Главная Контакты Карта сайта
eng | rus

Справочник яхтсмена.

Приложение.

Основы аэро- и гидродинамики.

 

Источник: "Справочник яхтсмена".
Автор: Боб Бонд.

 

После первых выходов на яхте становится ясно, что яхта получает ход, когда ее паруса правильно поставлены относительно ветра. Начинающий яхтсмен постепенно понимает, что некоторые рулевые хорошо разбираются в теории плавания под парусами, а другие же ничего в этом не смыслят, однако и те, и другие могут быть неплохими яхтсменами. Опыт показывает, что человек, который изучал парус путем наблюдения, проб и ошибок, может управлять им столь же успешно, как и тот, кто большую часть времени изучал теорию. Однако некоторое понимание принципов аэро- и гидродинамики могло бы сэкономить время, затрачиваемое на освоение и совершенствование яхтенных навыков. В любом случае всегда интересно узнать объяснение тех явлений, с которыми сталкиваешься на практике. Если вы собираетесь принимать участие в соревнованиях, очень полезным будет понимание этого предмета. Поскольку поведение яхты зависит от состояния окружающей ее среды, характеристики и воды, и воздуха в равной степени важны. Опытный яхтсмен стремится наилучшим образом эксплуатировать свою яхту, воду и воздух. Он может сделать это только при условии, что конструктор яхты уже предусмотрел многое и создал яхту с соответствующей формой корпуса и парусов для достижения оптимальной эффективности судна в море. Тогда задачей яхтсмена становится квалифицированное использование всех возможностей яхты, чтобы грамотно реагировать на любые изменения метеорологических условий.

Понятия теории гидродинамики для яхтсменов сравнительно легки, так как вода и видима, и осязаема, но аэродинамика представляет, возможно, больший интерес, поскольку обводы корпуса практически неизменны, а форму парусов можно менять, чтобы достичь наибольшего эффекта.
Естественное движение воздуха, которое интересует яхтсменов, является результатом смещения теплого и холодного слоев, вызванного изменением погоды и контактом с поверхностью земли и воды. Если рассматривать поток воздуха в сечении, картина будет аналогичной, как при течении жидкости - частицы воздуха, если это возможно, движутся по прямым траекториям. При обтекании препятствий воздушные потоки имеют тенденцию следовать форме аэродинамического крыла (продолговатой суживающейся фигуре с утолщенной передней кромкой, направленной навстречу потоку), стремясь сохранить плавное обтекание. Слои воздушного потока у поверхности препятствия замедляются вследствие трения об эту поверхность; по мере удаления от нее скорость возрастает. Конструкция паруса во многом напоминает крыло самолета или птицы. Основное назначение паруса - обеспечивать наибольшую тягу, создаваемую действием воздушного потока.

ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК.

Воздушные потоки движутся параллельными слоями и содержат скрытую энергию, поэтому отклонить их не так-то легко. В областях низкого давления плотность воздуха меньше, чем в областях высокого давления. Низкое давление создается при , увеличении скорости воздушного потока, а соответственно высокое давление - когда скорость потока падает. Этот закон был открыт двумя учеными Бернулли и Вентури в XVIII в. Вентури доказал, что когда воздух проходит через трубу, имеющую суживающийся участок, то давление здесь падает, так как скорость потока выше. Хорошо скроенный парус с прогибом на определенном месте будет создавать область более низкого давления на выпуклой стороне и более высокого на вогнутой. Вследствие этой разности давлений на парусе создается подъемная сила, которую можно условно разложить на силу тяги, движущую яхту вперед, и поперечную кренящую силу.

Условный парус АВ помещен ниже суживающейся части аэродинамической трубы. Форма паруса аналогична изгибу трубы и таким же образом будет отклоняться поток воздуха при обтекании паруса. Скорость воздушного потока выше со стороны выпуклой части паруса АВ, где образуется область пониженного давления, и ниже с вогнутой  стороны, где создается область высокого давления. А - точка разделения, В - длина профиля, С - хорда профиля, D - прогиб (пузо)
Условный парус АВ помещен ниже суживающейся части аэродинамической трубы. Форма паруса аналогична изгибу трубы и таким же образом будет отклоняться поток воздуха при обтекании паруса. Скорость воздушного потока выше со стороны выпуклой части паруса АВ, где образуется область пониженного давления, и ниже с вогнутой стороны, где создается область высокого давления. А - точка разделения
В - длина профиля
С - хорда профиля
D - прогиб (пузо)

ТЕРМИНОЛОГИЯ.

