Силы, действующие на корпус и паруса яхты.




До сих пор мы рассматривали действие на яхту только двух сил - силы плавучести и силы веса, предполагая, что она находится в равновесии состоянии покоя. Но поскольку для движения вперед на яхте используются паруса, на судно действует сложная система сил. Схематически она представлена на рис. 4, где рассматривается наиболее типичный случай движения яхты в бейдевинд.

При обтекании парусов воздушным потоком - ветром - на них создается результирующая аэродинамическая сила А, направленная примерно перпендикулярно поверхности паруса и приложенная в центре парусности (ЦП) высоко над поверхностью воды. Согласно третьему закону механики, при установившемся движении тела по прямой каждой силе, приложенной к телу, в данном случае - к парусам, связанным с корпусом яхты через мачту, стоячий такелаж и шкоты, должна противодействовать равная ей по величине и противоположно направленная сила. На яхте - это результирующая гидродинамическая сила Н, приложенная к подводной части корпуса. Таким образом, между этими силами существует известное расстояние - плечо, вследствие чего образуется момент пары сил.

И аэро- и гидродинамическая силы оказываются ориентированными не в плоскости, а в пространстве, поэтому при изучении механики движения яхты рассматривают проекции этих сил на главные координатные плоскости. Имея в виду упомянутый третий закон Ньютона, выпишем попарно все составляющие аэродинамической силы и соответствующие им гидродинамические реакции (см. табличку):

Для того чтобы яхта устойчиво шла по курсу, каждая пара сил и каждая пара моментов сил должны быть равны друг другу. Например, сила дрейфа , и сила сопротивления дрейфу создают кренящий момент Мкр, который должен быть уравновешен восстанавливающим моментом Мв или моментом поперечной остойчивости. Мв образуется благодаря действию сил веса D и плавучести яхты V, действующих на плечеl. Эти же силы веса и плавучести образуют момент сопротивления дифференту или момент продольной остойчивости Ml, равный по величине и противодействующий дифферентующему моменту . Слагаемыми последнего являются моменты пар сил Т - R и Fв - Нв.

В приведенную схему действия сил существенные поправки вносит, особенно на легких яхтах, экипаж. Перемещаясь на наветренный борт или по длине яхты, экипаж своим весом эффективно откренивает судно или противодействует его дифференту на нос. В создании уваливающего момента Мд решающая роль принадлежит соответствующему отклонению руля.

Аэродинамическая боковая сила , кроме крена вызывает боковой снос - дрейф, поэтому яхта движется не строго по ДП, а с небольшим углом дрейфа l. Именно это обстоятельство обусловливает образование на киле яхты силы сопротивления дрейфу , которая по своей природе аналогична подъемной силе, возникающей на крыле самолета, располагаемом под углом атаки к набегающему потоку. Аналогично крылу работает на курсе бейдевинд и парус, для которого углом атаки является угол между хордой паруса и направлением вымпельного ветра. Таким образом, в современной теории корабля парусная яхта рассматривается как симбиоз двух крыльев: корпуса, движущегося в воде, и паруса, на который воздействует вымпельный ветер.

 

Остойчивость.

Как мы уже говорили, яхта подвержена действию сил и моментов сил, стремящихся наклонить ее в поперечном и продольном направлениях. Способность судна противостоять действию этих сил и возвращаться в прямое положение после прекращения их действия называется остойчивостью. Наиболее важной для яхты является поперечная остойчивость.

Когда яхта плавает без крена, то силы тяжести и плавучести, приложенные соответственно в ЦТ и ЦВ, действуют по одной вертикали. Если при крене экипаж либо другие составляющие массовой нагрузки не перемещаются, то при любом отклонении ЦТ сохраняет свое первоначальное положение в ДП (точка G на рис. 5), вращаясь вместе с судном. В то же время вследствие изменившейся формы подводной части корпуса ЦВ смещается из точки Со в сторону накрененного борта до положения C1. Благодаря этому возникает момент пары сил D и V с плечом l, равным горизонтальному расстоянию между ЦТ и новым ЦВ яхты. Этот момент стремится возвратить яхту в прямое положение и потому называется восстанавливающим.

