Не менее важное значение, чем сопротивление корпуса, имеет сила
тяги, развиваемая парусами. Чтобы яснее представить себе работу
парусов, познакомимся с основными понятиями теории паруса.
Мы уже говорили об основных силах, действующих на па руса яхты,
идущей с попутным (курсом фордевинд) и со встречным ветром (курсом
бейдевинд) Выяснили, что сила, действующая на паруса, может быть
разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер, силу
дрейфа и силу тяги (см рис. 2 и 3).
Теперь посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на
паруса и от чего за висят силы тяги и дрейфа.
Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале
рассмотреть плоский парус (рис. 94), который испытывает давление
ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом
образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы
давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R
направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для
правильного пони мания работы паруса ее удобно представить в виде
равнодейстующей двух составляющих сил: X - направленной параллельно
воздушному потоку (ветру) и Y - перпендикулярной к нему.
Рис. 94. Силы, действующие на паруса яхты
Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой
лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом,
такелажем, рангоутом и экипажем яхты.
Сила Y, направленная перпендикулярно к воздушному потоку, называется
в аэродинамике подъемной силой. Именно она на острых курсах создает
тягу в направлении движения яхты.
Если при том же лобовом сопротивлении паруса X (рис. 95) подъемная
сила увеличивается, например, до величины Y, то, как показано на
рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления
изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до 7V
Подобное построение позволяет легко убедиться, что с увеличением
лобового сопротивления X (при той же подъемной силе) тяга Т
уменьшается.
Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно,
и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и
уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.
В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают
приданием ему вогнутой формы с некоторой "пузатостью" (рис. 96):
размер от мачты до наиболее глубокого места "пуза" обычно составляет
0,3-0,4 ширины паруса, а глубина "пуза" - около 6-10% ширины.
Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно
плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с
плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с "пузатыми"
парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей
тяге.
Рис. 95. Зависимость сил тяги и дрейфа от
подъемной силы и лобового сопротивления паруса
Рис. 96. Профиль паруса
Рис. 97. Работа стакселя
Заметим, что у "пузатых" парусов увеличивается не только тяга, но
и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с "пузатыми" парусами
больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому "пузатость" паруса
больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и
дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и
снижению эффективности работы парусов, которые "съедают" эффект
увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с "пузом"
9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен
невелик.
У любого паруса при" углах атаки больше 15-20°, то есть при курсах
яхты 40-50° к ветру и больше, подъемная сила уменьшается, а лобовое
сопротивление растет, поскольку на подветренной стороне образуются
значительные завихрения. А так как основную часть подъемной силы
создает плавное, без завихрений обтекание подветренной стороны
паруса, то уничтожение этих завихрений должно дать большой эффект.
Уничтожают завихрения, образующиеся за гротом, постановкой стакселя
(рис. 97). Поток воздуха, попадающий в щель между гротом и
стакселем, увеличивает свою скорость (так называемый эффект сопла) и
при правильной регулировке стакселя "слизывает" вихри с грота.
Профиль мягкого паруса трудно сохранить неизменным при различных
углах атаки. Раньше на швертботах ставили сквозные латы, проходящие
через весь парус. Их делали более тонкими в пределах "пуза" и более
толстыми к задней шкаторине, где парус гораздо площе. Сейчас
сквозные латы ставят главным образом на буерах и катамаранах, где
особенно важно сохранить профиль и жесткость паруса при малых, углах
атаки, когда обычный парус уже полощет по передней шкаторине.
Если источником подъемной силы является только парус, то лобовое
сопротивление создает все, что оказывается в потоке воздуха,
обтекающем яхту. Поэтому улучшение тяговых свойств паруса может быть
достигнуто также и за счет снижения лобового сопротивления корпуса
яхты, рангоута, такелажа и экипажа. Для этой цели используют
различного рода обтекатели на рангоуте и такелаже.
Величина лобового сопротивления паруса зависит от его очертаний. По
законам аэродинамики лобовое сопротивление крыла самолета тем
меньше, чем оно уже и длиннее при той же площади. Вот почему парус
(по существу, то же крыло, но поставленное вертикально) стараются
делать высоким и узким. Это позволяет также использовать верховой
ветер.
