Чтобы иметь возможность определить мореходные качества яхты и ясно представить себе форму ее корпуса, вычерчивают так называемый теоретический чертеж яхты — изображение внешней формы судна в трех проекциях (рис. 85):
|
| Рис. 85. Теоретический чертеж килевой яхты класса «Темпест» |
бок — изображение корпуса сбоку;
полуширота — изображение корпуса сверху *;
корпус — изображение судна спереди и сзади.
Если пересекать судно горизонтальными плоскостями, то получатся линии, изображаемые на боку и корпусе прямыми, а на полушироте — кривыми. Эти половина корпуса, почему эта проекция и называется полушнротои, линии называются сечениями по ватерлиниям или просто ватерлиниями.
Различают конструктивную ватерлинию (КВЛ), до которой яхта сидит без груза, в обмерном состоянии, и грузовую (ГВЛ), до которой судно сидит в воде в груженом состоянии, а также подводные и надводные ватерлинии. По ватерлинии в известной степени можно определить характер обтекания судна водой.
При пересечении корпуса вертикальными плоскостями получатся линии, изображаемые на полушироте и боку прямыми, а на корпусе — кривыми. Они называются сечениями по шпангоутам, или просто шпангоутами. Так как яхта симметрична относительно диаметральной плоскости, то на корпусе изображают только половинки шпангоутов: справа— носовые, слева — кормовые. Шпангоуты определяют форму судна при его изготовлении, так как обшивку накладывают на лекала — деревянные рамы, вырезанные по теоретическим сечениям — шпангоутам. Среди шпангоутов выделяют мидель-шпангоут, находящийся на середине длины по ГВЛ. Иногда так называют самый большой по площади подводной части шпангоут (обычно он и самый широкий).
|
| Рис. 86. Линии теоретического чертежа на корпусе яхты |
Если рассекать корпус плоскостями, параллельными диаметральной плоскости яхты, то на чертеже получатся линии, изображаемые на полушироте и корпусе прямыми, а на боку — кривыми. Эти линии называют батоксами. Кроме того, корпус рассекают плоскостями, наклонными к диаметральной плоскости, и получают линии, называемые диагоналями или рыбинами. Диагонали изображаются по полушироте снизу.
Все линии теоретического чертежа должны быть плавными, а положения точек согласованы во всех проекциях.
Глиссирование
Судно поддерживается на воде силами плавучести. Когда оно неподвижно, силы плавучести равны его весу. При движении частицы воды оказывают давление на днище. Наиболее заметным проявлением этого давления является гидродинамическое сопротивление, при котором появляется сила, направленная в сторону, противоположную направлению движения судна. Есть и другие силы. Одна из них — гидродинамическая сила поддержания — появляется вследствие давления воды на поверхность днища.
|
| Рис. 87. Давление воды на движущуюся плоскую пластинку |
Возникает она следующим образом (рис. 87). Представим себе пластинку, движущуюся по воде под некоторым углом к ее поверхности. Очевидно, вода будет оказывать давление на поверхность пластинки вследствие ударов частиц воды о нее. Сила давления R примерно перпендикулярна плоскости пластинки. Силу R можно разложить на две: силу X, направленную горизонтально, и силу У, направленную вертикально. Сила Х — это сопротивление движению пластинки, а сила У—гидродинамическая сила поддержания.
Вот почему водные лыжи, плавучесть которых ничтожна, превосходно удержат человека. Если сравнить два способа передвижения человека по воде — например, на гребной лодке и на водных лыжах, — то они принципиальны различны. В одном случае поддержание на поверхности воды происходит исключительно за счет архимедовой силы плавучести (лодка), во втором—только за счет гидродинамической силы поддержания (водные лыжи).
В теории корабля первый способ поддержания на воде называют плаванием, второй — скольжением, или глиссированием. Поэтому суда, которые при движении по воде поддерживаются главным образом силами плавучести, называются водоизмещающими, а суда, которые держатся на воде за счет гидродинамической силы, — скользящими или глиссирующими.
Известно, что водоизмещающее судно может увеличивать скорость только в результате увеличения мощности своего двигателя, причем возрастание мощности примерно пропорционально кубу скорости. Это значит, что если катер водоизмещающего типа имеет скорость хода 6 узлов при мощности мотора 10 л. с., то для достижения скорости 12 узлов надо поставить мотор в восемь раз мощнее — 80 л. с., а для достижения скорости до 18 узлов (если все еще сохраняется водоизмещающий режим) понадобится мотор уже в 270 л. с. Поэтому до появления глиссирующих судов скорости на воде были ограничены. Так как сопротивление при глиссировании растет значительно медленнее, чем при плавании, то с появлением глиссеров стало возможно достигать скорости на воде 350— 400 км/час и более.
