3. Ветер, который быстрее ветра. Как работает «парусный мотор»

Вместо эпиграфа:

- Ты зачем это написал?
- Чтобы люди знали, почему можно летать при помощи крыльев.
- Но ты же писал о море и парусах, причём тут крылья?
- Паруса тоже крылья, просто они мягкие и часто это просто ткань, но когда их наполняет ветер, они оживают, набирают силу и отвагу, и становятся настоящими крыльями .
- Но можно как-нибудь проще, пару картинок без всяких формул, самолётов и пропеллеров с их силой тяги?

- Так я тоже написал в самом конце - две картинки.

- Зачем какой-то ненужный «парусный мотор», если паруса сами по себе мотор?

- Именно об этом я и пишу: о силе тяги парусов, что парус сам по себе мотор.

- В чём «хитрость» твоей затеи, моряки столетиями ходят под парусами, сравнивают паруса с крыльями птиц, разве только в песнях .
- Я написал, как есть на самом деле: паруса - это вертикальные крылья.
- Но это же не новость?
- Да, не новость.

*Другие статьи досуговой информационно - учебной ленты А.Б.С. Морская академия для курсантов, преподавателей и выпускников академии, а также для всех любителей яхтинга можно посмотреть по ссылке. Ссылка активна: https://dzen.ru/profile/editor/id/5fd4dd442073d8706d992c02/publications

Рис.1 Как работает крыло чайки, крыло самолёта, парус-крыло. Как это потом трансформируется в силу тяги парусов. Это то, что нас сейчас интересует.

Кроме существующих расчётов, например для крыльев самолётов, обязательно проводят экспериментальные испытания для уточнения этих расчётов. Аэродинамика крыла - наука, прежде всего, экспериментальная.

Так уж исторически сложилось, что теория полётов в России началась с морского офицера. Контр-адмирал Александр Федорович Можайский в 1882 году первым в мире поднял в воздух свой летательный аппарат с крыльями. Летательный аппарат был тяжелее воздуха, он является первым прототипом современного самолёта. Решающий вклад в изучение подъемной силы крыла внес другой русский ученый Н. Е. Жуковский. В 1906 году он опубликовал свою работу, в которой вывел формулу для подъемной силы крыла. Каждая теория имеет свои границы для применения и имеет своих критиков и ниспровергателей. Теория подъёмной силы крыла для наших «парусных» скоростей и скоростей дозвукового диапазона полёта подтверждена практикой. Воздушный океан и Море неразрывно связаны. Не просто так самолёты называют воздушными судами.

Так и в нашем изложении сугубо морской темы движения яхты под парусами в море мы проводим аналогию между крыльями самолётов, крыльями птиц и парусами - крыльями яхт. Все люди на земле видели полёт птиц, многие современные люди летали на самолётах и считают всё это вполне естественным делом. Поэтому сравнение парусов яхт и крыльев в нашем изложении вполне логично.

Однако, немногие ходили по морю под парусами на яхтах или парусных кораблях. Как же хитроумные моряки и яхтсмены приспособили крылья – паруса для хождения по морю, да ещё под разными курсами к ветру?

«Выработка полезной силы» на крыльях птицы, на крыльях самолётов, на парусах происходит примерно по одной схеме.

Рис. 2 Иллюстрация к объяснению феномена подъёмной силы крыла Fу

Подъёмная сила крыла Fу крыла (отмечена зелёным цветом) образуется при помещении крыла в воздушный набегающий поток, причём крыло должно быть ориентировано под определённым углом к воздушному потоку. Этот угол принято называть углом атаки между крылом и воздушным потоком. *Курсовой угол яхты к ветру, и именно угол между парусом-крылом и набегающим на него воздушным потоком отличаются по величине, и в большинстве случаев угол атаки набегающего воздушного потока меньше курсового угла яхты к ветру.

