Воздушный поток вокруг парусов

Рис. 8. Обтекание воздушным потоком модели парусов шлюпа

Картина обтекания воздухом паруса на курсе крутой бейдевинд (рис. 8 и 9) и ряд других фотографий потока, приведенных в настоящем разделе, были получены следующим образом. Паруса моделировались изогнутыми кусками алюминия, стоящими в потоке воды глубиной 7 см. Вверх по потоку была рассыпана алюминиевая пыль, осевшая на воду так, что ее частицы показывали спектр обтекания парусов. Во время фотографирования сверху алюминиевые частицы прочертили линии за ту долю секунды, пока был открыт объектив: сплошные линии показывают более быстрое движение частиц, короткие пунктирные линии — более медленное. Разрывы в линиях и темные участки не означают ничего, кроме того, что мы не сумели рассеять алюминиевую пыль равномерно.

Рис. 9.Обтекание грота, стоящего под тем же углом к ветру. Видно развитие зон срыва и увеличение турбулентности, что приводит к уменьшению силы давления на парус

Рис. 10.Чем быстрее идет яхта, тем больше отклонение вымпельного ветра от истинного к корме

Несмотря на то что здесь фигурирует вода, а спектр обтекания двухмерный, модель показывает воздушный поток вокруг паруса достаточно точно для наших целей. Мы получили искривление потока, вызывающее эффект разрежения у передней кромки, замедление потока позади паруса в застойной зоне, чрезмерную турбулентность и отрыв потока позади паруса при больших углах атаки (рис. 9).

На фотографиях стрелка показывает вымпельный ветер, т. е. направление, которое указывает вымпел. Человек, ловящий рыбу с гребной лодки, привязанной к наветренному знаку, почувствует направление истинного ветра, потому что он не двигается по воде. Разница между вымпельным и истинным ветром зависит от скорости продвижения судна: чем быстрее идет судно, тем больше угол между истинным и вымпельным ветром (рис. 10).

УГОЛ ВЫМПЕЛЬНОГО ВЕТРА

Разница между вымпельным и истинным ветром имеет большее значение на судах, обладающих хорошими характеристиками.

Рис. 11.«Одногалсовый» катамаран «Кроссбоу» с противовесом во время побития мирового рекорда скорости для парусных яхт.

Когда яхта «Кроссбоу» побила мировой рекорд скорости, она шла полным курсом по истинному ветру, но вымпельный ветер дул круто в бейдевинд (рис. 11). Более примечательной, чем ее рекорд 1972 года (26 узлов), была ее скорость 13,4 узла при скорости истинного ветра около 5 узлов, т. е. в два с лишним раза быстрее скорости ветра. Надо отметить, что яхта «Кроссбоу» была спроектирована специально с таким расчетом, чтобы на дистанции 500 м скорость ее была больше скорости любой другой яхты только на одном галсе, и если бы она легла на другой галс, ее рангоут сложился бы и упал на голову команды.

Интересные вещи происходят с вымпельным ветром, когда «Кроссбоу» увеличивает свою скорость до скорости, в два раза превышающей скорость истинного ветра. Когда она ошвартована, окажем, при галфвинде скоростью 4 узла, движущая сила ее вооружения направлена в основном вперед, а вымпельный ветер такой же, как истинный (рис. 12, а).

Рис. 12.Яхта на швартовых (а): вымпельный ветер есть истинный ветер (галфвинд); яхта на ходу (б): при скорости хода, равной скорости истинного ветра, скорость вымпельного ветра больше скорости истинного ветра и он дует ближе к носу

Через несколько секунд после того, как она пошла, ее скорость достигает 4 узлов— та же скорость, что и у истинного ветра. Моторная лодка, идущая со скоростью 4 узла при штиле, будет встречать с носа на корму вымпельный ветер скоростью 4 узла; и когда этот встречный ветер соединяется с галфвиндом, имеющим скорость 4 узла (а именно это и происходит, когда «Кроссбоу» движется со скоростью 4 узла), кажущийся ветер дует на яхту под углом 45° со скоростью 5,6 узла (рис. 12, б). Если направленная вперед тяга паруса Т больше, чем сопротивление корпуса, движущегося по воде (как это было с «Кроссбоу»), то скорость увеличится еще больше угол вымпельного ветра уменьшится и шкоты придется подобрать. Когда паруса добраны до положения крутого бейдевинда, единственный способ еще больше увеличить скорость—увалиться.

