«Каким образом яхта может ходить против ветра?!» - наверное, таким вопросом задавались многие новички. Все мы можем представить, как яхта ходит по ветру. В жизни мы видели, как люди спускаются на парашютах, как ветер тащит пакет по улице. Понятно, что если подуть на что-то, то это что-то начнёт двигаться от нас. Но как же тогда яхты ходят против ветра? Сейчас расскажем!
Зачем это нам?
Начнём со страшных слов фИзИка ПарУсА. Но прежде чем мы сделаем это, стоит сначала упомянуть о том, почему, на наш взгляд, это вам стоит знать. Да, можно ходить на яхте и без понимания физики, стоящей за всеми процессами. Можно просто знать, что если происходит А, то нужно делать Б, однако понимание физических процессов, стоящих за настройкой парусов, даёт вам возможность:
- Во-первых, осознанно заниматься настройкой, не теряться в нестандартных условиях и понимать или хотя бы догадываться о том, что нужно сделать, несмотря на то что вам про это не рассказывали.
- Во-вторых, это поможет вам быстрее научиться парусному делу, так как вы быстрее будете понимать, с какими вопросами приставать к инструкторам :)
Что такое подъёмная сила
Цель крыла – отклонять поток. Отклонение потока создаёт разницу в давлении над и под крылом, из-за чего возникает подъёмная сила. То есть высокое давление под крылом толкает его вверх в зону низкого давления. Причём чем больше разница давлений, тем больше подъёмная сила.
«Погодите, – могли бы подумать вы, – но разве парус – это крыло? Он же как-то не похож на него». Парус – крыло, но плоское, что, впрочем, делает его ничуть не хуже его полных собратьев, а в некоторых случаях даже лучше. Он выполняет ту же цель, что и крыло, но если у самолета крылья горизонтальные, то у яхты они вертикальные. Поэтому дальше в этой статье мы будем называть парус крылом.
Однако это можно объяснить не только аэродинамикой. Так как крыло отклоняет воздух в одну сторону, то, по третьему закону Ньютона (действию всегда есть равное по силе и противоположное по направлению противодействие), поток должен воздействовать и на крыло, отклоняя его в противоположную сторону, создавая таким образом подъёмную силу.
Но давайте посмотрим, что происходит с обтекающим крыло потоком воздуха.
https://www.youtube.com/watch?v=AcqejPhGIOQYouTube0:44
Видно, что поток в верхней части ускоряется, проходя над крылом. Однако почему это так происходит? Давайте проведём пару опытов.
Возьмите два листа бумаги и держите их на расстоянии 10 см друг от друга. Подумайте, что будет, если подуть между ними?
Правильный ответ – B. Почему же так? Ведь если больше воздуха, то должно быть больше и давление, нет? Нет. Если поток воздуха становится быстрее, то давление на стенки (или листики) уменьшается. Данный принцип называется законом Бернулли.
Теперь давайте проведём ещё один опыт. Отложите один листик бумаги, возьмите оставшийся за два ближних края и поднесите вполотную к нижней губе. Подумайте, что будет с листиком, когда подуете?
Тут правильным ответом будет «ПОДНИМЕТСЯ ВВЕРХ». Однако ускорение потока с верхней стороны крыла при его движении является следствием отклонения воздушной (или водной) массы.
Как было сказано ранее, изменять величину подъёмной силы, которую производит крыло можно, влияя на разность давления между верхней и нижней частями крыла. Однако как это сделать?
Во-первых, можно влиять на форму крыла. Так как парус – это гибкое крыло, то мы можем влиять на его форму с помощью разных верёвочек.
Мы можем сделать его более плоским, более пузатым, менять расположение пуза и так далее.
Но другой способ увеличить подъёмную силу – это изменить угол атаки.
Угол атаки – это угол между набегающим на тело потоком и продольной плоскостью крыла. Снизу вы можете видеть полярную диаграмму. На самом деле ничего там страшного нет: она лишь просто показывает зависимость величины подъёмной силы (по вертикали) от угла атаки (цифры на изогнутых линиях). Разные типы линий обозначают разные варианты настройки паруса.