Подъёмная сила крыла Fу может быть экспериментально определена для конкретного крыла и конкретной скорости набегающего потока и отдельно для разных углов атаки набегающего воздушного потока. На схеме, изображенной выше, кроме подъёмной силы крыла показана сила лобового сопротивления крыла Fx (отмечена красным цветом). Её также можно измерить. Это необходимо для проверки расчётов авиаконструкторов для разных углов атаки и разной скорости набегающего воздушного потока. Упомянутые силы направлены друг к другу перпендикулярно, одна вверх, другая горизонтально, последняя сила сопротивления движению крыла вперёд. Результирующая суммарная аэродинамическая сила R от воздействия набегающего воздушного потока на крыло, определяется как векторная сумма сил Fу и Fx. Смотрите схему выше Рис. 2.

В РФ этим разделом авиационной техники занимается научно технический центр ЦАГИ, там проводят расчеты и экспериментальную проверку для новых самолётных крыльев.

Для диапазона скоростей воздушного потока, набегающего на крыло – парус считают, что результирующая аэродинамическая сила R направлена перпендикулярно плоскости крыла, точнее к хорде крыла (красная линия от оконечности крыла до носка крыла, Рис. 2). И нам удобно ее использовать в рассуждениях, особенно в схеме с крылом – парусом яхты.

Понятно, что для того, чтобы самолёт летел в воздухе и не падал, нужно, чтобы суммарная подъёмная (поддерживающая) сила крыльев Fу была не меньше суммарного веса самолёта. А для того, чтобы самолёт летел вперёд и держался в воздухе ему нужен двигатель, который должен давать силу тяги (Т) большую, чем сила сопротивления воздушной среды Fх. Эта же сила тяги Т заставляет самолёт двигаться вперёд, при этом образуется соответствующий набегающий на крыло воздушный поток, который нужен для выработки подъёмной силы крыла Fу , что удерживает самолёт вместе с крыльями в воздухе, и он не падает вниз на землю. Смотрим Рис. 3, ниже.

Рис. 3 Зачем нужна сила тяги мотора самолёту: первое - чтобы лететь вперёд, преодолевая силу сопротивления воздуха; второе - чтобы "вырабатывать" своим полётом вперёд набегающий на крыло воздушный поток, который "поддерживает" самолёт вместе с крыльями в полёте, в воздухе и самолёт не падает на землю.

Нужно отметить, что все силы, которые отмечены в аэродинамической схеме Рис.3 для крыла самолёта, координированы относительно двух осей. Одна ось - это горизонтальная ось Х, и предполагается, что она параллельна набегающему на крыло воздушному потоку и поверхности земли; другая ось - вертикальная ось Y, она направлена в схеме соответственно вертикально к поверхности земли, и она идёт под углом 90 градусов к оси Х.

Есть две теории возникновения подъёмной силы крыла:
теория английского физика Исаака Ньютона, по которой частички воздуха, ударяясь в нижнюю поверхность крыла, сообщают крылу суммарную силу реакции от этого взаимодействия с частичками воздуха. Эти условные частички, которые в те времена никто не видел и не знал. Ньютон их назвал корпускулами. Упомянутая сила реакции направлена условно вверх, именно эта сила поддерживает полёт крыла. В нашей иллюстрации это результирующая аэродинамическая сила R. Почему Ньютон назвал воображаемые частички воздуха корпускулами? Потому что во времена Ньютона ни молекулы, ни атомы ещё открыты не были.

Теория итальянского учёного гидравлика Бернулли - это теория водяных и аналогичных им во многом воздушных струй. На основе теории этого учёного изучались и воздушные струи. Эти воздушные струи, обтекая нижнюю поверхность крыла и верхнюю, создают на этих поверхностях разное давление. Это экспериментально подтверждено. Суммарное давление направлено вверх и даёт подъёмную силу, удерживающую «тяжёлое» крыло в воздухе. Свои умозаключения Бернулли подтвердил экспериментами по измерению выше упомянутых давлений. Русский учёный и аэродинамик Жуковский применил теорию Бернулли к течению воздушных струй и помещённого в этот поток крыла.

