Как действуют паруса

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 парусники используют совсем другие принципы управления силой ветра и волн. Так что если захотите прокатиться на современном парусном корабле, 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.

Так действует воздух на плоскость паруса

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 чудесного явления 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.

Гафельная шхуна

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.

Изгиб паруса

С помощью глубокого изгиба направленного вперед можно создать большую зону давления, но если изгиб слишком велик или передняя кромка слишком крутая молекулы воздуха, обтекающие парус 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°. Парусник идет со скоростью 5 узлов.

Курс полный бейдевинд под углом 50° к вымпельному ветру. Скорость последнего составляет 16 узлов, что выше скорости истинного ветра. Разница направлений ветра достигает 21°, скорость парусника — 6 узлов.

1 - курс гоночный бейдевинд 2 - курс полный бейдевинд

Курс в галфвинд наиболее быстрый — парусник идет со скоростью 8 узлов. Скорость вымпельного ветра по-прежнему выше скорости истинного, движению яхты волнение не мешает. Курс полный бакштаг. Ветер действует на паруса с относительно небольшой силой — паруса на курсе 160° к истинному ветру работают не идеально.

1 - курс в галфвинд 2 - курс полный бакштаг

Курс фордевинд или «прямо по ветру». Даже скоростные парусные яхты развивают в этом случае невысокие скорости, поскольку скорость вымпельного ветра падает до 8 узлов.

Курс фордевинд или по ветру

Так называемая ветровая карусель — графическое изображение направлений и скоростей вымпельного ветра относительно истинного ветра на всех курсах яхты. Скорость вымпельного ветра меняется от 8 до 17 узлов при неизменной скорости истинного ветра в 13 узлов.

Ветровая карусель

Что ж если захотели научиться управлять современным парусником, то у вас есть над чем подумать. Но то, что касается физики, в данной публикации мы скользнули лишь по поверхности, но конструкторы авиационных и космических аппаратов продолжают углубляться в детали. Для них парусный спорт это циркуляционное поле обтекания, теория вязкости и стартовые вихри, а в этих областях даже они не всегда приходят к согласию. Однако настоящему моряку помогают чутьё и опыт, так что не обязательно разбираться во всех тонкостях физики, чтобы стать хорошим моряком.