Наша сеть партнеров Banwar
Сили нa вітрилах і корпусі. Судна, пристосовані для руху під вітрилами, мають ряд специфічних особливостей, що відрізняють їх від судів з механічним двигуном. Ці особливості обумовлені використанням вітру в качествe енергії для руху, а в качестне рушія - пapycoв.
Більшість людей добре знайоме з простим прямими пapycaмі, які ставляться переважно на попуктних до вітру курсах. Такий пapyc є погано обтічним тілом. На eгo підвітряного стороні створюється розрідження, на вітряної - підвищений тиск.
Підсумовуючись по всій площі вітрила, різниця тисків утворює силу опору, спрямовану по курсу судна і приводить eгo в рух. Прямий вітрило створить тягу і при плаванні під кутом до напрямку вітру аж до курсу повний бейдевінд (60 - 70 градусів до вітру). На цьому курсі на вітровий потік повітря накладається зустрічний потік, викликаний швидкістю просування судна вперед; вектор швидкості cyммарного потоку накладається спрямованим до вітрила вже не під 60 або 70 градусів, а набагато гостріше.
Парус починає працювати вже за іншим принципом - аеродинамічного крила. З кормової кромки зривається вихрь, що викликає циркуляцію потоку повітря навколо вітрила напрямок якої збігається із загальним потоком у підвітряного боку вітрила і протилежного йому у навітряного. Вследствае прискорення частинок повітря на підвітряного стороні виникає розрідження, а на вітряної, де рух частинок сповільнюється, створюється знижений тиск, В результаті утворюється аеродинамічна сила, проекція якої на напрямок руху судна і є корисною тягою вітрила.
При розташуванні вітрила під кутом до вітру він також володіє опором, але в даному випадку сила опору не тільки не створює тяги, а й навпаки гальмує рух судна. Якщо на попутному курсі чим більше опір, тим більше тяга вітрила, то на курсі бейдевінд важливо по можливості знизити опір (по аналогії з аеродинамікою крила воно називається лобовим) і збільшує другу складову аеродинамічної сили - підйомну силу Y, спрямовану перпендикулярно напрямку повітряного потоку - вимпела вітру.
Для таких умов роботи пряме вітрило виявляється малоефективним. Дослідження вітрил показали, що підйомна сила створюється в основному за рахунок розрідження на підвітряного поверхні, яке досягає свого максимуму поблизу кромки вітрила, зверненої до вітру. Крім інших факторів величина розрідження залежить від форми - профілю вітрила, який приймає парус наповнений вітром, від розташування і глибини опуклості або «пуза» вітрила.
Тому найбільшого поширення на спортивних і прогулянкових судах придбали косі вітрила, які встановлюються однієї зі своїх бічних крайок - передній шкаторини - до вітру. Цією шкаторини надається прямолінійність за допомогою щогли або штага; парус ж викроюється з опуклим профілем, що має глибину «пуза» від 6 до 12% його хорди.
Косі вітрила ефективно працюють під малими кутами атаки до вітру вимпела - 5 - 8 градусів, завдяки чому суду, мають спеціально розраховані для плавання під вітрилами обводи, можуть йти в бейдевінд під кутом 30 - 35 градусів до напрямку істинного вітру і просуватися проти вітру в лавірування - гаслами.
Зі схеми видно, що сила тяги T виявляється набагато менше бічної сили D, званої дрейфу так як вона викликає переміщення судна - дрейф йогов подветренную сторону. Отже, для того щоб вітрильник ефективно просувався в бік вітру, він повинен мати достатньо великий опір дрейфу і по можливості малий опір в напрямку руху.
Перше з цих якостей досягається завдяки застосуванню кільових обводів з розвиненою бічною поверхнею або ж ефективних профільованих килей - плавців, які є гідродинамічними крилами малого подовження. Оскільки судно рухається під кутом дрейфу щодо його діаметральної площині, на такому плавці створюється гідродинамічна сила, спрямована в навітряну сторону, т. Е. Проти сили дрейфу, що діє на вітрило. При усталеному русі обидві сили повинні бути рівні за величиною і розташовуватися в одній вертикальній площині
Звернемося тепер до малюнка на якому представлена кілька спрощена просторова картина дії основних сил на вітрило і корпус яхти. Вважається, що аеродинамічна сила прикладена до вітрил в умовному центрі парусності - (ЦП), за який в попередніх розрахунках приймається геометричний центр ваги вітрил, поставлених в ДП судна. Для трикутного вітрила ЦП є точкою перетину двох медіан, т. Е. Аеродинамічна сила і її складова D прикладені досить високо над ватерлінією. Сила опору дрейфу Rd подібним же чином вважається прикладеною в центрі бокового опору (ЦБС), за який приймається геометричний центр ваги бічній проекції підводної частини ДП судна з кілем і кермом. Залежно від обводів підводної частини ЦБС виявляється розташованим на глибині 15 - 25% опади яхти.