При крене ЦВ перемещается по кривой траекторииCoC1, радиус кривизны r которой называется поперечным метацентрическим радиусом, а соответствующий ему центр кривизны М - поперечным метацентром. Величина радиуса r и соответственно форма кривой Со C1 зависят от обводов корпуса. В общем случае при увеличении крена метацентрический радиус уменьшается, так как его величина пропорциональна четвертой степени ширины ватерлинии.

Очевидно, что плечо восстанавливающего момента зависит от расстояния GM - возвышения метацентра над центром тяжести: чем оно меньше, тем соответственно меньше при крене и плечо l. На самой начальной стадии наклона величины GM или h рассматривается судостроителями как мера остойчивости судна и называется начальной поперечной метацентрической высотой. Чем больше h, тем необходима большая кренящая сила, чтобы наклонить яхту на какой-либо определенный угол крена, тем остойчивее судно. На крейсерско-гоночных яхтах метацентрическая высота составляет обычно 0,75-1,2 м; на крейсерских швертботах - 0,6-0,8 м.

По треугольнику GMN легко установить, что восстанавливающее плечо I = GN = h * Sin . Восстанавливающий момент, учитывая равенство V и D, равен:
МВ = D * h * Sin , тм.

Таким образом, несмотря на то, что метацентрическая высота изменяется в довольно узких пределах для яхт различных размерений, величина восстанавливающего момента прямо пропорциональна водоизмещению яхты, следовательно, более тяжелое судно оказывается в состоянии выдержать кренящий момент большей величины.

Восстанавливающее плечо можно представить как разность двух расстояний (см. рис. 5): - плеча остойчивости формы и - плеча остойчивости веса. Нетрудно установить физический смысл этих величин, так как определяется отклонением при крене линии действия силы веса от первоначального положения точно над С0, а - смещением на подветренный борт центра величины погруженного объема корпуса. Рассматривая действие сил D и V относительно С0, можно заметить, что сила веса D стремится накренить яхту еще больше, а сила V, наоборот - выпрямить судно.

По треугольникуCoGKможно найти, что lв = GK = Co * G * Sin , гдеC0*G - возвышение ЦТ над ЦВ в прямом положении яхты. Таким образом, для того чтобы уменьшить отрицательное действие сил веса, необходимо по возможности понизить ЦТ яхты. В идеальном случае ЦТ должен бы расположиться ниже ЦВ, тогда плечо остойчивости веса становится положительным и масса яхты помогает ей сопротивляться действию кренящего момента. Однако только немногие яхты имеют такую характеристику: углубление ЦТ ниже ЦВ связано с применением очень тяжелого балласта, превышающего 60% водоизмещения яхты, чрезмерным облегчением конструкции корпуса, рангоута и такелажа. Эффект, аналогичный снижению ЦТ, дает перемещение экипажа на наветренный борт. Если речь идет о легком швертботе, то экипажу удается сместить общий ЦТ настолько, что линия действия силы D пересекается с ДП значительно ниже ЦВ и плечо остойчивости веса получается положительным.

У килевой яхты благодаря тяжелому балластному фальшкилю центр тяжести находится достаточно низко (чаще всего - под ватерлинией или слегка выше нее). Остойчивость яхты всегда положительная и достигает максимума при крене около 90°, когда яхта лежит парусами на воде. Разумеется, такой крен может быть достигнут только на яхте с надежно закрытыми отверстиями в палубе и с самоотливным кокпитом. Яхта с открытым кокпитом может быть залита водой при гораздо меньшем угле крена (яхта класса "Дракон", например, при 52°) и пойти ко дну не успев выпрямиться.

