения определяется статистически, из сравнения с хорошо зарекомендовавшими себя яхтами, которые имеют близкие к проекту обводы подводной части, остойчивость и парусное вооружение. Опережение задается обычно в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для судна, оснащенного бермудским шлюпом, 15-18 % L . Чем меньше остойчивость яхты, тем больший крен она получит под действием ветра и тем большее необходимо опережение ЦП перед ЦБС.
Точная корректировка относительного положения ЦП и ЦБС возможна при испытаниях яхты на ходу. Если судно стремится увалиться под ветер, особенно в средний и свежий ветер, то это является большим дефектом центровки. Дело в том, что киль отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, то его профиль работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если же для компенсации тенденции яхты к уваливанию руль приходится перекладывать на ветер, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону - туда же, что и сила дрейфа D на парусах. Следовательно, судно будет иметь повышенный дрейф.
Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на 3-4° в подветренную сторону руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила H , возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме при одновременном уменьшении угла дрейфа. Однако, если для удержания яхты на курсе бейдевинд приходится постоянно перекладывать руль в подветренную сторону на больший чем 2-3° угол, необходимо перенести ЦП вперед или сместить назад ЦБС, что сложнее.
На построенной яхте перенести ЦП вперед можно, наклонив вперед мачту, сместив ее вперед (если позволяет конструкция степса), укоротив грот по нижней шкаторине, увеличив площадь основного стакселя. Для перемещения ЦБС назад требуется установить плавник перед рулем или же увеличить размеры пера руля.
Для устранения тенденции яхты к уваливанию необходимо применить противоположные меры: перенести ЦП назад или сместить вперед ЦБС.
Роль составляющих аэродинамической силы в создании тяги и дрейфа. Современная теория работы косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе II. При обтекании паруса, поставленного под углом атаки α к вымпельному ветру, потоком воздуха, на нем создается аэродинамическая сила A , которую можно представить в виде двух составляющих: подъемной силы Y , направленной перпендикулярно потоку воздуха (вымпельному ветру), и лобового сопротивления X - проекции силы A на направление потока воздуха. Эти силы используются при рассмотрении характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом.
Одновременно силу A можно представить в виде двух других составляющих: силы тяги T , направленной по оси движения яхты, и перпендикулярной ей силы дрейфа D . Напомним, что направление движения парусника (или путь) отличается от его курса на величину угла дрейфа β, однако при дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь.
Если на курсе бейдевинд удается увеличить подъемную силу на парусе до величины Y 1 , а лобовое сопротивление останется неизменным, то силы Y 1 и X , сложенные по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу A 1 (рис. 194, а ). Рассматривая ее новые составляющие T 1 и D 1 , можно заметить, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличиваются и сила тяги и сила дрейфа.
Рис. 194. Роль подъемной силы и лобового сопротивления в создании движущей силы.
При аналогичном построении можно убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в бейдевинд решающую роль в создании тяги парусов играет подъемная сила паруса; лобовое сопротивление должно быть минимальным.
Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер имеет наивысшую скорость, поэтому обе составляющие аэродинамической силы Y и X имеют достаточно большую величину.
На курсе галфвинд (рис. 194, б ) подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление - силой дрейфа. Увеличение лобового сопротивления паруса на величине силы тяги не сказывается: увеличивается только сила дрейфа. Однако поскольку скорость вымпельного ветра на галфвинде снижается по сравнению с бейдевиндом, дрейф на ходовых качествах судна сказывается уже в меньшей степени.
На курсе бакштаг (рис. 194, в ) парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа также увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга увеличивается, а сила дрейфа уменьшается (рис. 194, г ). Следовательно, на курсе бакштаг увеличение и подъемной силы и (или) лобового сопротивления повышают тягу.
При курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения судна и является силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения тяги парусов желательно увеличивать их лобовое сопротивление. На гоночных яхтах это делается путем постановки дополнительных парусов - спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму. Отметим, что на курсе фордевинд на паруса яхты действует вымпельный ветер минимальной скорости, что обусловливает сравнительно умеренные силы на парусах.
Сопротивление дрейфу. Как было показано выше, сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она примерно втрое превышает силу тяги T , движущую судно вперед; на галфвинде обе силы примерно равны; на крутом бакштаге тяга паруса оказывается в 2-3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа отсутствует вообще. Следовательно, для того чтобы парусник успешно продвигался вперед курсами от бейдевинда до галфвинда (под углом 40-90° к ветру), оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.
Функцию создания силы сопротивления дрейфу на современных парусных судах выполняют в основном плавниковые кили или шверты и рули. Механика возникновения подъемной силы на крыле симметричного профиля, каковыми являются кили, шверты и рули, была рассмотрена в главе II (см. стр. 67). Отметим, что величина угла дрейфа современных яхт - угол атаки профиля киля или шверта - редко превышает 5°, поэтому, проектируя киль или шверт, необходимо выбрать его оптимальные размеры, форму и профиль сечения в расчете на получение максимальной подъемной силы при минимальном лобовом сопротивлении именно на малых углах атаки.
Испытания аэродинамических симметричных профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде b ) дают бо́льшую подъемную силу, чем тонкие. Однако на малых скоростях движения такие профили обладают более высоким лобовым сопротивлением. Оптимальные результаты на парусных яхтах можно получить при толщине киля t /b = 0,09÷0,12, так как подъемная сила на таких профилях мало зависит от скорости судна.
Максимальная толщина профиля должна располагаться на расстоянии от 30 до 40 % хорды от передней кромки профиля киля. Хорошими качествами обладает также профиль NACA 664‑0 с максимальной толщиной, расположенной на расстоянии 50 % хорды от носика (рис. 195).
Рис. 195. Профилированный киль-плавник яхты.
| Отстояние от носика x , % b | ||||||
| 2,5 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| Ординаты y , % b | ||||||
| NACA-66; δ = 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 | |
| Профиль; относительная толщина δ | Отстояние от носика x , % b | |||||
| 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
| Ординаты y , % b | ||||||
| NACA-66; δ = 0,05 | 4,41 | 3,80 | 3,05 | 2,19 | 1,21 | 0,11 |
| Профиль для швертов; δ = 0,04 | 3,88 | 3,34 | 2,68 | 1,92 | 1,06 | 0,10 |
| Киль яхты NACA 664-0; δ = 0,12 | 12,00 | 10,94 | 8,35 | 4,99 | 2,59 | 0 |
Для легких гоночных швертботов, способных выходить на режим глиссирования и развивать высокие скорости, используют шверты и рули с более тонким профилем (t /b = 0,044÷0,05) и геометрическим удлинением (отношением углубления d к средней хорде b ср) до 4.
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 λ = 0,6 может быть допущен наклон передней кромки до 50°; при λ = 1 - около 20°; при λ > 1,5 оптимальным является киль с вертикальной передней кромкой.
Суммарная площадь киля и руля для эффективного противодействия дрейфу принимается обычно равной от 1 / 25 до 1 / 17 площади основных парусов.
Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» – или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал – около четверти прямого угла, – и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q , которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R , перпендикулярную к килю, и силу S , направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S , которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова.
Вымпельный ветер
Попробуем понять за счет, каких сил, и на основании каких принципов происходит движение парусного судна под действием ветра. Рассмотрим только косые паруса, как наиболее часто встречающиеся в настоящее время. Косое парусное вооружение бермудского типа это основное вооружение большинства современных как одномачтовых, так и двухмачтовых судов. Все спортивные и круизные одномачтовые яхты так же вооружаются бермудским шлюпом.
Это вооружение дает максимальные возможности по выбору курса относительно направления ветра и требует существенно меньшего экипажа для управления парусами и не требует такой высокой его выучки как в случае применения прямого парусного вооружения.