У буеров сопротивление движению вперед значительно меньше, чем у яхты «Кроссбоу», и они часто идут много быстрее истинного ветра.

Поворот через фордевинд легче делать на яхтах, имеющих большую скорость просто потому, что скорость вымпельного ветра при фордевинде (этот ветер ломает гик пополам) значительно меньше, чем скорость истинного ветра. Следовательно, легче делать поворот через фордевинд сразу же после того, как прошел порыв ветра или когда вы скользите с волны и яхта имеет максимальную скорость, а вымпельный ветер—минимальную.

СТАКСЕЛЬ ПОМОГАЕТ ГРОТУ

Роль стакселя на курсе крутой бейдевинд очевидна, если посмотреть на рис. 8 и 9, где показана лавировка с гротом и стакселем и только с гротом, установленным под тем же углом. На гроте без стакселя происходит срыв потока, т. е. поток разрушается на подветренной стороне паруса. Когда это случается, яхта движется в значительной степени благодаря увеличению давления на наветренной стороне паруса, а не из-за понижения давления на подветренной его стороне. Как только поставлен стаксель, поток на подветренной стороне грота выравнивается, однако угол установки грота существенно не меняется. Теперь грот обдувается потоком, отклоненным стакселем.

При настройке яхты на максимальную скорость лавировки поток воздуха, проходящий через эту щель, критический: если позволить стакселю слишком сильно отклонить его в сторону грота, то грот начинает заполаскивать раньше, чем должен был бы, и яхта пойдет медленнее. Если расширить щель, то яхта с потравленным стакселем не пойдет так круто к ветру.

Фотографии показывают, что момент, когда парусное вооружение начинает работать со срывом (см. рис. 9), очень характерен - видно, как вооружение в целом использует ветер. Это значит, что три вооружении типа шлюп стаксель - наиболее важный парус на лавировке.

Грот у шлюпа выше фалового угла стакселя не попадает в скошенный стакселем поток, поэтому должен иметь некоторую “закрутку” под ветер.

НЕ ПЕРЕБИРАТЬ ШКОТЫ!

Стаксель сглаживает поток за гротом и на полных курсах (рис. 13).

Рис. 13. Полный курс при вымпельном ветре в галфвинд и при потравленных шкотах: сила давления дает хорошую тягу, отклонение потока невелико, завихрения тоже невелики и не очень мешают подветренной яхте, если наветренная не несет спинакер и не перебирает шкоты

Выберите его слишком сильно—и идеальный спектр обтекания разрушается. В сильный ветер это один из лучших способов перестать глиссировать: вы теряете поступательное движение—и яхта кренится. При слишком сильном выбирании грота результаты еще более поразительны (рис. 14).

Этот спектр обтекания мне впервые продемонстрировал начинающий рулевой в соревнованиях на монотипах-динги. Из-за плохого старта я был в числе последних и при огибании наветренного знака оказался с подветра у рулевого, которому, решил я, можно показать, что такое полный курс.

Получилось наоборот. По положению его гика я мог сделать вывод, что он учился ходить под парусами по книге и не продвинулся дальше глав о лавировке,—его гик стоял почти по ДП яхты, хотя его матрос (возможно, он прочел больше рулевого) держал стаксель в правильном положении. Когда пришел шквалик, моя яхта в полной мере почувствовала турбулентность, созданную его перебранным гротом, и моментально сделала поворот через фордевинд, остановившись так резко что яхта которая шла с подветра на несколько корпусов позади подхватила порыв и у следующего знака оказалась впереди. На следующем галсе я уже старался оказаться подальше с наветренной стороны от этого любителя крутого бейдевинда.

Рис. 14. Грот перебран, тяга уменьшилась, поперечная сила увеличилась, крен больше, скорость яхты меньше. Вихри под ветром очень интенсивны

Ветровой спектр вокруг яхты, идущей полным курсом, очень возмущен (рис. 15), как вы уже поняли на собственном опыте. Однако не следует забывать что в данном случае мы имеем дело с вымпельным ветром, а на полных курсах скорость вьмпельного ветра значительно ниже скорости истинного ветра (скорость вымпельного ветра + скорость яхты, идущей курсом фордевинд = скорости истинного ветра). Есть один момент, которого не отражают фотографии: большие завихрения позади грота сами движутся по ветру, так что ветер, который действительно завихрен, распространяется вперед на расстояние только трех корпусов. За этими пределами он уже не оказывает такого эффекта.