У мореходных яхт положение неустойчивого равновесия наступает при крене около 130°, когда мачта уже находится под водой, будучи направленной, вниз под углом 40° к поверхности. При дальнейшем увеличении крена плечо остойчивости становится отрицательным, опрокидывающий момент способствует достижению второго положения неустойчивого равновесия при крене 180° (вверх килем), когда ЦТ оказывается расположенным высоко над ЦВ достаточно небольшой волны, чтобы судно приняло вновь нормальное положение - вниз килем. Известно немало случаев, когда яхты совершали полный оборот на 360° и сохраняли свои мореходные качества.

Сравнивая остойчивость килевой яхты и швертбота, можно заметить, что главную роль в создании восстанавливающего момента у швертбота играет остойчивость формы, а у килевой яхты - остойчивость веса. Поэтому и существует столь заметная разница в обводах их корпусов: швертботы имеют широкие корпуса с L/B == 2,6-3,2, со скулой малого радиуса и большой полнотой ватерлинии. В еще большей степени форма корпуса определяет остойчивость катамаранов, у которых объемное водоизмещение разделено поровну между двумя корпусами. Уже при небольшом крене водоизмещение между корпусами резко перераспределяется, увеличивая силу плавучести корпуса, погружающегося в воду (рис. 6). Когда другой корпус выходит из воды (при крене 8-15°), плечо остойчивости достигает максимальной величины - оно немного меньше половины расстояния между ДП корпусов. При дальнейшем увеличении крена катамаран ведет себя подобно швертботу, экипаж которого висит на трапеции. При крене 50-60° наступает момент неустойчивого равновесия, после чего остойчивость катамарана становится отрицательной.

Диаграмма статической остойчивости. Очевидно, что полной характеристикой остойчивости яхты может быть кривая изменения восстанавливающего момента Мв в зависимости от угла крена или диаграмма статической остойчивости (рис. 7). На диаграмме хорошо различимы моменты максимума остойчивости (Ж) и предельного угла крена, при котором судно, будучи предоставлено само себе, опрокидывается (3 -угол заката диаграммы статической остойчивости).

С помощью диаграммы капитан судна имеет возможность оценивать, например, способность яхты нести ту или, иную парусность при ветре определенной силы.Для этого на диаграмму остойчивости наносят кривые изменения кренящего момента Мкр в зависимости от угла крена . Точка Б пересечения обеих кривых указывает на угол крена, который получит яхта при статическом, с плавным нарастанием действии ветра. На рис. 7 яхта получит крен, соответствующий точке Д, - около 29°. Для судов, имеющих явно выраженные нисходящие ветви диаграммы остойчивости (швертботов, компромиссов и катамаранов), плавание может, быть допущено только при углах крена, не превышающих точки максимума на диаграмме остойчивости.

На практике экипажам яхт приходится нередко иметь дело с динамическим действием внешних сил, при котором кренящий момент достигает значительной величины в сравнительно короткий промежуток времени. Такое бывает при шквале или ударе волны в наветренную скулу. В этих случаях важна не только величина кренящего момента, но и кинетическая энергия, сообщаемая судну и поглощаемая работой восстанавливающего момента.

На диаграмме статической остойчивости работа обоих моментов может быть представлена в виде площадей, заключенных между соответствующими кривыми и осями ординат. Условием равновесия яхты при динамическом воздействии внешних сил будет равенство площадей ОАБВЕ (работа Мкр) и ОБГВЕ (работа Мв). Учитывая, что площади ОБВЕ общие, можно рассматривать равенство площадей ОАБ и БГВ. На рис. 7 видно, что в случае динамического действия ветра угол крена (точка Е, около 62°) заметно превышает крен от ветра такой же силы при его статическом действии.

По диаграмме статической остойчивости может быть определен предельный динамический кренящий момент, опрокидывающий швертбот или угрожающий безопасности яхты с открытым кокпитом. Очевидно, что действие восстанавливающего момента может рассматриваться только до угла заливания кокпита или до начальной точки снижения диаграммы статической остойчивости.