Разбираясь с вопросом подъёмной силы крыла, читатель может столкнуться с идеальной интерпретацией теории Бернулли (струй), когда есть несимметричный условно "толстый" профиль крыла, у него выпуклая верхняя плоскость крыла и вогнутая или плоская нижняя.

Рис. 4. На рисунке изображён несимметричный «толстый» профиль крыла. Крыло-парус на яхтах всегда тонкий профиль, толщиною в парусную ткань.

Обнаруживаем, что по некоторым книгам при набегающем воздушном потоке и с нулевым углом атаки потока к крылу несимметричного толстого профиля, как на рисунке, - подъёмная сила всё равно есть !!! (Зелёная стрелка на рисунке больше красной стрелки). В нашей практике такая ситуация не встречается так как: мы не имеем возможности сохраняя ход располагать профиль крыла-паруса параллельно струям набегающего потока, эта позиция в парусной практике такая позиция яхты и паруса, когда яхта расположена носом против ветра носом называется левентик и парус в ней обезветрен и полощет, как флаг, кроме того обычные паруса имеют всегда тонкий профиль толщиною в парусную ткань и не совсем подходят под теорию "толстого" аэродинамического профиля крыла.

*Тема "толстого "аэродинамического профиля крыла волновала и волнует конструкторов-новаторов и известны конструкции таких жёстких крыльев для скоростных катамаранов, а также для ледовых яхт буеров. Но здесь нет возможности посвятить этому время.

В формуле подъёмной силы Fу, зависимость подъёмной силы от угла атаки определена через коэффициент подъёмной силы Cy, который прямо пропорционален углу атаки. Угол атаки примерно 25 градусов считается оптимальным для крыла самолёта, увеличение угла атаки до критического угла грозит потерей управляемости самолёта и срывом воздушных потоков на поверхности крыла, самолёт может упасть. Применительно к практике парусного спорта последнее означает, что если парус выбран для данного курса чрезмерно и работает не оптимально, то на его подветренной стороне возникает нештатный срыв струй воздушных потоков (турбулентность). Смотри формулу подъёмной силы крыла (Рис. 5):

Рис. 5. Здесь Cy – коэффициент подъёмной силы, прямо пропорциональный углу атаки, p – плотность воздуха, V – скорость воздушного потока, набегающего на крыло, S – площадь крыла.

Аналогичные формулы есть для силы лобового сопротивления воздуха Cx и результирующей аэродинамической силы R, отмеченных на иллюстрациях ранее.

Рис. 5. Иллюстрация критического угла атаки

В последнее время использование теории Бернулли в некоторых моментах подвергалась многократно критике. В объяснение всем этим сомнениям добавим, что любая теория имеет работоспособность в определённых границах. А исторически длительное практическое применение теории в авиационной практике для дозвуковых скоростей полёта подтверждает её работоспособность. Мы же из яхтенной практики знаем, что скорость яхты зависит от курсового угла яхты к ветру (и от угла атаки крыла - паруса к ветру). Посмотрим поляру (диаграмму) скоростей для водоизмещающей яхты при разных курсах к ветру.

Рис. 6 Градусами отмечены курсы к ветру водоизмещающей яхты.

Предполагается, что ветер на диаграмме Рис. 6 выше ветер дует сверху вниз от 0 до 180 град. По диаграмме видно, что наибольшая скорость (самый быстрый курс) достигается (контур величины скорости приближается к координирущей окружности) для курсов бакштаг (130-140 град.) и близко к тому, для курсов галфвинд (90 град.)

Долгое время считалось что «древняя теория» Исаака Ньютона ошибочна. Но оказалось, что для больших скоростей эта «древняя» теория применима и более корректна, чем теория Бернулли. Как часто бывает в науке, каждая теория работает в своих границах. Однако этот экскурс для наших дел имеет лишь обще-познавательное значение.

