Что общего у самолета и паруса? А у бильярда и парусного спорта? Сегодня ответим на оба вопроса.
Шарики там, шарики тут
Напомним, в физическом мире любое действие встречает равное по силе противодействие. Давишь на что-то – оно давит в ответ, гарантирует третий закон Ньютона.
Когда один шар ударяется о другой на бильярдном столе, он не только передает часть энергии второму шару, но еще отталкивается от него и меняет направление сам. Причем энергия передается перпендикулярно направлению движения шара.
Ветер – это частицы воздуха в движении, которые можно представить как миллионы микроскопических шариков. Попадая в парус для виндсерфинга, эти шарики толкают его так же, как шары на бильярдном столе – друг друга.
Продуктивнее всего толкать получается под углом в 45 градусов. Как на картинке ниже, где направление «толкания» указано красной стрелкой, а движение ветра при столкновении с парусом – желтой.
Почему же доска движется вперед, если ветер, дуя под прямым углом сбоку доски, казалось бы, должен сносить ее в сторону? Именно для этого доске необходим киль – подводный «плавник».
Частицы воды тоже сопротивляются, когда их пытаются куда-то толкать. В данном случае их толкает широкая сторона киля, энергию которому передает парус над водой. Вода толкает киль и всю доску в ответ, и доску не сносит в направлении движения ветра.
Вместо этого доска движется вперед, потому что именно спереди сопротивление воды оказывается ниже, чем в других направлениях. Ведь спереди у киля острая сторона, то есть площадь столкновения с водой мала.
Не только Ньютон
Возможно вы уже слышали, что работа паруса похожа на работу крыла самолета. Здесь кроется другой физический принцип: чем быстрее движутся частицы – воды или воздуха – чем ниже давление в потоке, гласит закон Бернулли.
Это обеспечивает подъемную силу крыла. Сталкиваясь с крылом, поток воздуха разделяется на две части – над крылом и под крылом. Форма крыла – как правило, более выпуклая сверху и плоская снизу, заставляет поток сверху двигаться быстрее, чем поток снизу.
Воздух состоит из частиц, поэтому движется слоями. Можно заметить, что линии движения слоев над крылом становятся длиннее, чем те, что под ним.
Это происходит из-за закона сохранения массы: объем газа, проходящего через какую-либо область, должен оставаться постоянным. Но крыло вынуждает воздух сверху проходить больше пути за то же время, чем воздух под крылом. Чтобы закон соблюдался, воздух сверху ускоряется.
Из-за разницы в скорости воздух сверху имеет более низкое давление, чем воздух снизу – включается закон Бернулли. Получается, воздух снизу толкает крыло вверх, туда, где воздуха попросту меньше. Поэтому самолеты и летают.
Причем здесь парус? Профиль паруса сверху похож на профиль крыла самолета сбоку: тоже выпуклая форма, тоже заставляет воздух разделиться, вызывая подъемную силу «снизу» – откуда дует ветер.
Как найти угол для паруса
Законы Ньютона и Бернулли дополняют друг друга, обеспечивая подъемную силу для крыла и паруса. Но как виндсерферу найти лучший угол для паруса, чтобы двигаться не просто быстро, а быстрее ветра?
Любой инструктор или аэродинамическая модель скажет, что лучше всего держать парус под углом в 45 градусов к ветру, пока тот дует сбоку, как на картинке в первой части этой статьи. Другое направление, например, ветер прямо сзади доски, тот самый «попутный» фордевинд, которого желают морякам, — не идеален, так как может вызвать колебания паруса.
Но на больших скоростях спортсмены держат парус под более острым углом, и это им только помогает. Почему?
Дело в том, что ветров несколько. Истинный ветер — тот, который дует на вас, пока вы стоите на месте, и искусственный или встречный, который дует спереди доски, потому что воздух сопротивляется вашему движению вперед.
Чем быстрее вы движетесь, тем заметнее становится влияние встречного ветра. Это тот самый ветер, который вы ощущаете на ладони, высунув руку из окна движущейся машины.
Направление истинного и встречного ветров накладываются друг на друга, и вместе они образуют кажущийся ветер, направление которого отличается от обоих ветров. На высоких скоростях, когда влияние встречного ветра велико, виндсерфер подстраивает парус именно под кажущийся ветер.
Получается, сначала виндсерферу нужно понять, откуда дует истинный ветер: это можно заметить по приборам или поверхности воды, растительности на берегу и флагам на пляже.
Поймав 45 градусов к истинному ветру и ускорив движение, следует поворачиваться в разные стороны и оценивать, как меняется направление уже кажущегося ветра. Истинный ветер тоже может меняться, поэтому важно действовать гибко и экспериментировать с разными углами и курсами.
