Мы предлагаем нашим читателям перевод статьи американского аэродинамика (NASA, Boeing, Lockheed), яхтсмена и просветителя Арвела Джентри. Статья является первой в серии, которая была инспирирована удивлением практикующего ученого, обратившегося к авторитетным парусным пособиям и обнаружившим там большое количество ошибок.
Итак, вы думаете, что знаете, как работают паруса: слот-эффект, отдув паруса, срыв потока и все такое прочее. Вы узнали эти "факты" о парусном спорте из книг и журнальных статей экспертов. Что ж, читайте дальше. Вас ждет несколько сюрпризов.
Во всех книгах дается примерно одинаковое объяснение того, как работают грот и стаксель, а также о слот-эффекте. Однако Ч. Мархай в своей книге "Теория и практика парусного спорта" утверждает, что "взаимодействие между парусами по-прежнему является спорным вопросом и до конца не изучено". Как специалист по аэродинамике, я очень заинтересовался этим предметом и приступил к проведению исследований, чтобы, наконец, решить эту проблему.
В своих исследованиях я использовал три важных инструмента. Во-первых, аналоговый полевой плоттер - устройство для точного определения линий обтекания любой формы профиля. Во-вторых, новая сложная компьютерная программа, способная вычислять давление и скорость воздуха на любой комбинации аэродинамических профилей. И, в-третьих, водный канал, в котором в контролируемых условиях можно наблюдать закономерности течения в зависимости от формы аэродинамического профиля, включая эффекты отрыва, и фотографировать их. Таким образом, результаты, показанные в этой и последующих статьях, основаны на хорошо зарекомендовавших себя методах аэродинамического анализа.
Мое исследование выявило поразительный факт, что все объяснения в книгах по парусному спорту о взаимодействии стакселя и грота неверны. На самом деле, если бы воздух действительно двигался так, как говорится во многих из этих объяснений, то результирующее воздействие на паруса было бы прямо противоположным тому, что утверждается!
Потребуется несколько статей, чтобы представить полные результаты исследования, которое привело к этим выводам. Однако мне нравится думать, что каждый из вас разделит со мной частичку волнения, которое я испытал, когда все кусочки этой головоломки впервые начали складываться воедино: головоломка о том, как на самом деле работают паруса, как они влияют друг на друга и, самое главное, как продемонстрировать точно эти эффекты. В этой серии статей я постараюсь избегать ненужных математических и технических терминов; и хотя каждая статья будет посвящена определенному аспекту проблемы, полное ее понимание будет зависеть от информации, содержащейся в предыдущих статьях.
Чтобы полностью понять взаимодействие стакселя и грота, надо иметь достоверную информацию по ряду направлений: (1) мы должны знать, как обтекается воздухом стаксель и грот, когда они используются отдельно, (2) мы должны знать, где воздушные потоки, когда два паруса используются вместе, (3) мы должны знать, как в результате изменений в воздушный поток влияет на давление с обеих сторон паруса, и, наконец, (4) мы должны знать, как воздух, находящийся очень близко к поверхности паруса (пограничному слою) зависит от изменения потока воздуха и изменения поверхностного давления.
До недавнего времени не существовало точного способа получения всей этой информации. Фактические тестовые измерения провести сложно, и когда они проводятся, трудно отделить влияние того, что происходит в воздушном потоке вдали от поверхностей парусов, от того, что происходит в пограничном слое воздуха очень близко к поверхности. В прошлом единственным подходом было использование "логического мышления" и "обоснованных догадок". Однако теперь доступны соответствующие инструменты для решения этой проблемы и обеспечения четкой демонстрации эффектов взаимодействия.
В качестве первого шага к пониманию того, как воздух обтекает паруса, необходимо научиться рисовать линии обтекания, которые показывают траектории, по которым движется воздух. Концепция линии обтекания очень проста, и нам нужно лишь бегло взглянуть на точно нарисованный поток вокруг одного паруса (рис.1), чтобы получить основную идею. Линии обтекания указывают направление воздушного потока в разных точках поля обтекания профиля.
Поток воздуха между двумя конкретными линиями потока всегда будет оставаться между двумя линиями потока. Линия разделения (критическая линия, stagnation streamline), обозначенная буквой S на рисунке 1, - это линия, которая отделяет поток воздуха, проходящий с одной стороны профиля (подветренная или верхняя сторона), от потока воздуха, проходящего с другой стороны (наветренная или нижняя сторона). Линия разделения, выходящая из задней кромки профиля, отделяет поток воздуха, выходящий из верхней части профиля, от воздуха, выходящего из нижней. Линия разделения очень важна для понимания обтекания парусов.
Как только будет определен полный набор линий потока, мы сможем сделать несколько очень полезных выводов относительно того, как скорость ветра и давление изменяются в поле потока вокруг профиля. Взаимосвязь между скоростью и давлением задается уравнением, называемым уравнением Бернулли. Уравнение Бернулли показывает, как давление воздуха и его скорость напрямую связаны друг с другом.
Везде, где скорость воздуха увеличивается при обтекании парусов, давление падает. Там, где скорость воздуха замедляется, давление будет увеличиваться. Ветер, дующий далеко впереди лодки, может дуть с определенной постоянной скоростью (относительно лодки). Однако, когда воздух приближается к лодке, его скорость и направление начинают меняться.