В аэродинамике паруса используются разнообразные технические термины. Прогиб паруса - пузо - характеризуется двумя параметрами: глубиной профиля, измеряемой от точки максимального прогиба до хорды, и расстоянием этой точки от передней шкаторины, обычно выражаемом в процентах длины хорды профиля паруса. Воздушный поток расходится на две части в точке разделения на передней кромке паруса.

СВОЙСТВА ПАРУСОВ.

Любой простейший парус предназначен для того, чтобы за счет силы ветра двигать яхту в направлении, совпадающем с направлением ветра. Воздушный поток можно представить в виде множества частиц, движущихся подобно шарикам для пинг-понга, - упорядоченным образом. Когда на их пути возникает какое-либо препятствие, частицы разделяются на потоки и, обтекая препятствие, сжимаются частицами соседних слоев потока, которые не смещаются. Как видно из рисунка, некоторые слои потока воздуха, огибал парус, создают завихрения, называемые турбуленцией. Другие, более удаленные от паруса слои сохраняют плавную форму траектории. Воздушный поток обладает свойством обтекать препятствия, ускоряя свое движение, что помогает объяснить функцию профиля аэродинамического крыла. Коротко -аэродинамический профиль паруса создает подъемную силу, преобразуя энергию ветра в движущую вперед силу, но не обязательно в направлении потока воздуха. Причина этого явления - повышенная скорость воздушного потока над выпуклой поверхностью по сравнению со скоростью потока со стороны вогнутой поверхности, так как за одинаковый период времени первый должен пройти большее расстояние. Это значит, что парус скорее засасывается воздухом, чем толкается им.

На рисунке показано образование турбуленции за парусом, обтекаемым потоком. На схеме показано движение частиц воздушного потока. На этой схеме - как изменяются их траектории при обтекании паруса.
На рисунке показано образование турбуленции за парусом, обтекаемым потоком. На схеме показано движение частиц воздушного потока. На этой схеме - как изменяются их траектории при обтекании паруса.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА И ПОТОК.

Можно понять, как работает парус, если представить себе крыло птицы или самолета. Они имеют одинаковый аэродинамический профиль и при обтекании воздушным потоком также создают подъемную силу. Парус имеет аналогичную форму, но работает в вертикальной, а не горизонтальной плоскости. Та же самая подъемная сила, что создается на крыле самолета или птицы, является источником движущей силы паруса, но на нем эта сила направлена в сторону, а не вверх. Если бы корпус яхты не обладал боковым сопротивлением, то она двигалась бы вбок, перпендикулярно направлению потока воздуха.

СИЛА ТЯГИ.

Результирующая аэродинамических сил, действующих на парус, т. е. усилие на парусе, которое создается за счет низкого давления на выпуклой стороне и высокого давления на вогнутой, дает эффект, показанный на рисунке. Профиль паруса определяет, в какой степени эта сила преобразуется в силу тяги, движущую яхту вперед, и в какой степени в силу сопротивления, направленную назад. Когда воздушный поток минует точку максимального прогиба профиля паруса, он не создает тяги, эта часть паруса оказывает только сопротивление движению вперед. Силы, воздействующие на парус, создают также кренящую силу, которая в какой-то степени тормозит движение яхты. Кроме силы тяги на яхту действуют и другие силы - сопротивления движению, кренящая, сила дрейфа. Силе тяги противодействуют силы сопротивления и кренящая. Кренящая сила может быть нейтрализована усилиями экипажа или килем, уравновешивающим яхту.

