Качественное рассмотрение работы паруса как крыла

Определим, каким образом на парусе возникает тяговое усилие, которое сообщает движение парусному судну.

Все рассуждения являются чисто качественными. При изложении делаются допущения и не рассматриваются детали не принципиальные, с торчки зрения физических основ работы паруса, но упрощающие как изложение вопроса, так и понимание излагаемого материала.

На парус набегает воздушный поток, определяемый скоростью и направлением вымпельного ветра.

При этом определяем, до начала рассмотрения, что парус является вертикальным крылом и разделяет поток набегающего воздуха на две части. Одна часть воздушного потока проходит по подветренной стороне паруса, а вторая часть по его наветренной стороне. Оба потока смыкаются за задней шкаториной паруса. На подветренной стороне паруса (выпуклой) поток проходит большее расстояние, чем вдоль наветренной. Следовательно, скорость потока на подветренной сто рис. 6 роне паруса выше.

По закону Бернулли давление ниже, там, где выше скорость потока. Таким образом, на подветренной стороне паруса возникает разрежение, которое вызывает смещение паруса в сторону более низкого давления (рис. 6). Величина разряжения возникающего на подветренной стороне паруса пропорциональна скорости потока.

Смещение парусного судна происходит под действием аэродинамической силы, которая является результатом действия на парус двух сил – силы сопротивления воздуха движению паруса и подъемной силы (рис. 7), которая сообщает парусу это движение. В свою очередь, результирующая аэродинамическая сила может быть разложена на две составляющие – вектор в направлении движения судна и пер -

рис. 7 пендикулярный ему вектор. Первый вектор, направленный по движению судна это сила тяги, которая и сообщает движение парусу и через него судну, а вторая - это сила дрейфа (кренящая сила), вызывающая дрейф в подветренную сторону (рис. 8). В литературе и на рисунке сила, перпендикулярная силе тяги, очень часто называется кренящей силой. Это утверждение не является правильным и им авторы заменяют кренящий момент, который возникает в результате взаимодействия судна не только с ветром, но и с водой. Этот вопрос будет рассмотрен позднее, при рассмотрении результирующей гидродинамической силы и плеча между силой бокового сопротивления судна и силой дрейфа.

Исходя из того, что величина

рис. 8 подъемной силы пропорциональна скорости набегающего потока, можно сделать вывод о том, что более скоростное судно может двигаться острее к вымпельному ветру. Это объясняется тем, что при меньшем отношении силы тяги к силе дрейфа, значение силы тяги, при высоких скоростях вымпельного ветра, будет достаточным для обеспечения движения судна. Для судов двигающихся в водоизмещающем режиме этот выигрыш будет незначительным так как возрастающая скорость судна будет вызывать увеличение силы лобового сопротивления и наступит баланс сил тяги и лобового сопротивления. Для глиссирующих судов, имеющих низкое лобовое сопротивления возможен режим движения под очень острыми углами к вымпельному ветру.

Для эффективной работы паруса он должен быть поставлен под определенным углом к набегающему воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки паруса и определяется как угол между направлением ветра и хордой паруса.

Угол атаки паруса очень сильно зависит от поперечного профиля паруса. Оптимальным углом атаки для большинства парусов является угол около 15 градусов (рис. 9).

При углах атаки больше 15 градусов, начинается срыв потока и нарушается ламинарность потока на подветренной стороне паруса. При этом нарушается обтекание паруса (поток становится турбулентным), что приводит к уменьшению скорости потока и, соответственно, уменьшению

разряжения на подветренной стороне паруса. Кроме того, турбулентный поток увеличивает трение о парус, и изменяет поперечный профиль паруса в

рис. 9 районе задней шкаторины (рис. 10). Все эти явления, возникающие при увеличении угла атаки паруса, приводят к снижению эффективности работы паруса как крыла и уменьшению тяги паруса.

При углах атаки менее 15 градусов срывается поток на наветренной стороне паруса. Так как парус является мягким крылом и его форма обеспечивается рис. 10 только потоком набегающего воздуха, то в пределе, при очень малых углах атаки парус теряет форму и перестает работать.

И в том и в другом случае ухудшается эффективность работы паруса, что

рис. 11 рис. 12

приводит к снижению силы тяги паруса. Поэтому при каждом изменении курса необходимо производить настройку парусов.

Парусное судно может двигаться под углами к ветру в диапазоне от 30-40 градусов до 180 в сторону каждого борта. При этом паруса расположены под разными углами к ДП судна, но всегда под углом к вымпельному ветру, обеспечивающим эффективную работу паруса.

На рис. 11 показано изменение положения парусов относительно ДП при уваливании яхты по ветру. При этом используется термин идти полнее.

На рис. 12 показано изменение положения парусов относительно ДП при приведении яхты к ветру. При этом используется термин идти круче (или острее) к ветру.

На рис. 13 показаны курсы яхты относительно вымпельного ветра и положение парусов на каждом курсе.

Этот рисунок можно разделить на две половины по диаметру перпендикулярному направлению вымпельного ветра. Это направление движения судна (90 градусов к ветру) называется галфвинд (полветра).

Курсы, расположенные выше этой линии называются острыми, а ниже этой линии - полными.

К острым курсам относятся бейдевинд (от 30-40 до 90 градусов к ветру) и левентик (0 градусов к ветру).

Левентик не является рабочим курсом, так как парусное судно не может двигаться строго против ветра (о чем говорит заполаскивающий парус на рисунке).

Красный сектор в верхней половине курсовых углов является нерабочим, так как движение в этой зоне возможно, но не эффективно.

