В качестве вступления. Данная статья появилась на свет с подачи и при моральной поддержке моих давних коллег по общению на форуме сайта «Верфь на столе». Целью её было освещение в ограниченных рамках сайта обширного раздела мореходной практики связанной с изменением парусности судна соразмерно силе и направлению ветра. Именно поэтому описывается лишь процесс взятия на рифы и уборки парусов. Публикация рассчитана на людей, знакомых с основными понятиями и терминами из практики вооружения парусных судов. Дабы не повторяться, намеренно упускаю и сокращаю все, что уже было опубликовано на этом сайте и связанно с этой темой, а попытаюсь обобщить то, что на мой взгляд может показаться интересным пытливому читателю в трудах, опубликованных большей частью в России во второй половине XIX века.
Итак, сначала о ветре. Да, да о нем, ибо, не вдаваясь в теорию и подробные расчеты, именно он и есть суть движущая сила парусного судна. В эпоху расцвета парусного кораблестроения моряки характеризовали силу ветра в зависимости от парусов, которые можно было нести, идя курсом бейдевинд. Это объяснялось тем, что при курсе бейдевинд суда вынуждены носить меньшую парусность. Основные причины заключаются в том, что, во-первых, боковое, наиболее опасное с точки зрения потери рангоута воздействие парусов через обрасопленные реи на мачты и стеньги, поддерживаемые вантами и фордунами более сзади, нежели с боков, оказывается наибольшим, чем при иных курсах; во-вторых, боковая остойчивость корабля существенно меньше продольной; и, в-третьих, сила ветра, воздействующая на корабль равно как и другой движущийся объект, зависит от направления его движения, то есть в бейдевинд она увеличивается, а при попутном ветре уменьшается. Поэтому при одном и том же ветре лежа бейдевинд необходимо было брать у марселей рифы, тогда как на фордевинд можно было нести и брамсели. Исходя из вышесказанного, о ветре говорили бом-брамсельный, брамсельный, марсельный, риф-марсельный и ундер-зейль, когда лежа бейдевинд можно поднять бом-брамсели, или идти под брамселями, или только под марселями или под зарифленными марселями, или нести только нижние паруса. Для более точной характеристики ветра говорили, например, ветер брамсельный тихий, марсельный крепкий, риф-марсельный с порывами и т.д. Под штилем подразумевалось полное безветрие, а под штормом – ветер, при котором держались под глухо зарифленным грот-марселем или только под одними триселями. Позднее перешли к более точному определению силы ветра в баллах по системе Бофорта (табл. 1).
| Вычисленная скорость в секунду времени | Давление в русских фунтах на фут | Баллы, означающие степень силы ветра | Название ветров по Бофорту | Название ветров по системе Чапмана |
| 10,4 | 0,28 | 1 | Light air Весьма слабый | |
| 20,8 | 1,11 | 2 | Light wind Слабый | |
| 31,2 | 2,49 | 3 | Light breeze | |
| 41,6 | 4,43 | 4 | Moderate breeze Умеренный | Бом-брамсельный |
| 51,9 | 6,92 | 5 | Fresch breeze свежий | Брамсельный |
| 62,3 | 9,97 | 6 | Strong breeze Весьма свежий | Марсельный |
| 72,7 | 13,57 | 7 | Moderate gale Сильный | Риф-марсельный |
| 83,1 | 17,72 | 8 | Fresch gale Весьма сильный | Ундер-зейль |
| 93,5 | 22,43 | 9 | Strong gale Крепкий | Полу-шторм |
| 103,9 | 27,69 | 10 | Heavy gale Весьма крепкий | Полный шторм |
| - | - | 11 | Storm Буря | |
| 124,7 | 39,88 | 12 | Hurricane Ураган |
Соответственно постепенно увеличивающейся силе ветра постепенно уменьшали парусность судна обычно в следующем порядке:
Убирали брам-стаксели и бом-брамсели с бом-кливером;
Крепили брамсели или оставляя последние, брали у марселей один риф;
Брали у марселей второй риф, причем обычно крепили брамсели;
Брали у марселей третий риф и заменяли кливер фор-стеньги стакселем, при этом кливер старались удерживать как можно дольше;
Крепили крюйсель, брали последний риф у фор- и грот-марселей, брали один риф у бизани;
Крепили фор-марсель и брали последний риф у бизани (или ставили штормовую бизань), фор-стеньги стаксель заменяли фока-стакселем.
