Взаимодействие яхты с ветром и водой, центровка яхты.

Для обеспечения движения парусного судна в производном направлении необходимо не только наличие аэродинамической силы, но и взаимодействие корпуса судна с водой. Без взаимодействия с водой (определяющего наличие бокового сопротивления корпуса) судно может двигаться только в направлении, определяемом направлением результирующей аэродинамической силы. Разложение этой силы на силу тяги и силу дрейфа возможно только при наличии результирующей гидродинамической силы, которая появляется в результате действия на судно набегающе рис. 20 го потока воды и складывается из силы лобового сопротивления корпуса и силы его бокового сопротивления. В результате разложения результирующей аэродинамической силы на силу тяги и силу дрейфа и разложения результирующей гидродинамической силы на силу лобового сопротивления и силу бокового сопротивления мы получаем две пары сил:

1. сила дрейфа - сила бокового сопротивления.

1. сила тяги - сила лобового сопротивления.

Следовательно, если сила тяги превышает по величине силу лобового сопротивления корпуса судна - судно движется в направлении действия этой силы.

Если сила дрейфа не уравновешена силой бокового сопротивления корпуса судна, то судно движется в направлении действия этой силы. В общем случае, судно под действием рассмотренных сил движется по курсу (в направлении действия силы тяги) с дрейфом в сторону действия силы дрейфа. Угол между направлением силы тяги и направлением фактического движения судна называется углом ветрового дрейфа.

Для понимания причин образования крена рассмотрим силы, действующие на парус и корпус судна, в плоскости, перпендикулярной ДП судна. Этими силами являются сила дрейфа и сила бокового сопротивления, приложенные, соответственно, в центре парусности и центре бокового сопротивления корпуса судна, вес судна и выталкивающая сила, приложенные, соответственно, в центре величины (центр под

рис. 21 водного объема) и центре тяжести судна.

На рисунке 21 видим, что на судно действуют две пары сил. Одна из них образует кренящий момент – это сила дрейфа и сила бокового сопротивления с плечом «b» между ними. Вторая пара сил образует восстанаавливающий момент – это сила тяжести и выталкивающая сила с плечом «a» между ними. Баланс этих сил определяет величину крена парусного судна.

Важным параметром, характеризующим парусное судно, является, центр его парусности (ЦП). Центром парусности является условная точка, в которой приложена равнодействующая всех аэродинамических сил, действующих на судно. Для парусных судов принимается в геометрическом центре площади всех парусов, поставленных строго в ДП.

Существует графический способ определения

центра парусности. Паруса при этом считаются треугольными. Для этого вычерчивают парусность яхты в нужном масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр каждого паруса. Таким образом, на чертеже находят центры двух треугольников, составляющих грот и стаксель. Далее соединяют линией эти центры. Эту линию делят на две части обратно пропорциональные площадям парусов. От центра рис. 22 грота откладывают отрезок, пропорциональный площади стакселя, а от центра стакселя - пропорциональный площади грота. Четырехугольный грот предварительно разбивают диагональю на два треугольника, вычисляют их площади и описанным образом определяют отдельно ЦП такого грота. Для двухмачтового судна описанным способом определяется ЦП каждой мачты, а затем соединяются ЦП мачт и эта линия делится, также как для парусов на одной мачте, обратно пропорционально площади парусов каждой мачты. Такой способ определения центра парусности не является точным, так как удельная подъемная сила на разных частях паруса различна, а при данном методе расчета предполагается, что она везде одинакова.

Вторым важным параметром парусного судна является центр бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления считается точка приложения равнодействующей гидродинамических сил сопротивления воды боковому дрейфу судна. ЦБС принимается в геометрическом центре проекции подводной части корпуса на диаметральную плоскость судна (с учетом киля, руля и др. выступающих частей).

Центровка судна определяется взаимным расположением центра парусности судна и центра бокового сопротивления. Положение центра парусности судна зависит от формы, площади и положения парусов относительно ДП судна. Центр бокового сопротивления определяется подводной частью сечения судна по ДП. рис. 23 Взаимное расположение ЦП и ЦБС меняется в зависимости от величины крена. Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной прямой с ЦБС. Для обеспечения центровки яхты можно использовать наклон мачты, если это предусмотрено конструкцией судна. Для центровки судна при плавании используется изменение положения парусов относительно ДП судна, что дает возможность в больших пределах менять положение ЦП судна.

Если ЦП лежит впереди ЦБС, то сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового сопротивления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к ветру, или приводиться. При крене ЦП смещается из ДП в подветренную сторону, в результате чего появляется плечо между центром парусности и точкой, в котором приложена сила сопротивления движению судна, что приводит к возникновению приводящего момента. В зависимости от курса судна относительно ветра меняется положение парусов относительно ДП и одновременно величина кренящей силы, силы бокового сопротивления и силы сопротивления движению судна. Для компенсации уваливания или приведения судна под действием этих сил необходимо центровать судно смещением ЦП в нужную сторону изменением взаимного положения парусов.

Центром лобового сопротивления судна называется точка приложения равнодействующей гидродинамических сил сопротивления воды по лобовой поверхности судна. Принимается в геометрическом центре проекции подводной части корпуса на плоскость перпендикулярную ДП судна.

При крене яхты возникает пара сил, вызывающая резкое приведение яхты к ветру. При отсутствии крена, центр парусности и сила тяги, приложенная в этой точке, находятся в одной вертикальной плоскости с точкой приложения силы лобового сопротивления подводной части корпуса яхты. С появлением крена точка приложения силы тяги смещается под ветер. При этом, появляется плечо между силой тяги и силой лобового сопротивления. В результате действия этой пары сил возникает приводящий момент, заставляющий яхту приводиться к ветру. Этот момент компенсируется положением пера руля под ветер, которое сообщает лодке тенденцию к уваливанию. Однако, при резких порывах ветра, приводящих к резкому увеличению крена и силы тяги, яхта испытывает тенденцию приводится к ветру.

Управление движением яхты относительно воды производится посредством изменения положения пера руля относительно ДП судна. При отклонении пера руля от ДП возникает сила давления воды на перо руля. На пере руля возникает сила давления набегающего потока воды, приложенная перпендикулярно поверхности руля. Эта сила по правилу разложения векторов раскладывается на две составляющих. Одна из них направлена вдоль потока и является силой сопротивления движению, а вторая, перпендикулярная ДП судна смещает корму судна в направлении противоположном повороту. Стрелка справа от рисунка обозначает направление поворота судна.

При рассмотрении сил действующих на рис. 23 перо руля при движении судна видим, что теоретически эффективно руль может работать до углов 45 градусов. При больших углах растет давление набегающей воды и сила, приложенная перпендикулярно плоскости пера руля, но проекция этой силы на плоскость перпендикулярную ДП судна и смещающая корму судна уменьшается.