Парусные лодки: теория движения судна по ветру + критерии быстрого хода

Парусные лодки: теория движения судна по ветру + критерии быстрого хода

Движением воздуха образуется кинетическая энергия. Соответственно, взаимодействие воздуха и парусов морского (речного) судна, как теоретически, так и практически приводит парусные лодки в движение. Подобно крыльям самолёта, паруса любого судна используют принцип Бернулли.

Парусные лодки – теория создания силы движения

Крыло самолёта делается с таким расчётом, чтобы потоки воздуха над верхней частью крыла двигались быстрее потоков воздуха под нижней поверхностью. Как результат — более низкое давление над крылом, чем под крылом, что создаёт подъёмную силу. Аналогичная ситуация отмечается с парусными лодками.

Парус морского (речного) судна традиционно имеет изогнутую форму и выставлен навстречу ветру под углом атаки. Ситуация схематично показана на картинке ниже. Поток воздуха в области подветренной стороны паруса проходит более длинный путь.

Таким образом, присутствие потока воздуха на подветренной стороне заставляет парусные лодки двигаться быстрее, чем присутствие потока воздуха на стороне паруса против ветра. Измерения подтверждают: относительно давления на паруса, сила всегда выше со стороны против потока и ниже с подветренной стороны.

Парусные лодки - теория хода судна графически
Парус и киль создают горизонтальную «подъемную» силу: 1 – потоки воды; 2 – потоки ветра; 3 – направление хода судна; 4 – сила паруса; 5 – сила киля

Для хода по ветру, когда парус ориентирован перпендикулярно направлению воздушного потока, очевидным является рост давления на стороне против ветра и снижение давления на подветренной стороне. По мере разворота паруса относительно направления воздушного потока, ситуация меняется.

При ветровом потоке, перпендикулярном движению парусника, снижение давления на подветренной стороне больше, чем увеличение давления с наветренной стороны. Для парусника, идущего точно прямо против ветрового потока, силы на подветренной стороне снижаются с увеличением на стороне против ветра.

Скоростные характеристики парусной лодки от потока воздуха

Бывалым мореходам хорошо известно – наиболее «скоростная точка» паруса (ход судна относительно направления воздушного потока) находится отнюдь не прямо по ветру. Парусные лодки движутся максимально быстро при условии обеспечения полного воздушного потока «на траверзе» (сбоку).

Это легко понять: когда парусная лодка движется прямо по ветру, такое судно никогда не будет двигаться быстрее воздушных потоков, потому что при скорости потока паруса попросту не «чувствуют ветра».

Фактически, парусная лодка, идущая по ветру, никогда не сможет достичь скорости воздушных масс, потому что движение в воде всегда сопровождается сопротивлением.

Однако когда парусная лодка идёт перпендикулярно ветровым потокам, скорость судна не противостоит силам, действующим на паруса. Установка паруса выполняется под углом 45º к направлению движения и потоку ветра.

Равновесная скорость парусной лодки определяется примерно постоянной силой воздуха в парусах и сопротивлением движению парусной лодки по воде. Если сопротивление допустимо сделать небольшим, появляются все шансы достижения максимальной скорости судна.

Этот момент особенно заметен на конструкциях парусных саней (буеров), которые движутся по льду с очень небольшим сопротивлением. Такие парусные лодки способны набирать скорость 150 км/ч и выше, при скорости ветрового потока на траверзе 50 км/ч.

Конечно же, парусники, бороздящие морские (речные) просторы, испытывают гораздо большее сопротивление. Тем не менее, некоторые специально сконструированные парусные лодки развивают скорость движения более чем вдвое превышающую скорость ветра.

Парусные лодки — направление хода килем

Очевидным видится применение на парусной лодке устройства, помогающего создавать движение в конкретном направлении, а не просто ход по ветру. Таким устройством является лодочный киль.

До появления современной теории относительно конструкции авиационного крыла считалось, что парусной лодке требуется длинный заглубленный киль. Такие требования связывали с фактором предотвращения бокового смещения.

Но несколько позже, практика применения дала новое понимание теории. Лодочный киль, как и парус, работает на основе концепции создания бокового подъёма, когда вода обтекает киль (картинка ниже).

Парусные лодки - принцип функции киля графически
Если парусная лодка показывает ход не по прямой, между двумя сторонами киля конструкции судна присутствует перепад давления

Конструкция киля парусной лодки должна иметь симметричное исполнение, обеспечивая тем самым движение парусника по обе стороны относительно потока ветра.

Киль работает, только если парусная лодка движется не точно в конкретном направлении. Для движения (хода) судна характерным является несколько боковое смещение. Этим «крабовым» ходом судно обеспечивает сила движения киля под водой, под углом атаки.

Как и в случае с парусом по ветру, такое положение заставляет воду на «высокой» (низовой) части киля двигаться быстрее, чем создаётся более низкое давление. Опять же, чистая подъёмная сила на киле возникает по причине комбинации уменьшенного давления на высокой стороне и повышенного давления на низкой стороне.

Подъёмная сила паруса и киля морского судна

Подъёмная сила киля направлена практически в противоположном направлении от подъемной силы, создаваемой парусом. Два вектора можно разделить на составляющие вдоль и перпендикулярно направлению движения парусной лодки.

Для направленного хода парусной лодки, то есть идущей с постоянной скоростью в фиксированном направлении, поперечные составляющие подъёмной силы паруса и киля компенсируются взаимно.

Составляющая движущей силы паруса в конкретном  направлении — это сила, которая фактически перемещает парусную лодку вперёд. Для стабильного перемещения эта сила уравновешивается противоположной составляющей подъемной силы киля, плюс общей силы сопротивления.

Форма крыла самолёта, разработанная для полёта по воздуху, показывает — наиболее эффективной является конструкция — длинная и узкая по форме. Воздушные вихри, возникающие на концевой части крыла самолёта, требуют затрат энергии.

Длинное узкое крыло самолёта создаёт максимум отношения подъёмной силы к рассеиванию воздушных вихрей. Обеспечивается наилучшая характеристика отдачи для данной площади поверхности. Аналогичная картина конструкции применима к парусам и килям парусников.

Вместо заключения

Теперь признано, что наиболее эффективными являются кили — узкие спереди, с незначительным расширением к задней кромке, и заглубленные. Такой киль отличается значительно меньшей площадью поверхности по сравнению с конструкциями устаревшего типа. Меньшая площадь киля даёт меньшее сопротивление.

Большинство современных гоночных парусников оснащаются заглубленными узкими килями, эффективными для подъёмной силы. Подъёмная сила, в свою очередь, предотвращает боковое смещение судна. Конечно, такого типа кили не подходят для применения на мелководье.


При помощи информации: PhysicsToDay