Нижние паруса рифились обычно в следующей последовательности: вместе с четвертым рифом у марселей брали первый риф у грота, затем второй риф у грота и первый у фока, затем второй у фока и крепили грот или заменяли его грот-триселем, и, в крайнем случае, когда сила ветра и волнения лишали возможности иметь ход и вынуждали держаться под грот-марселем, крепили фок.
При попутных ветрах порядок постепенной уборки парусов предполагался аналогичным вышеизложенному с той лишь разницей, что для уменьшения рыскливости в бакштаг убирали бизань и крепили крюйсель во время взятия третьего рифа у других марселей.
Таким образом, штормовую парусность в бейдевинд на судах с прямым парусным вооружением составляли обычно глухо зарифленный грот-марсель (о парусе говорили что он глухо зарифлен, если у него были взяты все четыре рифа), фока стаксель и зарифленная бизань. При фордевинде это обычно были фор-стеньги стаксель, зарифленные грот-марсель и фок. Грот-марсель необходим как парус, у которого поднимающиеся сзади волны не отнимают много ветра, фок переносит вперед общий центр парусности, а фор-стеньги стаксель для компенсации случайного сильного рыскания.
В качестве наглядного примера привожу литографию Т. Г. Даттона (T G Dutton). На ней (Рис.1) изображен барк Constance, идущий бакштаг при риф-марсельном ветре под тремя парусами: фор-стеньги стакселем, фоком и грот-марселем, взятым на два рифа; команда в это время убирает фор-марсель и грот. При этом соответствующие лисель-спирты приподняты над реями, чтобы освободить место для укладки парусов.
Рис. 1. Барк Constance, идущий бакштаг.
Нельзя не упомянуть, что количество устанавливаемых парусов зависит не только от силы ветра и его направления относительно курса судна, но и от величины волнения, личного опыта капитана, характеристик и свойств конкретного корабля и некоторых других факторов. Немалую роль играет своевременность принятия решения об изменении парусности при изменении силы ветра: преждевременное уменьшение парусности ведет к потере хода, а передержка может сделать уборку парусов и взятие рифов делом трудным и опасным для марсовых.
Для того, чтобы иметь возможность брать паруса на рифы, в процессе отакелаживания в паруса продевают риф-леера, риф-сезни и риф-штерты; ввязывают кренгельсы и шпрюйты, пришивают лапки и обносные сезни, продевают нок-бензеля и штык-болты. Более подробное рассмотрение этого вопроса, несомненно, может представить интерес с точки зрения изготовления моделей кораблей.
Риф-сезни обычно плелись из пяти шкимушек. Их вешали через шест и из длинных концов сплетали плетенку длиною, достаточной для образования двойного очка, которое было необходимо для того, чтобы продетые риф-сезни не могли проскочить сквозь люверс паруса (Рис. 2). Затем сплетенную часть вешали серединой через шест, делали одним концом оборот вокруг шеста для образования двойного очка, соединяли оба конца и продолжали плести сезень из шкимушек обоих половин. (Рис. 3). Концы сезней обвивали парусной ниткой и крыжевали, прошивая насквозь. Длина риф-сезней должна соответствовать толщине рея, а так как риф вязали на рее как можно выше, задние половины сезней обычно делались длиннее передних, исключая сезней четвертого рифа, у которых наоборот передние концы делались длиннее задних, по причине того, что штык-болт четвертого рифа брался, как правило, сзади рея и сам риф обтягивался под низ рея. В процессе отакелаживания риф-сезни продевали, сидя на полу, два человека – по одному с каждой стороны растянутого паруса. Каждый, взяв одну половину риф-сезня, пропускал ее конец в люверс, в то же время принимал от своего коллеги другой конец сезня и пропускал его в очко своей половины. Далее на конец сезня надевался обыкновенный шкив, люди брались каждый за свой конец руками, ногами упирались в шкивы и таким образом плотно обтягивали сезень, надежно закрепляя его в люверсе. При взятии рифов парусину между реем и соответствующим риф-бантом закатывали и получившийся рулон обвязывали риф-сезнями прямым (Рис. 4) или рифовым узлом (Рис. 5).