Рис. 15. Фордевинд на расстоянии двух длин яхты перед носом поток существенно замедлен и завихрен

Если ветер с подветренной стороны вооружения затихает, то снаружи, по шкаторинам, усиливается (как показывают близко расположенные линии потока). Это явление известно как эффект Вентури; и наблюдается такое повышение скорости ветра также у основания высоких зданий, между рядами холодильных башен или в долинах, между холмами. В таких случаях скорость ветра становится значительно выше скорости основного невозмущенного ветра. Вы можете много выиграть на полном курсе, поставив себя точно по ветру в зазоре между двумя яхтами, идущими курсом фордевинд, а еще лучше—между двумя группами яхт. Держите свой вымпел нацеленным на зазор между кормами, и скорость вашей лодки возрастет.

ГЛИССИРОВАНИЕ ТРЕБУЕТ ТОЧНОЙ БАЛАНСИРОВКИ

Основной недостаток модели потока, которую мы использовали, — двухмерность. Она прекрасно иллюстрирует некоторые основы аэродинамики парусов, но мы хотим большего. Точка приложения результирующей силы тяги (центр парусности) расположена примерно на одной трети высоты мачты от палубы. Это равносильно тому, как если бы яхту буксировали без парусов с помощью горизонтального троса, прикрепленного в этой точке. В сильный ветер трос создавал бы тягу сравнительно мощного подвесного мотора и тянул бы на курсе чистый фордевинд только вперед; на лавировке он тянул бы еще и в сторону. Вы можете сказать, как велика движущая сила в сильный ветер, взглянув на дифферентовку глиссирующего швертбота. Яхта с острым носом может зарываться на галфвинде или на более полном курсе. На катамаранах, имеющих острую, как нож, носовую часть, это может обернуться катастрофой. Но да большинстве динги дифферент на нос выражен меньше, поэтому только в очень сильный ветер рулевой и его команда должны переместиться.

На современных динги глиссирование не является внезапным переходом от водоизмещающего плавания. Если вы переместитесь на корму, как только кильватерная струя за кормой станет гладкой, то замедлите скорость яхты тем, что увеличите сопротивление транца и создадите больше волн. Чем больше волн стремится создать корпус, тем больше энергии должно отдать вооружение на их преодоление, тем меньше останется энергии, преобразующейся в движение вперед. Совсем другое дело, когда ветер сильный. Тогда силы, действующие на одной трети высоты мачты над палубой, велики, и вы можете переместиться назад, чтобы уравновесить их.

Многие яхтсмены заблуждаются, считая, что, перемещаясь назад, они помогают яхте выйти на режим глиссирования. Это не так. Для того чтобы выйти на глиссирование, вы должны держать яхту на ровном киле—на мгновение обезветрить парус, если надо, а затем использовать его полную тягу. После того как эта часть задачи решена правильно, можно перемещаться на корму. И когда яхта снова выйдет на режим, предельный для глиссирования, обязательно нужно переместиться вперед раньше, чем она перестанет глиссировать и перейдет на водоизмещающее плавание. Тогда она будет глиссировать несколько дольше, и когда скорость упадет, корма не будет создавать добавочного сопротивления.

На полных курсах достигается самая большая скорость, потому что сила давления на паруса почти полностью используется для создания тяги, притом сила дрейфа и крен значительно меньше, чем на курсе крутой бейдевинд (см. рис. 3 и 5). Однако и на полном курсе откренивание позволяет вооружению обеспечить значительное усилие, направленное вперед, а следовательно, увеличить скорость. Когда яхта приводится, в сильный ветер ее можно удержать от крена, лишь пожертвовав некоторым количеством движущей энергии и допустив чрезмерное запаласкивание передней части грота (а в экстремальных условиях—и стакселя). Когда же яхта уваливается на более полный курс, скорость вымпельного ветра падает, тяга паруса уменьшается — яхта снова замедляет ход. Следовательно, в условиях глиссирования максимальная скорость достигается на таком полном курсе, когда силы крена создаваемые хорошо тянущими парусами, точно уравновешиваются откренивающими усилиями. При сильном ветре этот курс полнее, чем при слабом.

ПОМЕНЬШЕ ПЕРЕКЛАДЫВАТЬ РУЛЬ

Рис. 16. Сила давления ветра на парус действует под ветром от ДП, создавая приводящий момент, который вынуждает перекладывать руль

Сила давления ветра на паруса приложена в центре давления парусов, который расположен в точке, находящейся подветреннее диаметральной плоскости. Это значит, что под действием парусов яхта будет стремиться привестись, и поэтому нужно перекладывать руль под ветер (рис. 16).