Замечательной особенностью косого паруса является его способность создавать тяговое усилие на курсах до 30-40 градусов к направлению ветра.
При этом нужно учитывать, что парусное судно движется относительно вымпельного или кажущегося ветра, а не относительно истинного или метеорологического ветра.
При движении любого объекта в воздушной среде возникает поток набегающего воздуха, скорость которого определяется скоростью движения объекта. Соответственно, даже при полном отсутствии ветра (штиль) наблюдатель, находящийся на судне будет ощущать ветер равный скорости судна - курсовой ветер, который будет по величине равен скорости судна, а по направлению противоположен направлению движения судна. Таким образом, парусное судно, при своем движении испытывает действие двух потоков воздуха:
Действие потока, вызванного наличием истинного ветра;
Действие потока, вызванного движением судна – курсового ветра.
Для определения результирующего потока воздуха, ощущаемого наблюдателем, находящимся на движущемся объекте, необходимо произвести векторное сложение потоков. Результирующий вектор и будет по скорости и направлению, ощущаемым или кажущимся ветром, который называется вымпельным ветром. Этот ветер и будет рассматриваться как ветер, действующий на паруса судна при его движении (рис 1).
Этот ветер является единственным ветром, с которым взаимодействуют паруса, а разложение его на истинный ветер и курсовой является результатом анализа исходных воздушных потоков.
Вымпельный ветер является величиной переменной даже при стабильном по скорости и направлению истинном ветре, так как его скорость и направление зависят от скорости и направления движения судна. Для простоты рассуждений рассмотрим случай, при котором рис. 1.
истинный ветер направлен под прямым углом к направлению движения судна и скорость истинного ветра равна скорости судна (рис. 2). Из рисунка видно, что при движении под углом 90 градусов к истинному ветру судно движется под углом 45 градусов к вымпельному ветру.
истинный В соответствие с изложенным выше, можно
ветер вымпельный ветер утверждать, что два судна, движущиеся од-
ним 
и тем же курсом, при одних и тех же ветровых
условиях, но с разными скоростями относительно воды будут двигаться под разными углами к вымпельному ветру. Судно, движущееся с более высокой скоростью, будет идти острее к вымпель-ному ветру, сохраняя тот же курсовой угол относительно истинного ветра. При этом, ветро- указатели на то пах мачт этих судов будут находить-
курсовой ветер ся под разными углами к ДП судна, фиксируя направ-
рис. 2 ление вымпельного ветра каждого из судов (рис. 3).
судно 1 судно 2
Из рисунка видно, что судно, идущее с большей скоростью, идет под меньшим углом к вымпельному ветру. Из этого можно сделать вывод о том, что при увеличении скорости движения судна вымпельный ветер заходит (уменьшается угол между направлением движения судна и вымпельным ветром). При дальнейшем увеличении скорости судна (лучше обводы, меньше трение, эффективнее работают паруса, другая конструкция корпуса судна) угол между направлением движения судна и вымпельным ветром станет меньше минимального лавировочного угла (минимального угла между направлением движения судна и вымпельным ветром, при котором сохраняется возможность эффективной работы парусов). После этого судно, имеющее большую скорость, будет вынуждено увалиться (увеличить угол между направлением движения судна и направлением вымпельного ветра) до восстановления минимального лавировочного угла. Этим объясняются разные углы выхода на ветер (угол между направлением истинного ветра и направлением движения судна). При этом, скорость выхода на ветер (скорость сближения с точкой прихода, находящейся на ветре) может быть больше у судна с большим углом выхода на ветер, но и большей скоростью движения. В качестве примера рассмотрим скорость выхода на ветер килевой яхты, спортивного швертбота и катамарана (рис. 4).