Рис. 2 - 5. Риф-сезни.
Во второй половине XIX века через люверсы в риф-банте стали проводить один или два риф-леера одним из показанных ниже способов (Рис. 6). Чтобы полуштыки риф-лееров не могли ослабевать, на них клали бензеля из шкимушгара.
Рис. 6 и 7. Проводка риф-леера.
Риф-сезни с клевантами укреплялись на прутковом леере, служащим для привязки паруса, или на специальном леере, укрепленном позади парусного леера, либо обносились вокруг рея (Рис. 8) (на марса-реях их крепили парами – один для 1-го и 3-го рифа, второй для 2-го и 4-го). При взятии такого рифа парусину подбирали до соответствующего риф-банта, конец риф-сезеня пропускали в петлю риф-леера и закрывали на клевант (Рис. 9).
Рис. 8 и 9. Риф-сезни.
При взятии такого рифа мякоть не трогали, а оставляли висеть между парусом и реем.
Риф-сезни триселей и бизани вырубались из белого троса и вшивались в парус несколько иначе. Вот один из способов: делали в парусе дыру в месте продевания риф-сезеня, продевали его и равняли концы по обе стороны паруса. Затем раскручивали сезень вплотную у паруса, чтобы пряди развернулись и образовали калышки петлями. Пришивали эти петли к парусу, а немного ниже простегивали обе части сезня и паруса насквозь. Концы сезней обвивали парусной ниткой и тоже простегивали насквозь для прочности.
Риф-штерты, их так же называли змейками, служили для удобства притягивания паруса к рею при взятии рифов. Они представляли собой тонкую веревку, один конец которой приплесневывался к люверсу верхней шкаторины; другой конец спускался по передней стороне паруса и прихватывался к шейкам соответствующих риф-сезней вплоть до четвертого рифа (Рис. 7). У нижних парусов делали от 6 до 8 змеек, у марселей по 6, (на малых судах по 4), у крюйселей по 4.
Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.
Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.
Маршрут "Джульетты"
Что делать в таком случае?
Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.
"Под парусами против ветра
Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» - или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал - около четверти прямого угла, - и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."
Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.
Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).
Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.
Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.
При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.
Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.
В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.
Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.
Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.
Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.
Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).
Направления относительно ветра.
На ветре
значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром
— с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным
, левый борт — подветренным
соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.
Курсы относительно ветра.
Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.
Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.
Маневры относительно ветра.
Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится
. Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается
.
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг
и фордевинд
.
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.
Работа паруса при яхтинге.
Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.
Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.
Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.
Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.
Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.
Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.
Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.
Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.
Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.
Продвижение против ветра. Лавировка.
Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.
Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.
Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.
Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.
Работа паруса на других курсах относительно ветра
Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.
При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.
Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.
Думаю, что многие из нас воспользовались бы шансом погрузиться в морскую бездну на каком-нибудь подводном аппарате, но все же, большинство бы предпочло морское путешествие на паруснике. Когда еще не было ни самолетов, ни поездов были лишь только парусники. Без них мир был, не стал таким.
Парусники с прямыми парусами привезли европейцев в Америку. Их устойчивые палубы и вместительные трюмы доставили людей и припасы для строительства Нового мира. Но и у этих старинных кораблей были свои ограничения. Они шли медленно и практически в одном направлении по ветру. С тех пор многое изменилось. Сегодня используют совсем другие принципы управления силой ветра и волн. Так что если захотите прокатиться на современном , придется подучить физику.
Современный парусный спорт это не просто движение по ветру, это нечто воздействующее на парус, и заставляющее его лететь подобно крылу. И это невидимое «нечто» называется подъемной силой, которую ученые называют боковой силой.