Принято считать, что килевые яхты, снабженные тяжелым балластом, практически неопрокидываемы. Однако в уже упоминавшейся Фастнетской гонке 1979 г. 77 яхт были опрокинуты на угол крена более 90°, причем часть из них некоторое время (от 30 сек до 5 мин) оставалась на плаву вверх килем, а несколько яхт встали потом в нормальное положение через другой борт. Наиболее серьезными повреждениями при этом были потери мачт (на 12 яхтах), падение из своих гнезд аккумуляторов, тяжелых камбузных плит и другого оборудования. К нежелательным последствиям привело и попадание воды внутрь корпусов. Случилось это под динамическим воздействием крутой 9-10-метровой волны, профиль которой резко ломался при переходе из океана в мелководное Ирландское море, при ветре скоростью 25-30 м/с.

Факторы, влияющие на поперечную остойчивость. Таким образом, мы можем сделать определенные выводы о влиянии различных элементов проекта яхты на ее остойчивость. На малых углах крена главную роль в создании восстанавливающего момента играют ширина яхты и коэффициент полноты площади ватерлинии. Чем шире яхта и полнее ее ватерлиния, тем дальше от ДП смещается ЦВ при крене судна, тем больше плечо остойчивости формы. Диаграмма статической остойчивости достаточно широкой яхты имеет более крутую восходящую ветвь, чем узкой, - до = 60-80°.

Чем ниже расположен центр тяжести яхты, тем она остойчивее, причем влияние глубокой осадки и большого балласта сказывается практически по всей диаграмме остойчивости яхты. Занимаясь модернизацией яхты, полезно помнить простое правило: каждый килограмм под ватерлинией повышает остойчивость, а каждый килограмм над ватерлинией ухудшает ее. Особенно ощутим для остойчивости тяжелый рангоут и такелаж.

При одинаковом расположении центра тяжести яхта с избыточным надводным бортом имеет и более высокую остойчивость на углах крена более 30-35°, когда на судне с нормальной высотой борта палуба начинает входить в воду. Высокобортная яхта имеет большую величину максимального восстанавливающего момента. Это качество присуще также яхтам, имеющим водонепроницаемые рубки достаточно большого объема.

Особо следует остановиться на влиянии воды в трюме и жидкостей в цистернах. Дело не только в перемещении масс жидкостей в сторону накрененного борта; главную роль играет наличие свободной поверхности переливающейся жидкости, а именно - ее момент инерции относительно продольной оси. Если, например, поверхность воды в трюме имеетдлину l, а ширинуb, то метацентрическая высота уменьшается на величину
(9)

Особенно опасна вода в трюме, свободная поверхность которого имеет большую ширину. Поэтому при плавании в штормовых условиях воду из трюма нужно своевременно удалять.

Для уменьшения влияния свободной поверхности жидкостей в цистернах устанавливают продольные отбойные переборки, которые по ширине делят на несколько частей. В переборках делают отверстия для свободного перетекания жидкости.

Поперечная остойчивость и ходкость яхты. При увеличении крена сверх 10-12° сопротивление воды движению яхты заметно возрастает, что приводит к потере скорости. Поэтому важно, чтобы при усилении ветра яхта дольше могла нести эффективную парусность, не имея чрезмерного крена.Нередко даже на сравнительно крупных яхтах во время гонок экипаж располагается на наветренном борту, пытаясь уменьшить крен.

Насколько эффективно перемещение груза (экипажа) на один борт, нетрудно представить по простейшей формуле, которая справедлива для небольших углов (в пределах 0-10°) крена:
Mo = D * h / 57,3 tm, (10)где

  • Mo - момент, кренящий яхту на 1°;
  • D - водоизмещение яхты, т;
  • h - начальная поперечная метацентрическая высота, м.