Мы знаем, и экспериментально установлено, что для наших сравнительно небольших «парусных» скоростей набегающего воздушного потока возникает подъёмная сила Fу, которая «поддерживает» крыло-парус. Парус яхты или буера всегда имеет к набегающему воздушному потоку (вымпельному ветру) определённый угол атаки. *Из практики мы знаем, что при движении крыла против воздушного потока «влобовую» с нулевым углом атаки, описанное теоретически, в нашей парусной практике не имеет воплощения, так как в этой позиции не работает "парусный мотор" и об этом, собственно, немного позднее по тексту.

«Мотор» парусной яхты. Но причём тут результирующая аэродинамическая сила на крыле-парусе R и движение яхты вперёд?

Где же спрятан такой "парусный мотор" на яхте, который её движет вперёд только на парусах, без привычного всем мотора. Как это настоящее волшебство и шаманство происходит?

Для того, чтобы понять как действует парусный мотор на яхте, удобнее рассматривать суммарную силу R набегающего воздушного потока, воздействующего на крыло-парус. Смотрим рисунок.

Рис. 7 . Здесь силы, действующие на крыло, помещённое в набегающий воздушный поток. Из формул видно, что аэродинамические силы прямо пропорциональны квадрату скорости набегающего воздушного потока. Это подтверждено экспериментально.

Из формул на рис. 7 видно, что аэродинамические силы прямо пропорциональны квадрату скорости набегающего воздушного потока. Это подтверждено экспериментально.

Рассмотрим характерную ситуацию, иллюстрирующую работу "парусного мотора" парусной яхты. На курсе бейдевинд к истинному ветру в 45 градусов парус выставляется в начале движения примерно под половину этого угла к оси симметрии или к диаметральной плоскости яхты в начальный момент движения. Смотрите Рис. 8 .

На парус водоизмещающей яхты, которая идёт на этом курсе по отношению к ветру достаточно медленно, результирующая аэродинамическая сила R действует так, как изображено на схеме Рис. 8 ниже.

Рис. 8 Нам известно, что сила R- это результирующая аэродинамическая сила воздействия на крыло – парус, помещенного в набегающий воздушный поток, и она состоит, как упомянуто ранее, из двух составляющих: подъёмной силы крыла и лобового сопротивления воздушному потоку. Но на этой схеме мы демонстрируем не возникновение силы R, а её использование - "расщепление": на силу тяги Т и дрейфа D, как яхтсмены эту силу используют для организации движения яхты.

В схеме, которую рассматриваем на рисунке Рис. 8, мы силу R имеем возможность представить немного по-новому, именно разложить по «новым» осям: по курсу яхты, и по оси вбок под углом 90 градусов к линии курсового движения. Т.е. представляем R как две её составляющие по «новым» осям: силу Т тяги по курсу яхты, и «паразитную» перпендикулярную Т силу D – дрейфа. Сила дрейфа D не только вызывает дрейф яхты вбок (под ветер), но ещё одновременно кренит яхту. Эту «паразитную силу» дрейфа D компенсирует сила сопротивления воды, которая формируется в подводной части яхты килем-плавником большой площади. Кренящий момент от этой силы парируется тяжёлой частью киля, которая называется фальшкилем, и он смонтирован с килем воедино.

Кажется обидным и несправедливым, что полезная сила тяги Т, что увлекает яхту вперёд, меньше «паразитной» силы дрейфа D. Но, тем не менее, сила тяги парусов Т, что увлекает яхту вперёд при встречном ветре есть!!!

Однако, откуда у нас так «ловко» появилась сила Т ? Внимательно посмотрев на Рис. 8, рисунок, мы увидим, что «плоскость» крыла - паруса не совпадает с курсом яхты, а имеет некоторый разворот. Именно этот разворот даёт проекцию силы R на линию курса яхты, мы его назвали силой тяги парусов Т, именно она увлекает яхту вперёд, именно так работает «парусный мотор».

Многие скажут, что при наборе хода на этом курсе (бейдевинд) яхта идёт всё острее, и парус приходиться выбирать «в доску». Смотрите Рис. 9 . Тогда плоскость паруса фактически совпадёт с ДП, диаметральной плоскостью симметрии яхты, никакого угла атаки для выработки нам нужных сил не будет. А результирующая аэродинамическая сила сила R фактически будет наверное направлена в бок и совпадёт с силой дрейфа.