Так, например, если посмотрим на сплошную линию и увеличим угол атаки с 8 градусов до 15, то у нас возрастёт подъёмная сила. Однако если мы продолжим увеличивать угол атаки, то она начнёт падать. Почему же так? А вот посмотрите на это видео и постарайтесь догадаться, на каком моменте подъёмная сила начинает падать.
Отрыв пограничного слоя и сваливание https://www.youtube.com/watch?v=SiOiVHUEYaoYouTube0:34
Подъёмная сила начинает падать, когда поток «отлипает» от кромки крыла, перестаёт быть ламинарным и становится турбулентным, из-за чего в свою очередь возрастает сопротивление. Опять же, не бойтесь, слова страшные, но на самом деле ничего пугающего за ними нет. Ламинарный поток – поток без завихрений, турбулентный – поток с завихрениями. Всё это также хорошо видно на видео.
Отвечая на ранее поставленный вопрос, стоит сказать, что подъёмная сила начинает падать на том моменте, когда поток из ламинарного превращается в турбулентный.
Таким образом, когда мы настраиваем паруса, необходимо избегать появления турбулентного потока на наших парусах и следить за ламинарностью потока. Но как же нам это делать на яхте? Дым-машину поставить на неё как-то сложновато. Что делать? Смотреть на те самые колдунчики, которые мы показали в этом посте , а также про которые ещё обязательно расскажем подробнее в будущих статьях.
Ну так и как же?
Итак, вооружившись новыми знаниями и пониманием того, что парус – это не просто мешок, а самое настоящее крыло, пора ответить на вопрос, который был задан в самом начале: каким образом яхта может ходить против ветра? Давайте разберём это на рисунке:
Красной стрелкой изображена подъёмная сила парусов. Как можете видеть, она не совсем перпендикулярна корпусу, а находится под углом к поперечному сечению (серая линия). Однако если бы была только эта сила, то лодка двигалась бы не вперёд, а просто бы дрейфовала вбок. Чтобы этого не происходило, на парусных яхтах устанавливают киль. Во время движения лодки он оказывает силу, которая зеркальна подъёмной силе парусов – на схеме она обозначена синей линией. В итоге боковые компоненты этих векторов друг друга отменяют и мы получаем результирующий вектор движения лодки – зелёный.
Чтобы проще понять это, можете подумать о поезде, который стоит на рельсах. Если вы будете толкать его ровно вбок под 90 градусов, то он никуда не поедет - рельсы мешают. Однако если толкать его по диагонали, то у нашей силы будет составляющая, которая направлена вперёд. Именно она и будет двигать поезд. Таким образом, если возвращаться обратно к яхтам, то мы, толкающие поезд, – это подъёмная сила паруса, а рельсы, которые не дают поезду сдвинуться вбок, – это киль. Объединяем их и получаем движение вперёд.
Кратко
Задача крыла (паруса) – создавать подъёмную силу. Достигается это изменением формы крыла и угла атаки.
Угол атаки – это угол между набегающим на тело потоком и продольной плоскостью крыла
Ламинарный поток – ровный. Нам нужен такой.
Турбулентный поток – неровный. Нам такой не нужен. Турбулентность на парусах = неправильная настройка. Увидеть это можно по колдунчикам.
Подъёмная сила парусов направлена вбок и немного вперёд; киль не даёт яхте просто дрейфовать и оставляет только ту часть подъёмной силы, которая направлена вперёд. Из-за этого яхта может идти в том числе против ветра.
Если вам интересно подробнее узнать о ламинарном и турбулентном потоках, то советую посмотреть это видео (на англ.), а в этом видео (тоже англ.) детально разбирается то, откуда возникает подъёмная сила.
На этом всё. Спасибо, что дочитали и надеемся, что вам теперь стало чуточку понятнее:)