Зная массу перемещаемого груза и расстояние нового места расположения его от ДП, можно определить кренящий момент, а разделив его на Мо, получить угол крена в градусах. Например, если на яхте водоизмещением 7 т при h=1м пять человек расположатся у борта на расстоянии 1,5 м от ДП, то создаваемый ими кренящий момент придаст яхте крен в 4,5° (или уменьшит примерно на столько же крен на другой борт).

Продольная остойчивость. Физика явлений, происходящих при продольных наклонах яхты аналогична явлениям при крене, но продольная метацентрическая высота по величине сравнима с длиной яхты. Поэтому продольные наклоны, дифферент, обычно невелики и измеряются не в градусах, а по изменениям осадки носом и кормой. И, тем не менее, если из яхты выжимают все ее возможности, нельзя не считаться с действием сил, дифферентующих яхту на нос и перемещающих центр величины, вперед (см. рис. 4). Этому можно противодействовать, перемещая экипаж в кормовую часть палубы.

Наибольшей величины дифферентующие на нос силы достигают при плавании в бакштаг; на этом курсе, особенно в сильный ветер, экипаж следует смещать, возможно, дальше в корму. На курсе бейдевинд дифферентующий момент невелик, и экипажу лучше всего располагаться близ миделя, откренивая судно. На фордевинде дифферентующий момент оказывается меньше, чем на бакштаге, особенно если яхта несет спинакер и блупер, дающие определенную подъемную силу.

У катамаранов величина продольной метацентрической высоты сравнима с поперечной, иногда меньше нее. Поэтому действие дифферентующего момента, практически незаметное на килевой яхте, может опрокинуть катамаран, таких же главных размерений. Статистика аварий отмечает случаи опрокидывания через нос на попутных курсах крейсерских катамаранов с высокой парусностью.

Сопротивление дрейфу.

Поперечная сила Fд (см.ис. 4) не только кренит яхту, она вызывает боковой снос - дрейф под ветер. Сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она втрое превышает силу тяги, движущую яхту вперед; на галфвинде обе силы примерно равны; в крутой бакштаг (истинный ветер около 135° относительно курса яхты) движущая сила оказывается в 2- 3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа вовсе отсутствует. Следовательно, для того чтобы судно успешно продвигалось вперед курсом от бейдевинда до галфвинда, оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.

Функцию создания силы сопротивления дрейфу у современных яхт выполняют в основном шверты, плавниковые кили и рули.

Как мы уже говорили, непременным условием возникновения силы сопротивления дрейфу является движение яхты под небольшим углом к ДП - углом дрейфа. Рассмотрим, что при этом происходит в потоке воды непосредственно у киля, который представляет собой крыло с поперечным сечением в виде тонкого симметричного аэродинамического профиля (рис. 8).

Если угол дрейфа отсутствует (рис. 8, а), то поток воды, встречаясь с профилем киля в точке а, разделяется на две части. В этой точке, называемой критической, скорость потока равна О, давление максимальное, равное скоростному напору
( * v**2) / 2, где

  • - массовая плотность воды (для пресной воды = 102 кгс**2 / м**4);
  • V - скорость движения яхты (м/с).

И верхняя и нижняя части потока одновременно обтекают поверхности профиля и вновь встречаются в точке b на выходящей кромке. Очевидно, что никакой силы, направленной поперек потока, на профиле возникнуть не может; будет действовать только одна сила сопротивления трения, обусловленная вязкостью воды.

Если же профиль отклонить на некоторый угол атаки a (в случае яхтенного киля - угол дрейфа), то картина обтекания профиля изменится (рис. 8, б). Критическая точка a переместится на нижнюю часть "носика" профиля. Путь, который должна пройти частица воды вдоль верхней поверхности профиля, удлинится, а точкаb1, где по условиям неразрывности потока должны были бы встретиться частицы, обтекающие верхнюю и нижнюю поверхности профиля, пройдя равный путь, оказывается на верхней поверхности. Однако при огибании острой выходящей кромки профиля нижняя часть потока срывается с кромки в виде вихря (рис. 8, в и г). Этот вихрь, называемый стартовым, вращаясь против часовой стрелки, вызывает циркуляцию воды вокруг профиля в обратном направлении, т. е. по часовой стрелке (рис. 8, д). Данное явление, вызванное силами вязкости, аналогично вращению большого зубчатого колеса (циркуляция), находящегося в зацеплении с малой ведущей шестерней (стартовый вихрь).