Таким чином, сила дрейфу D і сила опору дрейфу Rd виявляються прикладеними на досить великому плечі l і утворюють крениться момент M = D * l /. Наслідком цього є неминучий крен, з яким відбувається рух вітрильних суден на гострих кутах до вітру. Величина цього крену залежить від остійності судна, а для його зменшення яхту постачають важким (від 30 до 60% водотоннажності) баластовим фальшкіль або откренівают, якщо йдеться про легку Швертботи. Набагато менший Диферент на ніс момент створює пара сил тяги Т і опору води руху яхти R, яка також врівноважується відновлює моментом поздовжньої остійності судна.
Набагато більш істотний вплив на керованість судна надає інший момент цих сил, що діє в горизонтальній площині і що виникає внаслідок того, що сила T зміщується при крен в сторону накрененного борту. Момент сил T і R? (Mпр = T * b) прагне повернути судно носом проти вітру (або привести його до вітру, як кажуть яхтсмени). Протидіяти цьому можна за допомогою керма, але дизайнери намагаються створити компенсуючий момент за рахунок сил D і Rd, виносячи ЦП вперед від ЦБС на велику величину a.
Залежно від обводів судна, типу оснащення і вітрил ця величина складає від 5 до 20% довжини судна по ватерлінії. Велика цифра відноситься до сучасним спортивним яхт, які мають глибокий плавникові кіль і кермо і оснащеними високими вузькими вітрилами бермудського типу; менша - до судів типу старовинних шхун з прямою довгою лінією кіля і широкими гафельним вітрилами.
Багато що залежить і від остійності судна: чим вона менша, там більший крен на ходу отримує яхта, тим далі від борта зміщується сила T і тим більше необхідно рознести ЦП і ЦБС. При черезмерная носовому розташуванні ЦП щодо ЦБС яхта отримує тенденцію - звалюють під вітер - відвертати форштевень від вітру. У цьому випадку доводиться перекладати на вітер, внаслідок чого швидкість яхти може помітно знизиться (так само, як і в разі недостатнього випередження ЦП перед ЦБС, коли кермо відхиляють в подветренную сторону).
Підводячи підсумок, можна сформулювати основні вимоги, яким має задовольняти судно, призначене для плавання гострими курсами до вітру:
1. Воно повинно бути досить остійності, щоб не отримувати в свіжий вітер черезмерного крену;
2. Судно слід оснастити ефективними вітрилами, здатними розвиває достатню аеродинамічну силу на малих кутах атаки до вітру вимпела;
3. Судно повинно мати ефективний кіль для опору дрейфу;
4. Воно повинно бути правильно відцентрований для забезпечення стійкості на курсі.
Ще одна особливість вітрильних суден - це мінливість величини сили тяги, яка залежить від швидкості вітру. Тому режим експлуатації парусника змінюється в широких межах - від водоизмещающего плавання з мінімальною швидкістю до глиссирования (при сприятливих умовах) на гребені хвилі.
З розрахунком на весь цей діапазон або ж на будь - яку частину його - в залежності від переважаючих вітрових умов в районі плавання - і проектуються обводи корпусу, вибирають ту чи іншу площу парусності і остійність судна. Як правило, потужності, що розвивається вітрилами, виявляється досить для досягнення максимальної швидкості Fr = 0.5, або V = 3 v L уз, де L - довжина яхти по ватерлінії, м.
Конструктивні типи вітрильних яхт. Залежно від того, яким чином забезпечується бічне опір дрейфу і остійність судна, необхідні для плавання під вітрилами, розрізняють кілька основних конструктивних типів парусних човнів і яхт.