Есть несколько способов исправить положение:

1. С помощью руля (рис. 17).

2. Почти полностью выбрать шверт—это позволит переместить центр бокового сопротивления корпуса назад.

3. Поставить спинакер, создав таким образом момент, противодействующий приводящему моменту.

4. Накренить яхту на ветер.

При этом происходят две вещи: тяга смещается на ветер, ближе к диаметральной плоскости, подводная часть становится несимметричной, благодаря чему корпус сам имеет тенденцию к уваливанию без помощи руля. Яхтами с круглой скуловой частью типа “Файрфлай”, которые очень чувствительны к изменению угла крена, можно управлять просто, изменяя крен: под ветер — для приведения, на ветер—для уваливания.

Рис. 17. переложенное перо руля создает поперечную управляющую силу и дополнительное сопротивление

С точки зрения скорости одни, из этих методов более предпочтительны, другие менее. Наихудший, хотя и широко применяемый, способ—устранить приведение с помощью руля. Всякий раз, перекладывая руль, вы включаете тормоз, а поэтому лучше не противодействовать приведению, а устранить его. Это можно сделать, подбирая шверт. И даже на яхтах с округлыми шпангоутами типа “Летучий голландец” вы ничего не потеряете, если пойдете в бейдевинд чуть подветреннее. Пауль Эльвстрём, например, считает, что при этом вы даже выиграете.

Спинакер также позволяет устранять разбалансировку парусного вооружения; он даже может потребовать перекладки руля на ветер для приведения, которое можно устранить потравливанием шверта.

Изменение угла крена—один из способов управления яхтой, и к тому же более эффективный, чем работа рулем, так как он не влечет за собой уменьшения скорости. В идеале, идя курсом бейдевинд по гладкой воде, вы должны управлять яхтой, не пользуясь рулем. Совсем другое дело на неспокойной воде, когда волны достаточно велики, чтобы помешать вам. При такой волне эффект торможения, создаваемый рулем, компенсируется теми преимуществами, которые дает правильная ориентация относительно волн. На монотипах “Финн” для перемещения центра давления парусов относительно диаметральной плоскости корпуса на полных курсах общепринято накренивать яхту на ветер (рис. 18).

Рис. 18. Центр парусности “Финна” К367 находится практически над центром плавучести его корпуса

Яхтсмены-мастера накренивают свою яхту так, как она кренилась бы под ветер при сильных порывах ветра без откренивания. Это виртуозное мастерство, поэтому я не предлагаю вам делать то же самое, если вы не знаете, как избежать обезветривания парусов на полных курсах. Есть и еще одно преимущество накренивания яхты на ветер, особенно при шквалистом ветре. Когда налетает шквал, он сначала ставит яхту на равный киль, a уже затем накренивает под ветер. Ветер проделывает большую работу, следовательно, вы имеете большую тягу. В результате у вас еще на долю секунды больше времени для того, чтобы прореагировать на порыв ветра и заставить яхту двигаться, не дожидаясь, когда она начнет крениться под ветер, и управление станет более трудным. Я думаю, что отвращение многих яхтсменов крену на ветер является результатом плавания на килевых яхтах, но бывают моменты, когда это дает дополнительную скорость.

ОВЕРКИЛЬ НА ВЕТЕР

Возможно, что второй причиной нежелания накренивать яхту на ветер на полных курсах является то, что “самый мокрый оверкиль” бывает на ветер. И если вы накрените яхту чуточку больше, чем следует при свежем ветре на фордевинде или бакштаге, появляется опасность оказаться в воде.

Рис. 19. Здесь крен на ветер был излишним! Перо вышло из воды и грот швертбота продолжает кренить его на ветер

Происходит следующее: центр давления перемещается на ветер от диаметральной плоскости, создавая опрокидывающий момент, который стремится увалить яхту, а поскольку несимметричная форма подводной части накрененного корпуса также способствует уваливанию, то вы быстро переходите грань, от которой уже возврата нет (рис.19).
Противодействовать такому переворачиванию через наветренный борт можно тремя способами, если вы действуете достаточно быстро:

1. Немедленно сильно оттолкните руль от себя.

2. Выберите гика-шкоты.

3. Резко и быстро переместите матроса из положения откренивания в середину яхты.

Если эта три действия станут рефлекторными в момент приближения яхты к опасной точке, значит вы достаточно твердо управляете ею.