Рис.9 Фотоиллюстрация. Яхта идёт на остром курсе к ветру. Сила тяги совпадает с курсом яхты. Как такое может быть при таком положении парусов.? Грот- основной парус, он сзади, передний парус называется стаксель. Стаксель большой площади называют генуэзский стаксель или Генуя.

Возьмём самый крайний случай, когда яхта очень остро идёт к ветру. Ветер, как говорят на своём жаргоне моряки, дует в «морду», как на иллюстрации рисунок выше. Этот курс к ветру называется острый бейдевинд. Гика- шкоты выбраны туго. Гик, вместе с прикреплённой к нему нижней кромкой (шкаториной) паруса, расположился в ДП в оси (диаметральной плоскости) симметрии яхты. И кажется, что в этой позиции весь профиль паруса плоско расположился вдоль диаметральной плоскости, и полезная сила R должна будет при этом работать только вбок, совпадая с силой дрейфа.

Это не так, посмотрим подробнее.

Смотрим рисунок, вид на яхту и парус сверху вниз.

Рис. 10 Схема, поясняющая, откуда берётся «мотор» яхты на очень остром курсе , - сила тяги T обозначенная зелёной стрелкой- вектором, увлекающая яхту вперёд на этом самом «невыгодном» курсе к ветру. Нарисованы профили – сечения крыла-паруса снизу вверх (рыжий цвет). Эти сечения паруса разворачиваются постепенно задней кромкой под ветер. Этот разворот в парусном деле называют «твист паруса». Именно этот твист позволяет силе тяги, распределённой по парусу снизу вверх, двигать яхту вперёд. На курсах полнее изображённого сила R будет отклоняться вперёд и расти по величине, значит будет расти и сила тяги.

Сечения паруса снизу вверх разворачиваются постепенно задней кромкой под ветер. Этот разворот в парусном деле называют «твист паруса». Именно этот твист позволяет силе тяги, распределённой по парусу снизу вверх, двигать яхту вперёд.

Но как, не такая уж большая, судя по схеме, сила Т может так уверенно увлекать яхту вперёд? Тут в полной мере срабатывает феномен вымпельного ветра. Набегающий на парус воздушный поток поток (вымпельный ветер) увеличивает свою скорость от скорости истинного ветра, прибавляя (векторно) скорость воздушного потока, равного скорости яхты ( но противоположного направления). Это увеличивает силу тяги (тяга зависит от увеличения скорости набегающего потока). Яхта от этого прибавляет ещё скорость, и цикл мог бы повторяться многократно, если бы одновременно со скоростью не росло сопротивление воздушной среды (и одновременно водной среды). Это происходит подобно тому, как для автомобиля или мотоцикла с увеличением скорости растёт сопротивление воздушной среды движению. Происходит «автоматическое» увеличение мощности «парусного мотора», но до определённого предела.

Рис. 11 На фотоиллюстрации (вид сверху) хорошо виден «твист» переднего паруса – генуи, и немного твист главного паруса -грота, что в верхнем правом углу снимка.

Рис 12 Фото иллюстрирует «твист» грота, верхние участки грота по задней шкаторине всё больше отваливают (разворачиваются, здесь слева направо) под ветер по высоте мачты.

Для любителей физических векторных схем нарисуем совмещённую диаграмму сил, действующих на парус, и через него соответственно действующих и на яхту. Наложим на схему силы тяги, другую «аэродинамическую» схему формирования результирующей аэродинамической силы воздействия R на крыло-парус от набегающего воздушного потока (вымпельного ветра).

Рис. 12а Наложение векторных схем физических сил, участвующих в реализации процесса движения парусной яхты вперёд. Этой схемой можно было бы ограничиться вместо написания этой большой статьи, но эта «композитная» схема мне и самому кажется полной «кашей».