Кільова яхта має кіль - глибокий плавець, що створює значне бічне опір. До нижньої частини цього плавника кріпиться чавунний або свинцевий вантаж, званий баластних кілем нли фальшкіль. Кіль може бути утворений обводами корпусу і складати з ним одне ціле або виконаний у вигляді окремого плавця, що має в поперечних перетинах симетричний авіаційний профіль, або бульбкіля (вертикальний лист з важкої відливанням внизу. Чим ясніше виділений з корпусу яхти кіль і більше його подовження, тим ефективніше він протидіє дрейфу, тим відносно менше може бути прийнята його площа. при довгій кільової лінії площа ДП може становити 1/5 площі парусності S; при нормальних яхтових обведеннях - 1 / 7S; при плавникові кілі - 1 / 12S.
На сучасних спортивних яхтах застосовують переважно плавникові профільовані кили, що нагадують авіаційні криля малого подовження. Форма, профіль і розміри плавника вибираються з урахуванням того, щоб кіль розвивав максимальну підйомну силу на малих кутах атаки - 3 - 5 градусів, відповідних кутку дрейфу сучасних яхт. Для реальних швидкостей, з якими плавають парусники, оптимальні кили з відносною товщиною t / b = 0.09 - 0.12 (t - товщина перерізу кіля, b - хорда профілю).
Максимальна товщина профілю повинна розташовуватися на відстані від 30 до 40% хорди від передньої кромки профілю кіля. Хорошими якостями володіє також профіль NASA 664-0 c максимальною товщиною, розташованої на відстані 50% хорди від носка.
Подовження килей сучасних кільових яхт становить від 1 до 3, рулів до 4. Найчастіше кіль має вигляд трапеції з похилою передньою кромкою, причому кут нахилу надає певний вплив на величину підйомної сили і лобового опору кіля. При подовженні кіля близько l = 0.6 може бути допущений нахил передньої кромки до 50 градусів; при l = 1 - близько 20 градусів; при l більше 1,5 оптимальний кіль з вертикальною передньою кромкою.
Сумарна площа кіля і керма для ефективної протидії дрейфу приймається зазвичай рівною від 1/25 і 1/17 площі основних вітрил. Кермо, як правило, встановлюється окремо від кіля і ефективно бере участь у створенні сили опору дрейфу, будучи тим же профільованим крилом з невеликою площею.
Маса баластного фальшкіль становить від 25 до 40% водотоннажності судна, завдяки чому центр ваги яхти виявляється розподіленим досить низько (найчастіше під ватерлінією або злегка вище її). Остійність кільової яхти завжди позитивна і досягає максимуму при крен близько 90 градусів, коли вітрила вже лежать на воді. Зрозуміло, в цьому випадку судно залишається на плаву, якщо воно має надійні закриття всіх палубних отворів і самоотлівной кокпіт, що не сполучається з основним приміщенням. Кільова яхта має велику осадку і призначена для плавання по морях і озерах з глибокою водою і сильними вітрами.
Швертбот - легке вітрильне судно, що використовується на мілководді. Бічне опір забезпечується завдяки шверт - плоскому або профільованому тонкому кіля, який для зменшення опади забирається всередину, корпусу в спеціальний колодязь, встановлений в ДП. Маса шверта, навіть якщо він виготовлений з металу, невелика і практично не робить істотного впливу на остійність човна. Остійність швертботів зазвичай забезпечується за рахунок збільшення ширини корпусу, причому чим менше судно, тим відносно більше широким повинен бути корпус.
Крім того, зменшити крен активно допомагає екіпаж човна, розташовуючись на планширі або навіть відкидаючись за борт за допомогою трапеції - підвіски з поясом, що кріпиться до щогли на довгому сталевому тросі. При нахилі близько 60 - 80 градусів сила плавучості і сила ваги швертбота виявляються розташованими на одній площині - настає момент нестійкої рівноваги. Достатньо невеликого пориву вітру або удару хвилі, щоб покласти човен вітрилами на воду. Тому мореплавство швертбота обмежена і плавання на ньому допускається лише поблизу берегів і на порівняно закритих від вітру і хвилювання акваторіях.
Найбільшого поширення набули обертаються шверт секторного типу, мечовидні, L - образні, а також встромляти в колодязь кинджальні. Обертові шверт зручніше встромляти, так як вони при посадці на мілину не так сильно навантажують конструкцію корпусів. У той же час для них потрібно колодязь великих розмірів, захаращує кокпіт човна. Встромляти шверт застосовують в основному на найменших вітрильних човнах.
