Теория, как и любовь, это хорошо.

Но эксперимент, как и золотой браслет

Остается навсегда.

П.Л.Капица

Занятие парусным туризмом немыслимо без наличия хорошего парусного судна. Приобрести его задача не из легких; купить нельзя, надо строить. Труд большой, и его результат существенно зависит от культуры строителя, общей, парусной и технологической. Одной из трудностей, которую предстоит преодолеть, является почти полное отсутствие информации по всем этапам разработки проекта судна, его конструирования, постройки и доводки.

Чтобы работа была осмысленной, она должна опираться на серьезную основу, теорию парусного судна и экспериментальные данные, получаемые при испытаниях существующих судов. С огорчением вынужден констатировать, что ни того, ни другого мы не имеем. На практике парусные суда строятся по прототипам и совершенствуются методом проб и ошибок. Но создать по настоящему совершенное судно, не зная тонкостей, невозможно. Разработка теории дает возможность собрать воедино и обобщить крохи знаний с большим трудом добываемых в море.

С другой стороны, мало кто из парусников доволен ходовыми качествами своего судна; практически всегда имеются те или иные ухудшающие их дефекты, и всегда затрачивается много т руда и времени чтобы заставить судно ходить быстрее и круче к ветру. Будем понимать под диагностикой лодки выявление таких дефектов.

Диагностику можно проводить по разному. Многие из недостатков выявляются в процессе обычных плаваний, многое обнаруживается на гонках, когда лодка почему-то не идет и тащится в хвосте. Можно пригласить квалифицированного эксперта, который, походив день-другой или неделю на чужой лодке, что-нибудь о ней да скажет. Но до сих пор диагностика лодки проводится вслепую, субъективными методами исходя из интуитивных соображений; отсутствуют какие-либо способы регистрации ходовых качеств лодок, позволяющие хотя бы сравнивать их между собой не устраивая гонок.

Мы, по существу, оказались в положении папуасов еще не изобретших письменности. За четверть века парусного туризма было построено и испытано множество парусных судов, которых сейчас уже нет, и о которых не сохранилось никаких сведений. А зря, там имелись интересные конструкторские находки, были и суда, превосходившие нынешние по своим ходовым качествам. Их данные очень бы пригодились при постройке новых судов. Ниже идет речь и о том, как объективно зарегистрировать ходовые качества парусного судна.

Экспериментальные данные по парусным судам нужны при доводке лодок и при проектировании новых. Много плохо учитываемых факторов, влияющих на свойства парусных судов, делает невозможным их строгий теоретический расчет; на этой почве многочисленные теоретики от паруса напустили мистику и густой туман. Рассеять их способен только эксперимент.

Мне в своей практике довелось столкнуться с парадоксальным случаем, когда судно по непонятным причинам пошло не хуже, а лучше чем от него ожидалось. Принято считать, что быстрее ветра ходят только очень быстроходные гоночные суда. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что мой надувной тримаран, ни в коей мере не являющийся шедевром парусного судостроения, идет почти вдвое быстрее ветра!

Дело было так. Летом 1985 года я был на Онежском озере. За три недели в одиночку со своей собакой Вайдой в качестве матроса прошел его вдоль от Медвежьегорска до Свири и обратно и пересек с Бесова носа на остров Брусно. Прекрасное озеро, грибы, ягоды, друзья-туристы, разбредшиеся на “Мевах” и прочих плавсредствах по островам, и… разбитая килевка на баре у Черной речки: на озере шли гонки крейсерских яхт, и кто-то из участников соблазнился дарами природы, да осадка не та…

Переход поперек озера проходил в тихую погоду. Во всю длину озера от Андомы до Петрозаводска как франзуский флот при Трафальгаре растянулась колонна гоняющихся яхт с обвисшими парусами, штилевших на фордевинде. Ветра не было и на полбалла. Но мой тримаран шел, шел в бейдевинд, прорезая строй яхт; скоро они остались за кормой. 45 км ширины озера были пройдены за 21 час. Не быстро, но скорость явно превышала скорость ветра.

Чтобы выяснить, в чем тут дело, я, используя подручные средства – компас, секундомер и книгу Норвуда “Быстроходные парусные суда” в качестве справочного руководства, провел исследования ходовых качеств своего судна. Измерения подтвердили, что на слабых ветрах скорость хода тримарана превышает скорость ветра. Возник вопрос, почему это происходит. Попытавшись ответить на него, я был вынужден просмотреть всю наличную парусную литературу и разобраться во многих ранее неясных вопросах. Появилось желание систематизировать полученную информацию; так родились эти экспериментально-теоретические очерки.