После того как возникает циркуляция, стартовый вихрь срывается с выходящей кромки, точка b2 перемещается ближе к этой кромке, вследствие чего здесь больше не существует разности скоростей, с которыми крыло покидают верхняя и нижняя части потока. Циркуляция же вокруг крыла становится причиной возникновения подъемной силы Y, направленной поперек потока: у верхней поверхности крыла скорость частиц воды за счет циркуляции увеличивается, у нижней, встречаясь с частицами, вовлеченными в циркуляцию,- затормаживается. Соответственно у верхней поверхности давление понижается по сравнению с давлением в потоке перед крылом, а у нижней поверхности - повышается. Разность давлений и дает подъемную силу Y.

Кроме того, на профиль будет действовать сила лобового (профильного) сопротивления X, возникающая вследствие трения воды о поверхность профиля и гидродинамического давления на его переднюю часть.

На рис. 9 представлены результаты замера давления у поверхности симметричного профиля, сделанного в аэродинамической трубе. По оси ординат отложено значение коэффициента Ср, который представляет собой отношение избыточного давления (полное давление минус атмосферное) к скоростному напору ( * v**2) / 2. На верхней стороне профиля давление отрицательное (разрежение), на нижней - положительное. Таким образом, подъемная сила, действующая на любой элемент профиля, складывается из действующих на него сил давления и разрежения, а в целом она пропорциональна площади, заключенной между кривыми распределения давления по хорде профиля (на рис. 9 заштриховано).

Данные, представленные на рис. 9, позволяют сделать ряд важных выводов о работе яхтенного киля. Во-первых, главную роль в создании боковой силы играет разрежение, возникающее на поверхности плавника со стороны наветренного борта. Во-вторых, пик разрежения располагается вблизи входящей кромки киля. Соответственно точка приложения результирующей подъемной силы находится на передней трети хорды плавника. В целом же подъемная сила возрастает вплоть до угла атаки 15-18°, после чего внезапно падает.

Вследствие образования завихрения на стороне разрежения плавное обтекание крыла нарушается, разрежение падает и происходит срыв потока (это явление более подробно рассмотрено в гл. 2 для парусов). Одновременно с увеличением угла атаки возрастает лобовое сопротивление - оно достигает максимума при a=90°.

Величина дрейфа современной яхты редко превышает 5°, так что срыв, потока с киля можно не опасаться. Однако критический угол атаки должен учитываться для яхтенных рулей, которые проектируются и работают также по принципу крыла.

Рассмотрим основные параметры яхтенных килей, которые оказывают существенное влияние на их эффективность в создании силы сопротивлению дрейфу. В равной степени изложенное далее можно распространить и на рули с учетом того, что они работают со значительно большим углом атаки.

Толщина и форма поперечного сечения киля. Испытания симметричных аэродинамических профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде b) дают большую подъемную силу. Их лобовое сопротивление выше, чем у профилей с меньшей относительной толщиной. Оптимальные результаты могут быть получены приt/b = 0,09-0,12. Величина подъемной силы на таких профилях сравнительно мало зависит от скорости яхты, поэтому кили развивают достаточную силу сопротивления дрейфа и в слабый ветер.

Существенное влияние на величину силы сопротивления дрейфу оказывает положение максимальной толщины профиля по длине хорды. Наиболее эффективными оказываются профили, у которых максимальная толщина расположена на расстоянии 40-50% хорды от их "носика". Для яхтенных рулей, работающих под большими углами атаки, используют профили с максимальной толщиной, расположенной несколько ближе к передней кромке, - до 30% хорды.