Вузькі і довгі (подовження l до 4) мечовидні і кинджальні шверт, як правило, виконуються профільованими з відносною товщиною t / b = 0.05 - 0.08 (на гоночних човнах - 0,044 - 0,05). Шверт інших типів вирізаються з металевого листа. Площа профільованого шверта, що має підвищену ефективність в створенні бічної сили опору дрейфу, приймається зазвичай рівною 1/25 - 1/30 площі парусності S. Якщо шверт секторний або L - подібний, його площа повинна бути не менше 1 / 20S. Щоб підвищити остійність при збереженні малої опади, іноді будують яхти з важкими шверт (падаючими колами).
Такий шверт представляє собойполую зварену коробку з металевих листів, заповнену всередині баластом. Колодязь для кіля в цьому випадку виконується по всій висоті корпусу - від днища до палуби. Кіль важить 18 - 30% водотоннажності яхти, втягується в клодец за допомогою талів, гвинтових домкратів або гідравлічних пристроїв. Важкі литі або вирізані з товстого сталевого листа шверт застосовують і для підвищення остійності крейсерських швертботів.
Компроміс - є проміжним типом між кільової яхтою і Швертботи. Завдяки збільшеній, в порівнянні, з Швертботи осаді і наявності баластного фальшкіль компроміс більш стійкий, ніж швертбот. У той же час для його плавання потрібно акваторія з меншими глибинами, ніж для кільової яхти. Швертовий колодязь на компромісі може розміщуватися повністю в фальшкіль і не захаращувати каюту.
Компроміс використовується головним чином в районах, де є відкриті водні простори з сильними вітрами, але з малою глибиною, а також для комбінованого плавання, коли в одному плаванні доводиться і проходити річку і виходити в море.
Багатокорпусні суду - катамарани, тримарани і проа - складають особливу групу вітрильних суден. Загальним для них є забезпечення поперечної остійності за рахунок сили підтримки, яка створюється при крен на занурюватися в воду подветренном корпусі або поплавці. У катамарана водотоннажність розподілено порівну між обома корпусами.
Уже при невеликому нахилі водотоннажність різко перерозподіляється: сила плавучості корпусу, що занурюється в Волд, збільшується. Коли інший корпус виходить з води (при нахилі 8 - 15 градусів), плече остійності досягає максимальної величини і воно трохи менше половини відстані між ДП корпусів. При подальшому збільшенні крену катамаран поводиться подібно Швертботи, екіпаж якого висить на трапеції. При нахилі 50 - 60 градусів настає момент нестійкої рівноваги, після чого остійність катамарана стає негативною - судно перекидається.
Катамаран має величезну початкову остійність, і тільки швидке зменшення відновлює плеча після виходу навітряного корпусу з води змушує дизайнерів передбачати спеціальні заходи, що запобігають перекидання двухкорпусних судів - забезпечувати їх автоматикою для віддачі шкотів після досягнення певного кута крену, легкими жорсткими або надувними поплавцями на топах щогл і т. п.
На трімаране сумарний ОБСЯГИ бічніх поплавців ставити зазвічай 75 - 100% водотоннажності, тому максимальна остійність у цього типу суден досягає в момент полного Занурення підвітряного поплавка в воду. На стоянці и на ходу без крену поплавці НЕ стосують поверхні води. Перевагою багатокорпусних суден перед звичайними яхтами і Швертботи обумовлюється їх вузькими і довгими корпусами.
Відношення довжини корпусу до ширини на катамарані складає від 10 до 20; середній корпус швидкохідного тримарана має L / B = 8 - 11, а поплавці - 14 - 18. Завдяки цьому, а також відсутності важкого фальшкіль багатокорпусні суду відчувають менший опір води руху і можуть розвивати значно вищі швидкості (до 20 вузлів і вище), ніж однокорпусні яхти. Крім того, при невеликому значенні дрейфу на вузьких і довгих корпусах розвивається бічна сила опору дрейфу такої величини, що доцільно відмовитися від застосування швертів. Таким чином, багатокорпусний судно може експлуатуватися при малій глибині на акваторії, ніж кільова яхта або компроміс.
Коментарів немає.
Момент сил T і R?