Лобовое сопротивление паруса в очень большой степени зависит от
состояния его передней кромки. Передние шкаторины всех парусов
должны быть туго обтянуты, чтобы не допускать возможности вибраций.
Необходимо упомянуть еще об одном весьма важном обстоятельстве - так
называемой центровке парусов.
Из механики известно, что всякая сила определяется ее величиной,
направлением и точкой приложения. До сих пор мы говорили только о
величине и направлении сил, приложенных к парусу. Как мы увидим
дальше, знание точек приложения имеет большое значение для понимания
работы парусов.
Давление ветра распределяется по поверхности паруса неравномерно
(большее давление испытывает его передняя часть), однако для
упрощения сравнительных расчетов считают, что оно распределяется
равномерно. Для приближенных расчетов равнодействующую силу давления
ветра на паруса полагают приложенной к одной точке; за нее принимают
центр тяжести поверхности парусов, когда они помещены в
диаметральной плоскости яхты. Эту точку называют центром парусности
(ЦП).
Остановимся на самом простом графическом способе определения
положения ЦП (рис. 98). Вычерчивают парусность яхты в наружном
масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины
треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр
каждого паруса.
Получив таким образом на чертеже центры О и О1 двух треугольников,
составляющих грот и стаксель, проводят через эти центры две
параллельные линии OA и ОБ и на них откладывают в противоположных
направлениях в любом, но одинаковом масштабе столько линейных
единиц, сколько квадратных метров в треугольнике; от центра грота
откладывают площадь стакселя, а от центра стакселя - площадь грота.
Концевые точки А и Б соединяют прямой АБ. Другой прямой - О1О
соединяют центры треугольников. На пересечении прямых АБ и O1O будет
находиться общий центр. Четырехугольный грот предварительно
разбивают диагональю на два треугольника, вычисляют их площади и
описанным образом определяют отдельно ЦП такого грота.
Как мы уже говорили, силе дрейфа (будем считать ее при ложенной в
центре парусности) противодействует сила бокового сопротивления
корпуса яхты. Силу бокового сопротивления считают приложенной в
центре бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления
называется центр тяжести проекции подводной части яхты на
диаметральную плоскость.
Рис. 98. Графический способ нахождения
центра парусности
Рис. 99. Центровка яхты
Центр бокового сопротивления можно найти, вырезав контур
подводной части яхты из плотной бумаги и поместив эту модель на
лезвие ножа. Когда модель уравновесится, легко нажимают на нее,
затем поворачивают на 90° и снова уравновешивают. Пересечение этих
линий дает нам центр бокового сопротивления.
Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной
прямой с ЦБС (рис. 99). Если ЦП лежит впереди ЦБС (рис. 99, Б), то
сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового со
противления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается.
Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к
ветру, или приводиться (рис. 99, В).
И чрезмерное приведение к ветру, и в особенности уваливание
(неправильная центровка) вредны для хода яхты, так как заставляют
рулевого все время работать рулем, чтобы сохранить прямолинейность
движения, а это увеличивает сопротивление корпуса и снижает скорость
судна. Кроме того, не правильная центровка приводит к ухудшению
управляемости, а в некоторых случаях - к ее полной потере.
Если мы отцентруем яхту так, как показано на рис. 99, А, то есть ЦП
и ЦБС окажутся на одной вертикали, то судно будет очень сильно
приводиться и управлять им станет весьма трудно. В чем дело? Здесь
две главные причины. Во-первых истинное расположение ЦП и ЦБС не
совпадает с теоретическим (оба центра сдвинуты вперед, но
неодинаково). Во вторых, и это главное, при крене сила тяги парусов
и сила продольного сопротивления корпуса оказываются лежащими в
разных вертикальных плоскостях (рис. 100), получается как бы рычаг,
заставляющий яхту приводиться. Чем больше крен тем больше склонность
судна приводиться.
Чтобы ликвидировать такое приведение, ЦП помещают впереди ЦБС.
