Настройка: определения и концепции гоночной яхты

Какие силы заставляют парусную яхту двигаться? С попутным ветром ответ кажется достаточно понятным, но как яхта идет против ветра - совсем другая тема. Хотя это и не чудо, тем не менее хождение яхты против ветра - против направления той силы, которая приводит ее в движение, - определенно кажется совершенно необычным проявлением современной конструкторской мысли. Силы, которые здесь работают, достаточно сложные, и до сих пор они не нашли исчерпывающего объяснения по крайней мере, я не могу сказать, что полностью их понимаю.

В этой главе мы рассмотрим теорию хождения яхты под парусом и попробуем создать теоретический фундамент, который поможет нам настраивать паруса. Чтобы говорить на одном языке. мы начнем с некоторых определений. Мы также рассмотрим несколько факторов, влияющих на яхту, и то, как они согласуются с нашей теорией.

Иногда парусные суда описывают как аэропланы с одним крылом в воздухе, а другим в воде. Конечно же. это неправда. Крылья самолетов обеспечивают им подъемную силу, но не движущую. Тем не менее на парусах, как и на крыльях, также образуется подъемная сила. Их форма моделируется таким образом, чтобы в ожидаемых условиях создать максимальную подъемную силу и минимальное сопротивление. Подобно тому, как настраивают закрылки на крыльях самолета, форму паруса можно подстроить на конкретные условия.

Форма паруса в основном описывается величиной и положением его пуза. Например, можно сказать, что пузо паруса в 10 % находится на 40 % длины его хорды. Это означает, что точка максимальной глубины профиля паруса расположена от хорды (линии, соединяющей точки на передней и задней шкаторинах) на расстоянии ее длины и находится на 4/10 (40 %) длины хорды от передней шкаторины (рис. 1).

В дополнение к базовой концепции величины и положения пуза описание формы паруса может быть дополнено несколькими характеристиками. Это плавность кривизны профиля, распределение профиля в горизонтальном сечении, форма выходной кромки профиля, распределение профиля по вертикали, угол атаки, а также твист. Общая форма паруса может быть описана его удлинением (отношение высоты к ширине). Вскоре мы более подробно рассмотрим каждую концепцию, а также то, как различия в форме паруса влияют на его работу; но сначала нужно обсудить теорию возникновения подъемной силы (и некоторые другие вопросы).

Теория возникновения подъемной силы. В то время как существование аэродинамической и прочих связанных с ней сил не подвергается сомнению (самолеты летают, а яхты ходят под парусами), теория того, как они возникают, остается камнем преткновения. Старые теории эффекта щели и модели Вентури были раскритикованы, на смену пришла теория циркуляции, основанная на соблюдении условий Кута, и так далее. Не вникая слишком глубоко в теорию я сам не настолько хорошо в ней разбираюсь, чтобы писать об этом, давайте лучше рассмотрим то, что нам известно о форме паруса, подъемной силе и работе парусов. Начнем с потока воздуха.

Поток воздуха. Воздух обтекает профиль паруса (или крыла). Часть потока, которая проходит снаружи, проходит большее расстояние и движется быстрее, чем ноток внутри. Постойте. Почему ноток должен идти быстрее только потому, что он проходит больший путь?

Почему поток воздуха снаружи паруса быстрее? Поток воздуха, направленный на вогнутую (внутреннюю) поверхность, затормаживается, встречаясь с ней. в то время как поток вдоль выпуклой поверхности снаружи профиля ускоряется. Это факт, подтвержденный наблюдениями. Посудите сами: если бы поток с наружной стороны не ускорялся, образовался бы вакуум, а этого природа не терпит. Поэтому воздух ускоряется - чтобы заполнить вакуум (хотя откуда молекулы воздуха, которые расстаются на передней кромке профиля, знают, что они должны встретиться на выходе? Опять путаница) (рис. 2 а, б.)