Если мы посмотрим на линии потока на рис. 1, то увидим, что иногда они сближаются, а иногда расходятся дальше друг от друга. Совершенно очевидно, что когда две линии потока сближаются или приближаются к поверхности профиля, воздуху приходится ускоряться, чтобы пройти через меньшую площадь, и давление воздуха будет ниже. Там, где линии тока расходятся дальше друг от друга, движение воздуха замедляется и давление воздуха становится больше.
Это кажется довольно просто, но важно отметить, что прежде чем мы сможем применить уравнение Бернулли, мы должны сначала узнать, как воздух обтекает аэродинамический профиль. Мы должны знать, где проходят линии обтекания. Литература по парусному спорту полна рисунков такого типа. К сожалению, это всего лишь рисунки того, куда, по мнению конкретного автора, направляется воздух.
Рисунок 2 типичен для диаграмм воздушного потока, используемых в книгах для объяснения эффекта слота. В этом рисунке есть ряд ошибок, но я просто упомяну здесь наиболее очевидные. Во-первых, обратите внимание, что линия разделения потока у грота (Sm) показывает небольшое движение вверх (изгиб линии на подветренную стороны навстречу парусу). Воздух знает, что приближается к парусу, и начинает менять направление еще до того, как достигнет паруса.
Однако на этом же рисунке линия разделения, проведенная для стакселя, вообще не имеет восхождения. Очевидно, ветер знает, что он приближается к гроту, но не знает о стакселе! Этого не может быть, и в этом суть проблемы. Линии разделения потока как стакселя, так и грота должны показывать правильный эффект восхождения. Это не может быть определено догадками.
Однако это не все, что неправильно на рисунке 2. Посмотрите на линии потоков, отмеченные A и B по обе стороны от линии разделения потока для грота. Перед парусом линии потока A и B находятся на одинаковом расстоянии от линии разделения, поэтому скорость воздуха в обеих воздушных каналах одинакова; но к тому времени, когда они достигают задней шкаторины грота, подветренная линия обтекания, A, находится ближе к задней шкаторине, чем наветренная линия обтекания, B. Таким образом, у нас был бы воздух с высокой скоростью и низким давлением с подветренной стороны линии разделения на задней шкаторине, а воздух с меньшей скоростью и более высоким давлением - с наветренной стороны.
Такая ситуация не может существовать в реальном потоке вокруг паруса. Вместо этого весь поток вокруг паруса будет саморегулироваться таким образом, чтобы воздушная скорость и давление были одинаковыми с обеих сторон непосредственно за задней шкаториной. Линии потока должны располагаться на равном расстоянии с обеих сторон задней шкаторины, если они расположены на равном расстоянии перед парусом.
Другим важным требованием является то, что расстояние между линиями потока непосредственно у задней шкаторины грота должно быть таким же, как расстояние между этими линиями потока перед парусами. Другими словами, скорость полета на выходе из грота должна быть примерно такой же, как скорость свободного течения. Я предполагаю, что паруса правильно отрегулированы и не имеют разделения потока. Причины такого требования к восстановлению скорости на задней шкаторине грота вы увидите в следующей статье (а также почему это не применимо к стакселю).
Проверьте некоторые чертежи в ваших собственных учебниках по парусному спорту. Проверьте, правильно ли нарисованы линии обтекания на задней шкаторине. Также проверьте линии разделения, ведущие как к стакселю, так и к гроту, на наличие восхождения потока. Ни на одном из рисунков, которые я видел, должным образом не прорисованы как линии восхождения, так и линии обтекания задней шкаторины. Поскольку эти ошибочные чертежи обтекаемой формы действительно существуют, легко понять, почему объяснение эффекта слота методом Вентури сохранялось так долго (то есть создается впечатление, что широкий поток воздуха проникает в щель между парусами и просто ускоряется по мере уменьшения щели).
На рисунке 3 показан очень точно рассчитанный набор линий потока для комбинации грот и стаксель. Сравните это с рисунком 2. Обратите внимание, что линия разделения стакселя Sj поворачивает в подветренную сторону по мере приближения к передней шкаторине и что у нее больше восхождение, чем у линии разделения Sm у грота. Линии разделения стакселя и грота на самом деле расходятся дальше друг от друга по мере приближения к пространству между передней шкаториной стакселя и мачтой.
Это также подтверждается фотографией эксперимента в водном потоке, показанной на рисунке 4, и это очень важный момент. Это означает, что воздух, который собирается поступать в щель между двумя парусами, на самом деле замедляется по мере приближения к парусам. Он замедляется и начинает набирать скорость только по мере приближения к задней шкаторине стакселя.
Это означает, что старое объяснение эффекта слота в книгах по парусному спорту на основании принципа Вентури, на самом деле неверно. Слот между парусами не действует как гигантская трубка Вентури, когда воздух приближается к парусам, а затем просто ускоряется в виде высокоскоростной струи воздуха в пространстве между парусами (как ошибочно указано на рисунке 2). Вместо этого воздух сначала замедляется, а затем снова ускоряется в слоте.
На первый взгляд это может показаться незначительной разницей, но это очень важный фактор. Линии разделения для грота и стакселя показывают, как воздух приближается к парусам, сколько воздуха поступает между ними, и, что наиболее важно, сколько воздуха поступает с подветренной стороны как стакселя, так и грота. В следующей статье мы увидим, что конечная скорость потока в слоте рядом с задней шкаториной стакселя примерно равна той, какой она была бы, если бы стакселя вообще не было и поток на гроте не разделялся. Точно, почему воздух ведет себя таким образом и как это влияет на пограничный слой, будет описано в ближайших статьях.