Острее к ветру идет килевая яхта, имеющая наименьшую, из этих судов, скорость движения. За ней идет спортивный швертбот и наименее остро к истинному ветру идет спортивный катамаран. Каждое из этих судов идет под одним и тем же углом к вымпельному ветру, но под разными углами к истинному ветру. Но, при этом, самая высокая скорость выхода на ветер будет у спортивного катамарана. Из рассмотрения треугольника скоростей становится понятной возможность приводится к истинному ветру на порывах ветра (кратковременное ускорение ветра). В порыве скорость истинного ветра возрастает, а скорость судна остается, в течение какого-то времени, прежней. Вымпельный ветер отходит и появляется возможность привестись и восстановить лавировочный угол относительно вымпельного ветра (рис. 5)
рис. 4
Килевая яхта
швертбот
Катамаран
 |
Через некоторое время скорость судна возрастет, и оно будет вынуждено увалиться до прежнего курса относительно истинного ветра, сохраняя угол относительно вымпельного ветра. Однако, увеличение скорости судна возможно до достижения скорости, предельной для движения судна в водоизмещающем режиме (скорость судна в водоизмещающем режиме, выраженная в узлах, не может превышать длину судна, выраженную в метрах). Следовательно, при дальнейшем увеличении скорости ветра скорость судна не будет возрастать и курс судна относительно истинного ветра может быть острее.
Очень важным является наличие течений в районе плавания судна, с точки зрения поведения вымпельного ветра. При плавании на течении скорость судна векторно складывается со скоростью течения. В результате меняется абсолютная скорость судна и происходит изменение скорости и направления вымпельного ветра. При движении с попутным течением вымпельный ветер заходит, а при движении со встречным течением отходит. Следовательно, при попутном течении лавировочный угол увеличивается, а при встречном ветре – уменьшается. При этом скорость выхода яхты на ветер сохраняется практически неизменной. При направлении течения по направлению или против направления истинного ветра происходит изменение скорости истинного ветра. При однонаправленных ветре и течении вымпельный ветер заходит, а при разнонаправленных отходит, в силу увеличения скорости истинного ветра. Взаимодействие ветра и течения менят лавировочные углы судна относительно истинного ветра.
Современное навигационное оборудование дает возможность получать информацию не только о направлении и силе вымпельного ветра, но и о силе и направлении истинного ветра, путем пересчета треугольника скоростей (рис. 1). GPS дает информацию о скорости и направлении движения судна, а анеморумбометр о скорости и направлении вымпельного ветра. Путем пересчета треугольника скоростей система получает информацию о скорости и направлении истинного ветра.
Понимание поведения вымпельного ветра является ключевым для планирования маршрута движения судна, при известном направлении и скорости истинного ветра и фактической скорости парусного судна.
Однако для тихоходных судов угол между направлением истинного и вымпельного ветра незначителен и можно, с определенной степенью точности, утверждать, что этот угол находится в пределах 10-20 градусов.
На шлюпку под парусом оказывают влияние две среды: воздушный поток, действующий на парус и надводную часть шлюпки, и вода, действующая на подводную часть шлюпки.
Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед.
Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1 / 3 - 1 / 4 ширины паруса и имеет величину 8 - 10% ширины паруса (рис 18).
Рис. 18. Профиль паруса: В - ширина паруса по хорде (по И.И. Хомякову, 1976).
Если ветер, имеющий направление В (рис 19, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р , направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис 19, б).
Рис. 19 Силы, действующие на парус и корпус шлюпки (по И.И. Хомякову, 1976):
а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки.
Сила Р раскладывается на силу тяги Т , направленную параллельно диаметральной плоскости (ДП ) шлюпки, заставляющую шлюпку двигаться вперед, и силу дрейфа Д , направленную перпендикулярно ДП , вызывающую дрейф и крен шлюпки.
Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше Ðb между направлением ветра В и плоскостью паруса ПП , тем больше сила Р . Если Ðb=90° , сила Р достигает максимальной величины.
Силы Т и Д зависят от Ðg между ДП шлюпки и плоскостью паруса. С увеличением Ðg сила Т увеличивается, а сила Д уменьшается.
Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.
Рис 20. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра (по И.И. Хомякову, 1976): а - бейдевинд; б - галфвинд, в - фордевинд.
Несмотря на то, что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т , шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R .
Сила Д , несмотря на противодействие корпуса, все же сносит шлюпку с линии курса. Составленный ДП и направлением истинного движения шлюпки ИП Ða называется углом дрейфа. Чем острее угол между ДП и направлением ветра, тем больше угол дрейфа, так как при острых углах сила тяги Т незначительна и шлюпка, не имея достаточного поступательного движения вперед, сносится под ветер. При ветре бейдевинд круче 40-45° шлюпка вперед двигаться не может.
Таким образом, наибольшая тяга и наименьший дрейф шлюпки могут быть получены путем выбора наиболее выгодного положения диаметральной плоскости шлюпки и плоскости паруса относительно ветра. Установлено, что угол между ДП шлюпки и плоскостью паруса должен быть равен половине ÐA между диаметральной плоскостью и направлением ветра. На рис 20 показано правильное положение паруса при ветрах бейдевинд (а), галфвинд (б) и фордевинд (в).
При выборе положения паруса относительно ДП и ветра старшина шлюпки руководствуется не истинным, а вымпельным (кажущимся) ветром, направление которого определяется равнодействующей от скорости шлюпки и скорости истинного ветра (рис 21).
Рис 21. Вымпельный ветер.
b и - истинный ветер; В ш - ветер от движения шлюпки;
В в - вымпельный ветер.
Рис. 22. Установка кливера относительно фока (по И.И. Хомякову, 1976):
а - правильно; б - неправильно.
Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливерам и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис 22, а). Если же кливер прижать к ДП , то поток воздуха будет ударять в подветренную сторону фока, ухудшит его форму и уменьшит тяговую силу (рис 22, б). Такое же действие производит кливер, имеющий слишком выгнутую форму.
§ 61. Использование паруса.
В практике управления маломерными моторными судами па море и реке известно много примеров, когда даже самый примитивный парус, сделанный из имеющихся на судне «подручных» средств, позволял небольшому самоходному судну, потерявшему возможность самостоятельно передвигаться, успешно окончить плавание без посторонней помощи.
Судоводителю-любителю надо хорошо знать, как действует парус и как сделать простое парусное оборудование на случай, если механический двигатель судна окажется неисправным, без топлива или за борт упадет подвесной мотор, а также на случай повреждения или потери гребного винта.
Соединение парусного вооружения с мотором увеличивает туристические возможности судна. С помощью паруса аварийное судно можно довести до базы или до ближайшего населенного пункта.
1. Действие паруса.
Давление воздушного потока на поверхность паруса движет судно. Направление этого движения зависит от положения паруса относительно направления ветра. Точка приложения равнодействующей всех сил давления ветра на парус называется центром парусности - ЦП.
Рис. 137. Силы, действующие на парус и судно при ветре с носовых углов
Если бы парус был вытянут вдоль диаметральной плоскости судна, то сила давления ветра А (рис. 137) кренила бы судно, но не двигала его вперед. Но если плоскость паруса поставлена под некоторым углом к направлению ветра, то сила А может быть разложена на две составляющие Б и В. Первая «работает», а вторая «скользит» вдоль паруса (см. рис. 137, а и 138, а).
Всякое судно обладает способностью сопротивляться боковому сдвигу в воде - оно имеет так называемое боковое сопротивление и центр его - ЦБС - располагается обычно близко от миделя судна в его подводной части и приблизительно на одной отвесной линии с ЦП (рис. 139). Перенося силу Б в ЦБС, пренебрегая креном и считая ЦБС неподвижной точкой, можно разложить Б на две составляющие Т и Д. Первая тянет судно вперед вдоль диаметральной плоскости, а вторая стремится сместить судно в бок, создавая ему дрейф (см. рис. 137, б). Величина дрейфа зависит от формы подводной части судна и угла между направлениями диаметральной плоскости ДП судна и ветра. В этом можно убедиться, построив схему сил для нескольких положений. Чем меньше угол между ДП и направлением ветра, тем больше сила А и меньше сила Т (см. рис. 138, а и б).