Внимательный наблюдатель не мог не заметить, что не зависимо от того куда дует ветер парусная яхта всегда движется туда, куда нужно капитану - даже когда ветер встречный. В чем же секрет такого удивительного сочетания упрямства и послушания.
Многие даже не догадываются, что парус это крыло, и принцип работы крыла и паруса один. В его основе лежит подъемная сила, только если подъемная сила крыла летательного аппарата, используя встречный ветер, толкает самолет вверх, то вертикально расположенный парус направляет парусник вперед. Чтобы объяснить это с научной точки зрения необходимо вернуться к истокам - как работает парус.
Посмотрите, на смоделированный процесс, который показывает, как воздух действует на плоскость паруса. Здесь можно видеть, что потоки воздуха под моделью, имеющие больший изгиб, изгибаются, чтобы обойти ее. При этом потоку приходиться немного ускориться. В результате возникает область низкого давления - это и генерирует подъемную силу. Низкое давление на нижней стороне тянет парус к низу.
Другими словами область с высоким давлением пытается передвинуться к области низкого давления, оказывая давления на парус. Возникает разница давлений, что порождает подъемную силу. Благодаря форме паруса, с внутренней наветренной стороны, скорость ветра меньше, чем с подветренной стороны. На внешней стороне образуется разрежение. В парус в буквальном смысле всасывается воздух, который и толкает парусную яхту вперед.
На самом деле этот принцип довольно прост для понимания, достаточно присмотреться на любое парусное судно. Фокус здесь в том, что парус как бы ни был расположен, передает судну энергию ветра и даже если визуально кажется, что парус должен тормозить яхту, центр приложения сил находится ближе к носу парусника, и сила ветра обеспечивает поступательное движение.
Но это теория, а на практике все чуть по-другому. На самом деле парусная яхта не может идти против ветра - она движется под определенным углом к нему, так называемыми галсами.
Парусник движется за счет баланса сил. Паруса действуют как крылья. Большая часть производимой ими подъемной силы направлено в сторону, и лишь небольшое количество вперед. Впрочем, секрет в этом чудесном явление в так называемом «невидимом» парусе, который находится под днищем яхты. Это киль или на морском языке - шверт. Подъемная сила шверта также производит подъемную силу, которая тоже направлена в основном в бок. Киль противостоит крену и противоположной силе действующей на парус.
Кроме подъемной силы возникает еще и крен - вредное для движения вперед и опасное для экипажа судна явление. Но для того на яхте и существует команда, чтобы служить живым противовесом неумолимым физическим законам.
В современном паруснике и киль, и парус совместными усилиями направляют парусник вперед. Но как подтвердит любой начинающий моряк на практике все намного сложнее, чем в теории. Опытный моряк знает, что малейшие изменения изгиба паруса дают возможность получить больше подъемной силы и контролировать ее направление. Изменяя изгиб паруса, умелый моряк управляет размером и расположением области, производящей подъемную силу. С помощью глубокого изгиба направленного вперед можно создать большую зону давления, но если изгиб слишком велик или передняя кромка слишком крутая молекулы воздуха, обтекающие перестанут следовать его изгибу. Другими словами, если у предмета острые углы частицы потока не смогут совершить поворот - слишком силен импульс движения, это явление получило название «отделившийся поток». Результат этого эффекта - парус «заполощет», потеряв ветер.
А вот еще несколько практических советов использования ветровой энергии. Оптимальный курс выхода на ветер (гоночный бейдевинд). Моряки называют его «ход против ветра». Вымпельный ветер, имеющий скорость 17 узлов, ощутимо быстрее истинного ветра, создающего волновую систему. Разница их направлений составляет 12°. Курс к вымпельному ветру - 33°, к истинному ветру - 45°.
На шлюпку под парусом оказывают влияние две среды: воздушный поток, действующий на парус и надводную часть шлюпки, и вода, действующая на подводную часть шлюпки.
Благодаря форме паруса даже при самом неблагоприятном ветре (бейдевинд) шлюпка может двигаться вперед.
