Як човен йде під вітрилом
остійність
Одна з найважливіших завдань, що вирішуються при проектуванні парусного судна, - забезпечення його остійності. Варто ступити в маленький круїзер, він тут же нахилиться в ту сторону, куди ви наступили, оскільки центр ваги переміститься.
Ця сила відома як відновлюючий момент. вона протидіє крену і надає яхті остійність.
На остійність човна одночасно впливають кілька сил: бічна сила вітру, що чинить тиск на вітрила, і протистоїть їй сила тиску води на борт. На Швертботи (як показано на малюнку) вага членів команди допомагає впоратися з креном; на кільових човнах використовується вага баласту.
Хороший приклад - яхта, що йде під вітрилом. Під тиском вітру на вітрило яхта крениться, точка В зміщується в бік від точки G, тому природним прагненням для В і G є створення відновлює моменту, щоб привести судно в початкове положення; це реакція остійності яхти.
Однак у восстанавливающего моменту є межа, і, коли точка G опиняється по інший бік від точки В, який відновлює момент виявляється спрямованим в іншу сторону і перетворюється в перекидаючий момент, що змушує човен перевертатися, так як вона втрачає свою первісну остійність. Щоб цього уникнути, потрібно відновити становище, при якому яхта знаходиться в нормальному стані, - коли точка G знаходиться прямо над точкою В. Для досягнення цього є два способи:
1. Зменшити тиск вітру на вітрила обезветріваніем. Це дає човні можливість повернутися в нормальне положення і повертає G в положення над В. Зазвичай це досягається ослабленням, або травленням, шкотів.
2. Використовувати вагу членів екіпажу або баласту для збільшення відновлює моменту і протидії крену. У плоскодонках як баласт використовується вага членів команди, вони нахиляються в сторону високого борту (або трапеції), щоб повернути судно в нормальне положення. На кільових яхтах використовується вага баласту. Коли корпус крениться, кіль піднімається, створюючи сильний відновлюючий момент, який повертає яхту в нормальне положення.
Теоретично нормальне положення яхти є ідеальним для ходіння під вітрилом. На практиці це не виходить через те, що тиск вітру викликає її крен, а без вітру в вітрилах вона не будетдвігаться. Тому компроміс досягається використанням двох описаних вище методів для забезпечення безпечного нахилу до точки, в якій судно проявляє свої найкращі якості, і при цьому не виникає небезпеки перекидання, а також загрози безпеки екіпажу.
Майстерність шкіпера і екіпажу, що дозволяє їм знайти рівновагу між плавучість і гравітацією, визначає, наскільки добре йде яхта за будь-яких обставин.
форма вітрила
Неважко зрозуміти, як рухається яхта при попутному вітрі; тиск вітру на вітрила просто штовхає її вперед. Зовсім інша справа при зустрічному вітрі, в цьому випадку скоріше проявляється тенденція рухатися назад, ніж вперед. І все ж вітрильні судна можуть рухатися проти вітру, хоча і не прямо.
Непосвяченому важко зрозуміти, як яхта може рухатися майже проти вітру. Секрет - у формі вітрил. В ті часи, коли старовинні парусники борознили океани, у них були, за рідкісним винятком, прямі вітрила, які ловили вітер, штовхав їх вперед; і, природно, таким судам було важко рухатися проти вітру. Тому торгові маршрути, за якими вони йшли, були розроблені так, щоб більшу частину шляху вітер був попутним або майже попутним.
Багато прекрасних кліпери навмисно робили великі петлі в океані в гонитві за потрібне попутним вітром. Один з основних маршрутів вітрильних суден в Південній півкулі пролягав від мису Доброї Надії через південні райони Тихого океану до Австралії і далі - до знаменитого мису Горн в Південній Америці. Суду йшли, таким чином, весь час на схід, використовуючи попутні західні вітри, звичайні в високих південних широтах, і часто досягали швидкості 16 або 17 вузлів навіть при малоефективних прямих вітрилах. Для них було б майже неможливо йти під вітрилом в протилежному напрямку.
Ця діаграма показує, як мало парус пручається натиску вітру (А), поки він не закріплений шкотом (В), що розбиває потік повітря і створює рушійну силу.
Винахід носового і кормового вітрил, що дозволяють судну просуватися назустріч вітру, зробило революцію в вітрильному мореплавство. Хоча рух прямо проти вітру залишилося як і раніше неможливим, такий тип вітрила дозволяє яхтам з високими гоночними якостями йти під гострим кутом до напрямку вітру і таким чином просуватися назустріч вітру.
Йдучи під гострим кутом до вітру спочатку одним бортом, а потім іншим, яхта може досягти потрібної точки, яка знаходиться прямо проти вітру - ця техніка називається зміною галс або лавировкой.
Наскільки гострий кут для руху проти вітру може вибирати екіпаж, залежить в основному від її проекту та крою вітрил.
Так як вітрило має форму крила літака, повітря рухається швидше з зовнішнього боку вигину, створюючи вир, що штовхає човен вперед.
Майстерність виробника вітрил високо цінується і багато в чому визначається гостротою цього кута; цей показник називається лавіровочним кутом. Крейсерські яхти з вітрилами середнього крою можуть йти під кутом менше 45 ° до вітру, а яхти з високими гоночними якостями, такі, як величезні яхти, які беруть участь в змаганнях за Кубок Америки, з точно скроєними (і дуже дорогими) вітрилами, можуть рухатися під набагато гострішим кутом до вітру.
Щоб зрозуміти, як вітрило перетворює енергію вітру і тягне човен вперед, ми повинні спочатку розглянути форму вітрила, а також траєкторію обтікання його вітром. Більшість носових і кормових вітрил кроятся і шиються так, щоб вони мали форму, що нагадує аеродинамічну поверхню крила літака, - дійсно, парус багато в чому працює за тим же принципом, що і крило. Головна відмінність між ними полягає в тому, що крило кріпиться горизонтально і отримує підйомну силу з оточуючого повітря, а вітрило кріпиться вертикально і отримує з повітря силу, що штовхає вперед.
Якби парус був плоским і рівномірно розсікав повітря, тоді не відбувалося б і руху вперед, тому що повітря обтікав б його однаково з усіх сторін. Але оскільки йому надається аеродинамічна форма, повітря із зовнішнього боку вигину рухається швидше, ніж з внутрішньої сторони. Більш швидкий потік повітря з зовнішнього боку створює ефект виру, який прагне «всмоктати» вигин. У випадку з крилом літака це всмоктування тягне крило (і тому весь літак) вгору. У випадку з яхтою воно тягне вітрило (і судно) вперед.
(Щоб краще зрозуміти це, уявіть собі лад солдатів, повертають за ріг будинку. Солдат, який перебуває в найближчій до кута точці, практично залишається на місці, ледь рухається, в той час як солдат в найдальшому ряду повинен майже бігти, щоб зберегти лад. )
Щоб прискорити повітряний потік із зовнішнього боку вигину і збільшити ефект виру, найчастіше використовується перекриває вітрило, що створює «щілинний ефект» між вітрилами. Найбільш поширений вид оснащення на сучасних вітрильних судах - носової вітрило, або стаксель, який перекриває грот так, щоб утворилася щілина.