Рис. 138. Силы, действующие на парус и судно при ветре с кормовых углов
Если судно имеет сильно развитые продольные плоскости под водой (борта, угловатые скулы, киль, руль), то смещение судна в бок незначительно. Если же судно плоскодонное, незагруженное и широкое, то его БС ничтожно и дрейф велик. Поэтому суда первого рода, например, яхты или килевые шлюпки, способны двигаться вперед под углом до 40-30° к направлению ветра, считая от носа, а плоскодонные катера и лодки только при ветре с кормы, т. е. под углами ветра не менее 120° к диаметральной плоскости.
Рис. 139.
Положение центра парусности относительно центра
бокового сопротивления
Наивыгоднейшее положение паруса при любом направлении ветра такое, при котором плоскость паруса делит пополам угол между ДП и ветром (см. рис. 137, а, 138, а). Практически парус следует ставить так, чтобы угол I был немного меньше угла II .
Если ЦП по вертикали совпадает с ЦБС, то судно движется вперед без помощи руля. Однако на ходу ЦБС несколько смещается в нос или в корму, и поэтому судно на ходу будет всегда уклоняться от курса носом на ветер или под ветер. Обычно считается, что парусное судно под действием шквала или без управления рулем должно само под действием паруса «зарыскнуть» или «прийти к ветру», т. е. повернуть носом против него. Тогда само собой прекратится кренящее действие ветра. Поэтому мачту и парус на судне размещают так, чтобы ЦП был всегда несколько в корму (по вертикали) от ЦБС. Этого достигают при расчете на чертеже или же опытным путем на воде (см. рис. 139). Однако для судов, способных ходить под парусом только с попутными ветрами, ЦП должен быть расположен в нос от ЦБС. Тогда при шквале судно будет само уходить от него, т. е. стремиться «уваливаться под ветер». Это безопаснее и облегчает в случае усиления ветра быструю уборку паруса, если даже для этого будет брошено управление рулем.
2. Основные термины.
В зависимости от направления ветра относительно ДП и борта судна приняты следующие термины правил управления судна под парусами.
Борт, обращенный к ветру, называется наветренным. Борт, обращенный от ветра, называется подветренным. Ход с ветром, дующим в правый борт, называют правым галсом, в левый борт - левым галсом. Прямой отрезок пути под парусами называется галсом.
Двигаться к наветренной цели, расположенной в стороне, откуда дует ветер, значит подыматься; двигаться к подветренной цели - спускаться; парусное судно не может идти прямо против ветра, оно должно идти зигзагами, ложась то на правый, то на левый галс. Такое движение называется лавировкой.
Ветер, дующий с носовых курсовых углов в секторе 0-85°, называется бейдевинд; говорят: «Судно идет в бейдевинд» (правого или левого галса). Ветер, дующий в борт (85-95°), называется галфвинд; говорят: «Судно идет в галфвинд или в полветра» (правого или левого галса). Ветер, дующий с кормовых курсовых углов (95-170°), называется бакштаг; говорят: «Судно идет в бакштаг» (правого или левого галса). Ветер, дующий прямо в корму (175° левый борт- 175° правый борт), называется фордевинд; говорят: «Судно идет на фордевинд». Галс при этом не отмечается. Чем больше становится угол между направлением ветра и ДП, тем ветер делается «полнее», чем меньше, тем ветер и курс «круче».
3. Постановка парусов и управление парусным судном.
Постановку парусов следует сообразовать с направлением ветра. Как правило, косые паруса поднимают, поставив судно носом против ветра («на ветер», «к ветру»). Прямой же парус поднимают, поставив судно по ветру. Если ветер препятствует постановке паруса у берега, следует развернуть судно или отойти от берега. Первым ставят грот, ослабив шкот. Когда фал вытянут до места, обтягивают шкот и начинают править рулем, ложась на нужный курс. После этого ставят стаксель и обтягивают его подветренный шкот.