Определенное влияние на эффективность киля оказывает форма, "носика" профиля - радиус округления входящей кромки. Если кромка слишком острая, то набегающий на киль поток получает здесь большое ускорение и срывается с профиля в виде вихрей. При этом происходит падение подъемной силы, особенно существенное при больших углах атаки. Поэтому подобное заострение входящей кромки недопустимо для рулей.

Аэродинамическое удлинение. У концов крыла обнаруживается перетекание воды из области повышенного давления на спинку профиля. В результате с концов крыла срываются вихри, образующие две вихревые дорожки. На их поддержание затрачивается довольно значительная часть энергии, образуя так называемоеиндуктивное сопротивление. Кроме того, вследствие выравнивания давлений у концов крыла происходит местное падение подъемной силы, как это показано на эпюре распределения ее по длине крыла на рис.10.

Чем короче длина крыла L по отношению к его хорде b, т. е. чем меньше его удлинение L/b, тем относительно больше потеря подъемной силы и тем больше индуктивное сопротивление. В аэродинамике принято оценивать удлинение крыла по формуле
= L**2 / S
(
где S-площадь крыла), которая может быть применена для крыльев и плавников любых очертаний. При прямоугольной форме аэродинамическое удлинение равно соотношению = L / b; для треугольного крыла = 2 * L / b.

На рис. 10 показано крыло, составленное из двух трапециевидных плавниковых килей. На яхте киль крепится широким основанием к днищу, поэтому здесь перетекание воды на сторону разрежения отсутствует и под влиянием корпуса давления на обоих поверхностях выравнивается. Без этого влияния можно было бы считать аэродинамическое удлинение вдвое большим, чем отношение глубины киля к его осадке. На практике же это отношение, зависящее от размеров киля, обводов яхты и угла крена превышается только в 1,2-1,3 раза.

Влияние аэродинамического удлинения киля на величину развиваемой им силы сопротивления дрейфу Rд можно оценить по результатам испытаний плавника, имеющего профиль NACA 009 (t/b= 9%) и площадь 0,37м2 (рис. 11). Скорость потока соответствовала скорости движения яхты 3 узла (1,5 м/с). Интерес представляет изменение силы сопротивления дрейфу при угле атаки 4-6°, что соответствует углу дрейфа яхты на курсе бейдевинд. Если принять силу Rд при удлинении = 1за единицу (6,8 при a =5°), то при увеличении до 2 сопротивление дрейфу увеличивается более чем в 1,5 раза (10,4 кг), а при = 3 -ровно вдвое (13,6 кг). Этот же график может служить для качественной оценки эффективности рулей различного удлинения, которые работают в области больших углов атаки.

Таким образом, увеличивая удлинение плавника киля, можно получить необходимую величину боковой силы Rд при меньшей площади киля и, следовательно, при меньшей площади смоченной поверхности и сопротивлении воды движению яхты. Удлинение килей на современных крейсерско-гоночных яхтах составляет в среднем = 1-3. Перо руля, служащее не только для управления судном, но и являющееся составным элементом в создании сопротивления яхты, имеет еще большее удлинение, приближающееся к = 4.

Площадь и формы киля. Чаще всего размеры киля определяют по статистическим данным, сравнивая проектируемую яхту с хорошо зарекомендовавшими себя судами. На современных крейсерско-гоночных яхтах с раздельным от киля рулем суммарная площадь киля и руля составляет от 4,5 до 6,5% площади парусности яхты, а площадь руля - 20-40% площади киля.

Для получения оптимального удлинения конструктор яхты стремится принять осадку наибольшей допускаемой по условиям плавания или правилами обмера. Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой. Как показали исследования, для яхтенных килей, имеющих удлинение от 1 до 3, угол между передней кромкой и вертикалью в пределах от -8° до 22,5° практически не влияет на гидродинамические характеристики киля. Если киль (или шверт) очень узкий и длинный, то наклон передней кромки более 15° к вертикали сопровождается отклонением линий тока воды вниз по профилю - по направлению к нижнему заднему углу. Вследствие этого падает подъемная сила и возрастает лобовое сопротивление киля. В данном случае оптимальный угол наклона составляет 5° к вертикали.