Срыв потока. Оказывается, ускорение воздуха с наружной стороны профиля не единственный способ заполнить вакуум. Поток с внутренней стороны может переходить через заднюю кромку на другую сторону. Это случается тогда, когда поток снаружи отделяется от паруса до того, как он доберется до его задней шкаторины. Когда это происходит, говорят, что происходит «срыв потока». Мы наблюдаем это, когда колдунчики на задней шкаторине грота скрываются на его подветренной стороне (рис. 3).

Таким образом, разница скоростей потока воздуха с наружной и внутренней стороны профиля происходит не потому, что поток проходит разный путь (парус не такой уж и толстый, чтобы была разница), но благодаря выпуклой и вогнутой форме его поверхностей.

Вымпельный ветер. Курсовой ветер, который образуется в результате движения яхты, складывается с истинным ветром и образует вымпельный ветер. Мы настраиваемся именно под вымпельный ветер, и его используют паруса для создания подъемной силы (рис. 4).

Составляющие аэродинамической силы. В потоке воздуха, который движется вдоль паруса более быстро, давление меньше, нежели на другой стороне, где поток более медленный (принцип Бернулли устанавливает, что давление в более быстром потоке жидкости меньше, чем давление в более медленном потоке). Разница давлений вызывает образование аэродинамической силы, которая направлена перпендикулярно хорде паруса (рис. 5).

Когда мы рассматриваем эффект воздействия этой силы на парусах, установленных на яхте, мы обнаруживаем, что большая ее составляющая, нежелательная, будет кренящей силой, а относительная небольшая составляющая движущей. Задача наших настроек - улучшить это соотношение (рис. 6).

Грот, стаксель и снос потока. Эффект взаимодействия грота и стакселя - опасная тема для теоретиков. Точно известно, что два паруса, работающих вместе, создают суммарную силу, которая превышает сумму сил, которые они могли бы создать по отдельности.

Мы также знаем, что, когда поток воздуха подходит к парусам, он замедляется и отклоняется. Такие замедление и «снос потока» происходят выше по потоку, перед парусами. В результате стаксель работает при относительным отходе ветра (курсовой угол больше), а грот с относительным заходом (курсовой угол ветра более острый). Это обязательно надо знать при настраивании парусов. Часто грот можно выбрать почти в диаметральную плоскость, в то время как стаксель относительно ДП настраивается градусов в десять (примерно). Этот относительный отход ветра позволяет стакселю работать более эффективно, так как аэродинамическая сила направлена более вперед, создавая больше тяги и меньше крена. Грот, который работает с относительным заходом ветра, выигрывает от того, что стаксель формирует поток воздуха на его подветренной стороне. Таким образом, хотя грот и выбран в ДП, поток обтекает его по всей длине профиля, вплоть до задней шкаторины (рис. 7).

Рис. 7а. Поток воздуха на подходе к парусам отклоняется, в результате чего стаксель получает относительный отход ветра, а грот - относительный заход; через щель между парусами проходит значительно меньше воздуха, чем можно ожидать

Рис. 7б. Рассматривайте паруса в качестве элементов единого крыла.

Щель между парусами. Не весь поток воздуха протекает снаружи стакселя и внутри грота. Определенная часть потока проходит в щель между ними, но не такая большая, как можно было бы подумать. Снос потока приводит к тому, что он избегает щели. Поток, проходящий через щель, сначала замедляется на подходе, затем ускоряется при прохождении щели и, наконец, отклоняется, обтекая подветренную сторону грота.

Суммируем. Вы даже можете рассматривать грот и стаксель как соответственно внутреннюю и наружную стороны единого крыла. Полная форма этого общего крыла заполнена «пузырем давления», вокруг которого протекает скошенный поток.

Как бы вы ни смотрели на это, в любом случае мы получаем комбинированную аэродинамическую силу, которая в основном приводит к возникновению крена и в гораздо меньшей степени к возникновению тяги. Обратите также внимание, что ни одна из сил не направлена в сторону против ветра (рис. 8).