Возникающий с креном момент силы тяги и продольного сопротивления,
заставляющий яхту приводиться, компенсируется улавливающим моментом
сил дрейфа и бокового сопротивления при переднем расположении ЦП.
Для хорошей центровки приходится ЦП помещать впереди ЦБС на
расстоянии, равном 10-18% длины яхты по ватерлинии. Чем менее
остойчива яхта и чем выше поднят ЦП над ЦБС, тем больше в нос надо
передвигать ЦП.
Чтобы яхта имела хороший ход и меньший дрейф, ее надо отцентровать,
т. е. поставить ЦП и ЦБС в такое положение, при котором судно на
курсе бейдевинд было полностью уравновешено парусами, иными словами
- было устойчиво на курсе при слабом ветре, а при более сильном
ветре имело склонность приводиться. Каждый рулевой должен уметь
правильно центровать яхту. На большинстве яхт склонность приводиться
увеличивается, если перебраны задние паруса и потравлены передние.
Если же перебраны передние и перетравлены задние паруса, судно будет
уваливаться.
При увеличении "пузатости" грота, а также плохо стоящих парусах яхта
склонна приводиться в большей степени.
Если яхта слишком приводится, следует перенести вперед ЦП или
сместить назад ЦБС.
Рис. 100. Влияние крена на приведение яхты к
ветру
Чтобы сдвинуть назад ЦБС, можно:
- положить руль под ветер;
- подобрать шверт, особенно если он длинный и узкий - так называемый
мечевидный;
- перенести шверт или плавник назад;
- дать дифферент на корму.
Если яхта уваливает, надо
перенести вперед ЦБС или назад ЦП.
Для этого выполняют операции, обратные указанным.
Каждый рулевой должен помнить, что центровка яхты очень важна для
увеличения скорости хода и безопасности плавания. Однако изложенные
принципы центровки имеют только самый общий характер. На практике
центровка яхты, в особенности для гонок, существенно сложнее по
следующим причинам:
- реальное положение ЦП зависит от курса яхты относительно ветра,
точнее - от угла атаки паруса по вымпельному ветру. При малых углах
атаки, свойственных лавировке, ЦП смещается к передней шкаторине. К
примеру, перемещение ЦП при изменении курса от бакштага до крутого
бейдевинда составляет для разных по "пузу" и удлинению парусов от 5
до 10% средней хорды паруса на высоте ЦП;
- положение ЦП зависит и от "пуза" - наибольшее смещение ЦП
наблюдается для "пуза" 7-8%; при меньшей и большей "пузатости" оно
меньше;
- изменение силы ветра требует и изменения центровки: чем сильнее
ветер, тем больше должно быть смещение ЦП перед ЦБС;
- для получения наибольшей скорости ход при лавировке профиль паруса
должен меняться: чем больше сила ветра, тем более плоским должен
быть парус;
- на полных курсах паруса должны быть "пузатее", чем при лавировке.
Перед гонками и во время них приходится настраивать яхту не только
для того, чтобы получить наилучшие ходовые качества при
предполагаемой силе ветра, но и как-то менять центровку и "пузо"
паруса при разных курсах и силе ветра. Для этого используют самые
разные приемы и технику оснащения яхты. К ним относятся, например:
- изменение профиля грота посредством изгиба мачты, регулировки
положения галсового угла относительно мачты и гика оттяжкой
Канингхэма, перемещение шкотового угла вдоль гика и т. п.;
- изменение наклона мачты;, для того чтобы это делать на ходу,
требуются хорошо продуманные и вполне надежные приспособления на
корпусе и в вооружении;
- изменение положения кипок стаксель-шкотов, применение оттяжки
Барбера и других приспособлений для улучшения работы стакселя и его
взаимодействия с гротом.
Сама техника управления яхтой часто позволяет центровать яхту при
некоторых условиях. Например, на швертботах-одиночках вроде "Финна"
можно креном на ветер устранить склонность сильно приводиться на
бакштаге и фордевинде: при этом вынос ЦП под ветра уменьшается и
необходимость, одерживать яхту, сильно работая рулем, существенно
ограничивается. Для каждого класса существует масса таких чист
практических приемов, которые познаются по мере накопления опыта
плаваний на яхте и участия в гонках.