Парус напоминает крыло, наибольший прогиб которого удален от передней шкаторины на 1 / 3 - 1 / 4 ширины паруса и имеет величину 8 - 10% ширины паруса (рис 18).
Рис. 18. Профиль паруса: В - ширина паруса по хорде (по И.И. Хомякову, 1976).
Если ветер, имеющий направление В (рис 19, а), встречает на пути парус, он огибает его с двух сторон. С наветренной стороны паруса создается давление выше (+), нежели с подветренной (-). Равнодействующая сил давления образует силу Р , направленную перпендикулярно плоскости паруса или хорде, проходящей через переднюю и заднюю шкаторины и приложенную к центру парусности ЦП (рис 19, б).
Рис. 19 Силы, действующие на парус и корпус шлюпки (по И.И. Хомякову, 1976):
а - действие ветра на парус; б - действие ветра на парус и воды на корпус шлюпки.
Сила Р раскладывается на силу тяги Т , направленную параллельно диаметральной плоскости (ДП ) шлюпки, заставляющую шлюпку двигаться вперед, и силу дрейфа Д , направленную перпендикулярно ДП , вызывающую дрейф и крен шлюпки.
Сила Р зависит от скорости и направления ветра относительно паруса. Чем больше Ðb между направлением ветра В и плоскостью паруса ПП , тем больше сила Р . Если Ðb=90° , сила Р достигает максимальной величины.
Силы Т и Д зависят от Ðg между ДП шлюпки и плоскостью паруса. С увеличением Ðg сила Т увеличивается, а сила Д уменьшается.
Действие воды на шлюпку во многом зависит от обводов ее подводной части.
Рис 20. Правильное положение паруса при различных направлениях ветра (по И.И. Хомякову, 1976): а - бейдевинд; б - галфвинд, в - фордевинд.
Несмотря на то, что при ветре бейдевинд сила дрейфа Д превышает силу тяги Т , шлюпка имеет ход вперед. Здесь сказывается боковое сопротивление R 1 подводной части корпуса, которое во много раз больше лобового сопротивления R .
Сила Д , несмотря на противодействие корпуса, все же сносит шлюпку с линии курса. Составленный ДП и направлением истинного движения шлюпки ИП Ða называется углом дрейфа. Чем острее угол между ДП и направлением ветра, тем больше угол дрейфа, так как при острых углах сила тяги Т незначительна и шлюпка, не имея достаточного поступательного движения вперед, сносится под ветер. При ветре бейдевинд круче 40-45° шлюпка вперед двигаться не может.
Таким образом, наибольшая тяга и наименьший дрейф шлюпки могут быть получены путем выбора наиболее выгодного положения диаметральной плоскости шлюпки и плоскости паруса относительно ветра. Установлено, что угол между ДП шлюпки и плоскостью паруса должен быть равен половине ÐA между диаметральной плоскостью и направлением ветра. На рис 20 показано правильное положение паруса при ветрах бейдевинд (а), галфвинд (б) и фордевинд (в).
При выборе положения паруса относительно ДП и ветра старшина шлюпки руководствуется не истинным, а вымпельным (кажущимся) ветром, направление которого определяется равнодействующей от скорости шлюпки и скорости истинного ветра (рис 21).
Рис 21. Вымпельный ветер.
b и - истинный ветер; В ш - ветер от движения шлюпки;
В в - вымпельный ветер.
Рис. 22. Установка кливера относительно фока (по И.И. Хомякову, 1976):
а - правильно; б - неправильно.
Кливер, расположенный перед фоком, исполняет роль предкрылка. Поток воздуха, проходящий между кливером и фоком, уменьшает давление на подветренной стороне фока и, следовательно, увеличивает его тяговую силу. Это происходит лишь при условии, что угол между кливерам и ДП шлюпки несколько больше угла между фоком и ДП (рис 22, а). Если же кливер прижать к ДП , то поток воздуха будет ударять в подветренную сторону фока, ухудшит его форму и уменьшит тяговую силу (рис 22, б). Такое же действие производит кливер, имеющий слишком выгнутую форму.