На схеме упрощенно показано, как на аэродинамическом крыле создается подъемная сила. Результирующая всех сил, действующих на паруса и корпус, создает силу тяги. Давление на парус преобразуется в силы тяги и сопротивления.
На схеме упрощенно показано, как на аэродинамическом крыле создается подъемная сила. Результирующая всех сил, действующих на паруса и корпус, создает силу тяги. Давление на парус преобразуется в силы тяги и сопротивления.

ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК.

На схемах показаны направления истинного ветра, когда яхта стоит, и вымпельного ветра, когда яхта на ходу.На схемах показаны направления истинного ветра, когда яхта стоит, и вымпельного ветра, когда яхта на ходу.

Воздушный поток, набегающий на парус, создает силу, которая движет яхту вперед, но при этом наблюдается любопытное явление - направление воздушного потока смещается ближе к ДП яхты. Этот вымпельный ветер обусловлен сложением двух воздушных потоков - истинного ветра и встречного, созданного собственным движением яхты. Чтобы понять, как это происходит, держите перед собой зажженную свечу и идите вперед. Вы обнаружите, что пламя, стремясь сохранить вертикальное положение, начинает отклоняться назад - в направлении, противоположном вашему движению. Все движущиеся объекты создают свой собственный воздушный поток, и конструкция яхты должна предусматривать настройку парусов по вымпельному ветру. Для контроля за направлением ветра необходимо иметь указатели ветра, прикрепленные к парусам, вантам или мачте, такие, как "виндекс", вымпелы или "колдунчики".

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПАРУСОВ.

В силу многих причин яхтсмены в прежние времена всегда старались разделять площадь парусов на несколько легко управляемых частей, используя для этого паруса небольших размеров. Так случайно была создана система, обеспечивающая максимальную тягу при плавании в бейдевинд. Воздух обтекает два косых паруса как один большой аэродинамический профиль, в котором поток, проходя сквозь щель между двумя парусами, получает ускорение и улучшает равномерность обтекания у поверхности второго паруса. Во время гонки большим искусством считается умение правильно оценить взаимодействие парусов для получения максимальной тяги.

Ветер, проходя сквозь щель между двумя парусами, получает ускорение и таким образом повышает эффективность обоих парусов. Форма ватерлинии древнего долбленого каноэ не похожа на ватерлинию современной яхты. Обтекание тела хорошей аэродинамической формы происходит с минимальными возмущениями потока, что является типичным для современных парусных яхт.
Ветер, проходя сквозь щель между двумя парусами, получает ускорение и таким образом повышает эффективность обоих парусов. Форма ватерлинии древнего долбленого каноэ не похожа на ватерлинию современной яхты. Обтекание тела хорошей аэродинамической формы происходит с минимальными возмущениями потока, что является типичным для современных парусных яхт.

ОБВОДЫ КОРПУСОВ ЯХТ.

Форма корпуса лодки ранее в значительной степени зависела от используемого строительного материала (дерево, тростник и т. п.). Простое выдолбленное бревно (челн) с его закругленными обводами являлось идеальным профилем для хорошего обтекания потоком воды. Существенное значение имеет форма корпуса на уровне ватерлинии и ниже ее. Чаще всего ватерлиния яхты имеет форму аэродинамического крыла с широкой частью, смещенной к носу от миделя. Так как вода имеет большую вязкость, чем воздух, она более чувствительна ко всякого рода помехам. Следовательно, корпус яхты должен оказывать как можно меньшее сопротивление потоку воды, иначе поток будет нарушаться и замедлять движение яхты.
Завихрения потока могут быть созданы любым изъяном или несовершенством подводной поверхности корпуса, но наибольшее сопротивление движению возникает в районе ватерлинии - где встречаются воздух, вода и корпус.

НАСТРОЙКА ПАРУСОВ.

Важное условие достижения наибольшего эффекта в работе парусов - угол, под которым они установлены к ветру. Этот угол должен обеспечивать максимальную разность давлений в потоках воздуха, обтекающих обе стороны паруса. Большинство яхтсменов считают, что наилучшим индикатором проверки правильной настройки парусов являются "колдунчики", пришитые по обеим сторонам паруса - они должны вытягиваться параллельно воздушным потокам. Если на какой-либо стороне паруса образуются завихрения, "колдунчики" на этой стороне паруса немедленно отклонятся от плавной траектории потока.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ.