Грот и стаксель под действием ветра давят на соответствующую оконечность судна. Если эти силы неравны, то судно стремится вращаться вокруг своего ЦБС, зарыскивая или уваливаясь. При движении на прямом курсе при боковом ветре необходимо отрегулировать натяжением шкотов оба паруса так, чтобы судно при прямом руле шло прямо. Если сохраняется все же стремление увалиться или зарыскнуть, но необходимо выровнять судно на курсе рулем. Можно, однако, добиться уравновешенности действия парусов перемещением грузов или людей вдоль шлюпки. Если нос идет под ветер, загружают нос, если идет на ветер, загружают корму.
На ходу под парусами в шлюпке нельзя стоять. Все должны сидеть на сиденьях наветренного борта, а при сильном ветре - на дне лицом к парусу (т. е. с наветренной стороны). При движении под парусом судоводитель-любитель должен поддерживать на судне дисциплину, и только по его команде разрешается перемещаться на судне или выполнять ту или иную работу. Снасти не должны быть разбросаны в беспорядке внутри судна, их следует уложить в бухточки. Шкоты должны быть чисто расправлены; грота-шкот и стаксель-шкот следует держать на руках; запрещается завертывать их взахлест на утках.
В крайнем случае делают один-два оборота и ходовой конец держат на руках.
Грузы, инструменты и другие вещи должны быть уложены так, чтобы при крене судна они не могли сместиться и не препятствовали действиям с парусами, наблюдению вперед и откачиванию воды. Фалы должны быть завернуты так, чтобы в случае сильного шквала их можно было мгновенно отдать.
Если судно сильно кренит ветром, то при ветре с борта или с носа следует потравить шкоты, а затем «привести к ветру», для чего рулем поставить судно почти против ветра, раздернув стаксель-шкоты. При ходе с попутным ветром «приводить к ветру" при сильном шквале опасно, поэтому лучше убрать грот и продолжать движение под стакселем. При ходе в бейдевинд полезно несколько загрузить нос, при этом судно лучше слушает руля и парусов. Если нужно держать круче к ветру, то следует подобрать грота-шкот и несколько потравить стаксель-шкот. Однако нельзя при этом допускать, чтобы паруса «полоскали» (хлопали) по ветру.
Как уже было сказано, угол между ветром и ДП должен делиться парусом пополам. Поставив судно на курс и расположив соответственно парус, следует затем слегка подобрать грота-шкот так, чтобы передняя шкаторина его начала мелко дрожать. Это значит, что парус работает хорошо. Чрезмерное выбирание шкота только валит судно, убавляя ход и увеличивая дрейф (снос под ветер). Чем круче к ветру идет судно, тем ход меньше, а дрейф больше. При ходе в бакштаг дрейфа практически нет, а на фордевинде он отсутствует совершенно.
Управление рулем на фордевинде самое трудное. Судно стремится развернуться бортом к ветру, причем оно может броситься на любой галс. Парус стоит поперек судна и его наружная шкаторина все время рискует быть отдутой с подветра, т. е. с носа, когда ветер после порыва спадает. Тогда парус может стремительно переброситься с одного борта на другой с резким ударом, могут быть порваны ванты, шкот или опрокинуто судно.
Поэтому, идя на фордевинд, следует загрузить больше корму, а во избежание перебрасывания грота на другой галс полезно тонким шестом (багром, веслом) распереть шкотовый угол паруса. Для этого тонкий конец шеста вставляют в шкотовый кренгельс паруса, а толстый упирают во что-нибудь внутри судна - в борт, кильсон. У распорного шеста должен сидеть человек и придерживать его руками.