Основные положения

Ветер, дующий над поверхностью воды со скоростью U – поток воздуха, обладающий на единицу объема массой , количеством движения и кинетической энергией . За время t через нормальную ветру площадку площадью S переносится масса воздуха , количество движения и энергия . На границе раздела двух сред – воды и воздуха количество движения и энергия ветра частично передаются воде; это обычный процесс волнообразования. Если на поверхности воды плавает какое-либо тело, то оно вызывает дополнительную передачу энергии от ветра к воде. Ветер гонит его по воде, вода оказывает сопротивление его движению, энергия ветра затрачивается на преодоление этого сопротивления и, в конечном счете, на нагрев воды.

Плавающее тело может двигаться в любом направлении к ветру; здесь существенно, что оно собой представляет и как использует энергию ветра. Парусные суда не могут идти против ветра, но ветроходы, на которых установлен ветродвигатель, передающий энергию ветра на гребной винт, идут и против него.

Сила и направление ветра, действующего на движущийся объект (вымпельного), отличаются от силы и направления ветра, действующего на неподвижный объект (истинного). Судно, идущее со скоростью под углом к истинному ветру, имеющему скорость , обдувается вымпельным ветром со скоростью под углом . Выполняется соотношение , геометрическим образом которого является треугольник скоростей (рис.4). Элементы этого треугольника связаны по теореме синусов соотношениями

(1)

Парусное судно создает ветровую тень; она перемещается вместе с судном, поэтому взаимодействие судна и ветра надо рассматривать в движущейся связанной с судном системе координат; ось X ориентируем по вымпельному ветру. В такой координатной системе судно неподвижно, а вода набегает на него со скоростью –V.

Парусное судно взаимодействует с двумя потоками: воды и ветра. Двигаясь со скоростью V относительно воды и преодолевая сопротивление R, судно затрачивает на свое движение мощность .Со стороны воздушного потока на судно воздействует аэродинамическая сила , ориентированная под некоторым углом к ветру. Мощность, затрачиваемая ветром при обтекании судна, равна , где - лобовое сопротивление, т.е. проекция силы на направление ветра. Отношение мощностей, затрачиваемых судном на свое движение, и расходуемой ветром, определяется как коэффициент полезного действия парусного судна

. (2)

КПД судна проще всего оценить для курса фордевинд. Тогда , ,

и составляет примерно 0,5. Скорость хода на фордевинде

Движение парусного судна в целом определяется воздействием ветра на его паруса и воды на его корпус. Схема сил, действующих на судно, показана на рис.5. Аэродинамическая сила при установившемся движении судна уравновешена гидродинамической силой . Последняя может быть разложена на две составляющие: силу сопротивления R и силу бокового сопротивления , противодействующую боковому дрейфу судна. От ношение известно как гидродинамическое качество судна, угол .

Отношение составляющих силы известно как аэродинамическое качество судна; угол . Силу можно разложить и иначе: на параллельную движению судна силу тяги и нормальную ему силу дрейфа . Выполняются условия и , . Из рассмотрения схемы сил следует, что

(3)

В теории парусного судна это соотношение известно как теорема курсов.

Силы и уравновешены, но они приложены к разным частям судна – надводной и подводной; между точками их приложения имеется некоторое расстояние, из-за чего возникает момент данной пары сил . Этот момент имеет составляющие, действующие в вертикальной и в горизонтальной плоскостях. Первая из них вызывает крен и дифферент судна; ей противостоят его поперечная и продольная остойчивости, моменты которых возникают при смещении из-за крена и дифферента центра плавучести судна относительно его центра тяжести. Второй составляющей момента противостоят моменты поперечных сил, возникающих на подводной части судна при отклонении руля. Чтобы судно не лежало на руле, конструктивными мерами стараются добиться, чтобы горизонтальная составляющая момента была равна нулю; это называется центровкой судна.

Углы и определяются ориентацией действующей на судно со стороны ветра силы . Это означает, что как аэродинамическое, так и гидродинамическое качества судна непостоянны и зависят от курса. Принципиальное значение имеют наибольшие значения и или, что то же самое, наименьшие значения и , определяющие скоростные и лавировочные качества судна. Если предположить, что хотя бы гидродинамически судно идеально, т.е. не испытывает сопротивления воды своему движению ( ), то на острых курсах достигается значение . Существует способ реализации такой ситуации и экспериментального определения угла