Яхта идет со своей максимальной скоростью - гребни волн находятся вблизи концов ватерлинии.Яхта идет со своей максимальной скоростью - гребни волн находятся вблизи концов ватерлинии.

Когда яхта не глиссирует, она создает две волны, расстояние между которыми увеличивается тем больше, чем выше скорость движения. При определенной скорости расстояние между гребнями волн оказывается близким к длине ватерлинии яхты и оба гребня располагаются около концов ватерлинии. Яхта становится как бы зажатой между гребнями собственных носовой и кормовой волн. Увеличить скорость яхты практически невозможно. Например, для яхты типа "Контесса-32" ("Конрад-30") существует теоретический максимум скорости - не многим более 7 уз. Преодолеть этот барьер и развить более высокую скорость могут только яхты, способные глиссировать или имеющие очень узкий корпус.


ШВЕРТ И РУЛЬ.

Киль и шверт обычно имеют профиль крыла и напоминают форму паруса.Киль и шверт обычно имеют профиль крыла и напоминают форму паруса.

Конструкции шверта и руля парусного швертбота обеспечивают создание наибольшей подъемной силы при минимальном сопротивлении движению вперед. Точка наибольшей полноты профиля обычно находится около середины хорды при хорошо скругленной ведущей кромке, а остальная часть сужается постепенно до острого угла задней кромки. Форма шверта или руля часто диктуется правилами класса, но идеальной обычно считают форму хорошо закругленного крыла самолета.

ФУНКЦИЯ КИЛЯ.

Киль и шверт не позволяют яхте дрейфовать вбок, а также обеспечивают ей возможность идти круто к ветру. При обтекании их потоком воды, так же как паруса воздухом, создаются области высокого и низкого давления, что приводит к появлению подъемной силы. Угол атаки профиля киля в потоке воды определяется боковым дрейфом яхты. Обтекание потоком воды создается за счет движения яхты вперед благодаря силе тяги парусов. Изобразив результирующие силы, действующие на киль и паруса, на одной диаграмме, можно ясно определить их взаимодействие. Если векторы этих сил уравновешиваются таким образом, что остается только одна сила, движущая судно вперед, значит яхта удачно сконструирована и хорошо управляема.

На схеме показаны силы, воздействующие на корпус и паруса; если их суммировать, останется одна сила, обеспечивающая движение вперед. Форма киля.
На схеме показаны силы, воздействующие на корпус и паруса; если их суммировать, останется одна сила, обеспечивающая движение вперед. Форма киля.

ФОРМА КИЛЯ.

Если балласт расположен под корпусом яхты в виде фальшкиля, перед конструкторами встает задача придания ему наиболее эффективной формы. Раньше яхты имели киль, который тянулся от носа до кормы, а руль крепился к кормовой кромке киля. Такие яхты обладают достаточной мореходностью, но в основном тихоходны из-за большой площади подводной части корпуса, что создает значительное сопротивление движению. Современные гоночные яхты имеют хорошо обтекаемый корпус с обводами типа каноэ, тонкий киль, крепящийся к нему, и отделенный от киля подвесной руль (последнее обстоятельство часто приводит к повреждению руля). Конструкторы яхт продолжают экспериментировать с обводами корпусов, но некоторые проекты остаются классическими и, видимо, не утратят своей популярности.

Следующая глава.

Содержание.

Учредитель: ООО "СиМедиа". Санкт-Петербург.

При полном или частичном использовании материалов гиперссылка на SeaMedia.ru обязательна.
Редакция не несет ответственности за достоверность информации, опубликованной в рекламных объявлениях.
Свидетельства о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-33820 от 24 октября 2008г.
© 2008-2009 Российский Интернет-журнал SeaMedia.ru - Все о яхтах и катерах

192236, Санкт-Петербург, Софийская улица, д.8

Тел.: +7 (812) 964-14-30

Проверено на вирусы

Создание сайта SiriusWeb

Рейтинг - SeaMedia.ru Rambler's Top100 Рейтинг - яхты и катера
Мониторинг доступности сайта