Если все же парус бросился на другой борт, то следует руками как можно быстрее подобрать слабину шкота, а телом нажать на румпель и вывести судно на курс бакштаг того галса, на который бросился парус. Иначе переброс может повториться. Это означает, что если, например, парус стоял на левый галс (был вывален на правый борт) и его бросило на правый галс, то при переходе паруса на левый борт следует привести судно в полный бакштаг правого галса (взять правее) и так править.
Если при ходе на фордевинд при крепком ветре волнение начинает заливать судно с кормы, а изменить курс почему-либо невозможно, то нельзя загружать корму для улучшения управляемости; вместо этого нужно выпустить с кормы на прочном конце длиной 5-8 м драгу (волокушу). Драгой может служить обвязанная прочная корзинка, загруженная так, чтобы она едва плавала, а также связка любых предметов, имеющих минимальную плавучесть и оказывающих значительное сопротивление. На неглубоком месте можно спустить с кормы небольшую гладкую балластину, волочащуюся по грунту за судном.
Прямой парус, как уже было сказано, непригоден для лавирования, но может все же работать и при боковых ветрах. По общим правилам оттяжками и шкотами его поворачивают в требуемое положение и рулем удерживают судно на нужном курсе или возможно ближе к нему. В этих случаях наветренные шкот и оттяжку реи заносят вперед, а подветренные - на корму.
4. Повороты.
Под парусами для перемены галса делаются повороты двух видов: поворот оверштаг делают, приводя судно к ветру и переходя носом через линию ветра; поворот через фордевинд делают, уваливая нос судна под ветер и переходя линию ветра кормой.
Рис 140. Поворот оверштаг
Поворот оверштаг (рис. 140) удобнее и безопаснее, чем через фордевинд, так как судно не разгоняется, а наоборот, почти останавливается, проходя носом линию ветра. Перед поворотом подают команду: «К повороту оверштаг готовиться», берут несколько полнее, чтобы увеличить ход, затем подбирают грота-шкот, кладут руль на ветер и травят стаксель-шкот. Судно пойдет носом к ветру, стаксель заполощет. В момент, когда судно стало носом на ветер и заполоскал грот, полезно снова подобрать стак сель-шкот, чтобы он помог перевалить через линию ветра, для этого командуют: «Стаксель на ветер». Затем травят грота-шкот, переводят шкотами стаксель на новый галс, командуя: «Стаксель на правый (или левый) борт», и дают судну под его действием увалиться под ветер на новом галсе, после чего выбирают грота-шкот и ложатся на нужный курс.
Рис. 141. Поворот через фордевинд
Для облегчения поворота оверштаг полезно перед его началом пересадить одного-двух человек в нос. Может случиться, что судно, придя носом к ветру, остановится и пойдет задним ходом. За этим надо следить и сразу же переложить руль. Тогда на заднем ходу рулем можно развернуть корму в нужном направлении и поворот удастся. Если же поворот совсем не удался, то следует быстрее лечь на прежний галс и повторить маневр.
Поворот через фордевинд (рис. 141) делается тогда, когда это требуется по форме фарватера или когда благоприятствуют погода и местность. Этот поворот требует простора, так как судно получает большой ход. Для поворота через фордевинд, после предупредительной команды, начинают уваливаться под ветер, постепенно потравливая грота-шкот. Придя в бакштаг, кладут постепенно руль еще больше под ветер, одновременно быстро выбирают грота-шкот, чтобы при перебрасывании паруса он был выбран, а парус вытянут посреди судна.
Тогда переход грота на другой борт произойдет без рывка. Судно перейдет кормой линию ветра, паруса перейдут на другой галс и «заберут» ветер. Стаксель-шкот травят, чтобы он не препятствовал судну идти носом к ветру. Как только судно пришло на новый галс, грота-шкотом и рулем приводятся на требуемый курс и правят им, подобрав соответственно шкоты стакселя и грота.
При сильном ветре поворот через фордевинд делают, убрав грот или прихватив его к мачте.