Да, это похоже на «кашу» векторов сил и направлений и координат по курсу с одной стороны, и по набегающему воздушному потоку с другой стороны. Именно здесь «секрет».

С одной стороны, "цветная" схема (производства) иллюстрирует, как формируется и откуда возникает «полезная» аэродинамическая сила R.
Это векторная "цветная" схема «аэродинамических» сил: подъёмной силы Fу, силы сопротивления воздушному потоку Fх, которые экспериментально можно измерить. и результирующей «полезной» силы R от этих двух первых сил, что воздействует на крыло помещенное в набегающий воздушный поток (для яхты это вымпельный ветер);

С другой стороны, "чёрная" схема (потребления) иллюстрирующая, как используется «полезная» результирующая аэродинамическая сила R, которую хитроумные моряки и яхтсмены «расщепляют» на парусе-крыле расположенном вертикально к палубе на полезную силу тяги парусов T, что увлекает яхту вперёд, и другую «паразитную» силу D дрейфа. Сила D пытается с одной стороны заставить яхту дрейфовать под ветер по направлению своего действия, но киль яхты препятствует этому, а с другой стороны сила D кренит яхту, но кренящий момент парирует тяжёлый элемент киля, фальшкиль, который смонтирован с килем воедино с большим плоским килем и его тяжёлой частью - фальшкилем. Это всё придумали "хитроумные" моряки и яхтсмены. Точнее за много столетий выковала морская практика судовождения и кораблестроения лодок и кораблей, ходящих по морю под парусами.

А всё «крутится» вокруг результирующей аэродинамической силы R, рождаемой набегающим воздушным потоком (вымпельным ветром) на крыло - парус, установленный к этому потоку под углом атаки.

Одна схема объясняет, откуда появляется сила R, вторая схема расшифровывает, как хитроумные яхтсмены эту силу R используют.

Чтобы развенчать все эти аэродинамические и прочие «премудрости», рассмотрим «простые» чисто «морские» парусные схемы:

Рис. 14 Схема результирующей аэродинамической силы R из книги И. Додекама «Настройка парусов и такелажа».

На Рис.14 результирующая аэродинамическая сила и её составляющие, на крыле-парусе, помещённом в ветровой поток. Тут нет особых сведений о родословной силы R, зато всё просто.

Рис. 15 Схема тяги парусов из книги И. Додекама «Настройка парусов и такелажа».

И всё! Две картинки, не углубляясь в дебри теории крыла. И понятно, откуда «появилась» сила Т тяги парусов. А сила R не требует объяснений, она можно сказать, «природная». А откуда она взялась- это на любителя. Она сама по себе «живёт», без аэродинамической трубы и экспериментальных замеров в многовековой практике применения парусов на море.

Но это не всё. Интересно, как «парусный мотор» работает на ледовых яхтах - буерах. Там нет сопротивления воды, как для водоизмещающей яхты. Призматические коньки обеспечивают минимальное трение-скольжение по льду. Только воздух, лёд, ветер и буер, парус и скорость - и больше ничего. И никаких моторов, разве что только «парусный мотор». Спортивный парусный снаряд разгоняется практически мгновенно, до скорости, что быстрее истинного ветра на акватории. Смотрите также видео сюжет https://dzen.ru/video/watch/6601455c4574211d98fc4e05

Но об этом в следующей статье.

Всем счастливых морских миль!

Море и паруса всегда с вами в вашем смартфоне.

О других случаях и нюансах морской практики можете прочитать здесь на нашей учебной инфо ленте Дзенhttps://dzen.ru/profile/editor/id/5fd4dd442073d8706d992c02/publications и в наших всегда доступных бесплатно на экране вашего смартфона учебных пособиях по управлению крейсерской парусной яхтой на нашем сайте https://morakademy.ru/

*Прием курсантов для обучения по курсу яхтенного капитана круглогодичный, заявление о приёме на обучение и вопросы присылать письменно в электронную почту morakademy@yandex.rи или через форму на сайте, подробности и вся информация на сайте https://morakademy.ru/

@АБС