К полным курсам относятся бакштаг (от 90 до 180 градусов к ветру) и фордевинд (180 градусов к ветру).

Интересно рассмотреть зеленый сектор в районе курса фордевинд. Это тоже нежелательный сектор курсовых углов, так как в этом секторе движение парусного судна с косым вооружением (крыло) не эффективно. Парус работает как парус (за счет площади парусности, а не за счет свойств крыла). Скорость движения судна по ветру ограничена скоростью ветра и управляемость судна на этом курсе, особенно на волнении, не высокая.

рис. 13 Второй интересной линией разделения данного рисунка является вертикальный диаметр, совпадающий с направлением ветра, который делит этот рисунок на две половины. В левой половине рисунка судно идет правыми галсами относительно ветра, а в правой половине – левыми галсами.

1. Галс это курс судна относительно ветра:

- ветер с левого борта – левый галс;

- ветер с правого борта – правый галс.

2. Галс это часть пути судна между поворотами.

На рис. 14 показаны направления вымпельного ветра при тех же курсах относительно истинного ветра и положение парусов на каждом курсе.

Из анализа ри сунка следует, что при равных скорости истинного ветра и скорости движения судна при курсовом угле 45 градусов к истинному ветру парусное судно имеет курсовой угол к вымпельному ветру равный ~ 22 градуса.

А при движении курсом бакштаг относительно истинного ветра судно идет в бейдевинд относительно вымпельного ветра. И только при курсе бакштаг вымпельный ветер отходит до галфвинда

Кроме положения паруса относительно ДП судна интересно рассмотреть форму паруса в зависимости от условий движения судна.

Очень большое значение имеет поперечный профиль паруса – «пузо» паруса, которое измеряется в процентах от длирис. 14 ны паруса по хорде (рис. 15).

Пузатые паруса обеспечивают большую подъемную силу, но имеют большое лобовое сопротивление (рис 15).

Плоские паруса не обеспечивают большой подъемной силы, но, при этом, имеют небольшое лобовое сопротивление (рис. 15).

Из этого следует, что для тяжелых судов, имеющих большое лобовое сопротивление подводной части корпуса целесообразно использование парусов с большой глубиной паруса, обеспечивающие «большую тягу» при небольших скоростях вымпельного ветра. А для спортивных судов, особенно глиссирующих, рассчитанных на высокие скорости движения, целесообразно использование более «плоских» парусов, имеющих небольшое лобовое сопротивление воздушному потоку, но обеспечивающих «хорошую тягу» при высоких скоростях вымпельного ветра.

Большое значение имеет форма паруса в районе передней шкаторины – «лоб паруса». При смещении «пуза» паруса вперед парус становится «лобастым», а при смещении назад получаем парус «с плоским входом».

При «плоском входе» острота курса выше, но парус критичен к изменению угла атаки. Требуется высокая точность в управлении и при любом изменении курса необходимо производить настройку парусов (рис. 12).

рис. 15 рис. 16

При лобастом парусе (пузо смещено вперед) увеличивается сопротивление паруса и уменьшается острота курса относительно ветра, но увеличивается диапазон изменения курса без дополнительной настройки парусов (диапазон подруливания или курсовой сектор) за счет увеличения диапазона углов атаки паруса, при которых он продолжает работать эффективно (рис. 12).

рис. 17

Парус с пузом, смещенным вперед, целесообразно использовать в сложных рис. 18

погодных условиях, при большом волнении, когда требуется обеспечить возможность постоянного, незначительного изменения курса для обеспечения остойчивости и безопасности судна (например, пересечения под прямым углом гребня волны или невозможности точного удержания яхты на курсе при порывистом ветре).

Изменение пуза грота достигается изгибом мачты. При прогибе мачты происходит раздвигание передней и задней шкаторин паруса и парус за счет этого становится более плоским (рис. 17) при этом происходит смещение назад пуза паруса. Пузо грота в его нижней части изменяют набивкой грота-шкота. Для смещения пуза вперед с целью восстановления правильного его положения в районе 40-50 процентов хорды производят набивку грота фала. При дальнейшей набивке грота фала происходит смещение пуза дальше вперед и увеличение лобастости паруса.

Аналогично производится настройка стакселя. Набивка штага изменяет глубину пуза, а набивка стаксель-фала изменяет положение пуза и лобастость паруса.

Кроме поперечного профиля паруса, большой интерес и большое значение имеет его продольный профиль (изменение профиля паруса по высоте). Для обеспечения правильной работы паруса парус должен иметь скручивание по высоте, которое обеспечивает постоянный угол атаки паруса относительно вымпельного ветра.

Так как скорость ветра увеличивается с увеличением расстояния от палубы судна, а скорость перемещения паруса в горизонтальной плоскости не изменяется, происходит изменение направления вымпельного ветра (увеличивается угол между курсом судна и направлением вымпельного ветра – ветер «отходит») и его усиление (рис. 18).

Для компенсации изменения направления вымпельного ветра необходимо изменять положения паруса по высоте – угол атаки паруса. Это достигается откло-

рис. 18 рис. 19

нением к подветренной стороне верхней части паруса больше чем нижней (рис. 20).

Скручивание грота обеспечивается изменением «набивки» оттяжки гика и положением каретки гика-шкота на погоне.

Скручивание стакселя обеспечивается набивкой стаксель шкота и положением каретки стаксель шкота на погоне. При смещении каретки вперед парус становится полнее и уменьшается скручивание паруса по высоте. При смещении каретки назад парус становится более плоским, а скручивание паруса по высоте увеличивается.