На величину подъемной силы, развиваемой килем и рулем, значительно влияет качество отделки его поверхности, особенно передней кромки, где формируется поток, обтекающий профиль. Поэтому рекомендуется полировать киль и руль на расстоянии не менее 1,5% хорды профиля.

Скорость яхты. Подъемная сила на любом крыле определяется по формуле:
Y = Cу * ( * v**2 / 2) * S, кгс, (11) где

  • Су- коэффициент подъемной силы, зависящий от параметров крыла - формы профиля, удлинения, очертаний в плане, а также от угла атаки - с увеличением угла атаки он возрастает;
  • - массовая плотность воды, кгс**2/м**4;
  • v - скорость потока, обтекающего крыло, м/с;
  • S - площадь крыла, м2.

Таким образом, сила сопротивления дрейфу - величина переменная, пропорциональная квадрату скорости. В начальный момент движения яхты, например, после поворота оверштаг, когда судно теряет ход, или при отходе от бона в прижимной ветер, подъемная сила на киле невелика. Для того чтобы сила Y сравнялась с силой дрейфа Fd, киль должен расположиться к набегающему потоку под большим углом атаки. Иными словами, судно начинает движение с большим углом дрейфа. По мере набора скорости угол дрейфа уменьшается, пока не достигнет своей нормальной величины - 3 - 5°.

Это обстоятельство должен учитывать капитан, предусматривая достаточно места с подветра при разгоне яхты или после поворота на новый галс. Большой начальный угол дрейфа необходимо использовать для скорейшего набора скорости, слегка потравив шкоты. Кстати, благодаря этому уменьшается сила дрейфа на парусах.

Необходимо также помнить механику возникновения подъемной силы, которая появляется на киле только после отрыва стартового вихря и развития устойчивой циркуляции. На узком киле современной яхты циркуляция возникает быстрее, чем на корпусе яхты с навесным на киле рулем, т. е. на крыле с большой хордой. Вторая яхта больше сдрейфует под ветер, прежде чем корпус начнет эффективно препятствовать дрейфу.

Управляемость.

Управляемостью называется качество судна, позволяющее ему следовать по заданному курсу или изменять направление движения. Управляемой может считаться только та яхта, которая реагирует нужным образом на перекладку руля.

Управляемость объединяет два свойства судна - устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - это способность яхты удерживать заданное прямолинейное направление движения при действии на нее различных внешних сил: ветра, волнения и т. п. Устойчивость на курсе зависит не только от конструктивных особенностей яхты и характера действия внешних сил, но и от реакции рулевого на отклонение судна от курса, его чутья руля.

Обратимся вновь к схеме действия внешних сил на паруса и корпус яхты (см. рис. 4). Решающее значение для устойчивости яхты на курсе имеет взаимное расположение двух пар сил. Кренящая сила Fд и сила сопротивления дрейфу Rд стремятся увалить нос яхты под ветер, в то время как вторая пара - сила тяги Т и сопротивление движению R приводит яхту к ветру. Очевидно, что реакция яхты зависит от соотношения величины рассматриваемых сил и плеч а и b, на которых они действуют. При увеличении угла крена плечо приводящей пары b также увеличивается. Плечо уваливающей пары, а зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП) - точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам и центра бокового сопротивления (ЦБС) - точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты. Положение этих точек изменяется в зависимости от многих факторов: курса яхты относительно ветра, формы и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.

Поэтому при проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которыми являются паруса, поставленные в диаметральной плоскости яхты, и подводные очертания ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 12).

Известно, что центр тяжести треугольного паруса располагается на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов находится на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Обычно, в расчет принимается не фактическая площадь стакселя, а обмерная площадь переднего парусного треугольника.





©2015-2017 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Обратная связь

ТОП 5 активных страниц!