Еще несколько лет назад считали, что яхта не может глиссировать. Во-первых, она является типичным водоизмещающим судном; а во-вторых, парус развивает недостаточную мощность, чтобы заставить ее глиссировать. Однако в последние годы термины «глиссирующий швертбот», «глиссирующая яхта», «глиссирование» стали обычными. Более того, неглиссирующие швертботы сохранились только в крейсерско-гоночных классах, а современные гоночные швертботы почти все глиссирующие.
Изучение движения судов на воде показало, что при движении с малыми скоростями гидродинамические силы поддержания очень малы и практически не оказывают влияния на судно. С ростом скорости гидродинамические силы увеличиваются и начинают понемногу выталкивать судно из воды, оно как бы всплывает. Если скорость еще больше возрастет, то в конце концов судно совершенно выйдет из воды и будет держаться на ее поверхности только благодаря действию гидродинамических сил поддержания.
С увеличением этих сил осадка корпуса уменьшается, уменьшается и смоченная поверхность; следовательно, величина сопротивления движению возрастает в значительно меньшей степени, чем при режиме плавания. Поэтому при больших скоростях глиссирующее судно оказывает сопротивление движению меньше, чем водоизмещающее.
Мы знаем, что скорость 5—6 узлов обычна для малых парусных судов, однако в подавляющем большинстве случаев они очень далеки от глиссирования, и мы почти не замечаем действия гидродинамических сил поддержания.
Каким же образом заставить парусное судно глиссировать?
Рассмотрим те условия, которые способствуют глиссированию моторных судов. Их три:
— наличие достаточной мощности на единицу веса судна, то есть высокое отношение мощности двигателя к весу судна;
— особые формы корпуса с большими плоскими поверхностями, создающими достаточно большую гидродинамическую силу поддержания;
— малый вес судна.
Мощность парусов зависит от трех факторов: скорости ветра, площади парусности и курса яхты относительно ветра. Не затрагивая влияния скорости ветра и курса яхты, остановимся на влиянии площади парусности. Поскольку мощность парусов пропорциональна их площади, то отношению мощности двигателя к весу моторного судна будет соответствовать отношение площади парусности к весу яхты. Существует мнение, что глиссирование парусного судна возможно при условии, если его парусность не менее 40 м2 на каждую тонну водоизмещения. Уверенное глиссирование требует несколько большей нагруженности парусами — 45—50 м2 на тонну: «Летучий голландец» отлично глиссирует при нагрузке 50 м2 на тонну, а «Финн», имея около 45 м2 на тонну, глиссирует несколько хуже.
Но даже если поставить очень большую парусность на маленький швертбот, он не обязательно будет глиссировать. Надо еще, чтобы глиссирующий швертбот был очень остойчив благодаря форме корпуса и открениванию.
Специальные формы корпуса способствуют глиссированию. Типичный глиссирующий швертбот или килевая яхта должны иметь острые носовые и плоские кормовые обводы с длинной и сравнительно широкой кормовой частью (рис. 85).
Глиссирование возможно главным образом на полных курсах, ибо на лавировке трудно удержать судно от сильного крена из-за большого давления на паруса. Кроме того, нужен достаточно сильный ветер, ибо мощность, развиваемая парусами, пропорциональна кубу скорости ветра. Глиссирование возможно при силе ветра не менее 4 баллов. Волнение способствует переходу на глиссирование, так как при скольжении по склону волны скорость яхты увеличивается.
Глиссирующие суда должны иметь минимальную смоченную поверхность, чтобы сопротивление трения было меньше. В итоге легче достигаются скорости, при которых начинается движение на переходном от плавания к глиссированию режиме.
Кратко подытожим сказанное. Для того чтобы парусная яхта глиссировала, необходимо, чтобы она:
— на полном курсе при ветре около 4 баллов легко достигала скорости 5— 5,5 узлов, при которой небольшой швертбот переходит от плавания к глиссированию;
— была достаточно легкой и несла достаточную парусность, не меньше 40— 50 м2 на каждую тонну веса судна в гоночном состоянии, то есть с экипажем;
— имела достаточную остойчивость, обеспеченную формой и шириной корпуса или применением «летучей трапеции»;
— имела специальные обводы с плоч скими поверхностями в кормовой части, которые при глиссировании обладают хорошей несущей способностью;
— имела минимальную смоченную поверхность корпуса.
Кроме того, необходим сильный ветер и правильное управление судном. Глиссирующие швертботы с парусностью 12—20 м2 достигают скорости 12— 15 узлов при обычной скорости глиссирования 10—11 узлов, в то время как для водоизмещающих яхт и швертботов подобного размера такие скорости совершенно нереальны.
* Так как судно симметрично относительно диаметральной плоскости, то изображается только половина корпуса, поэтому эта проекция и называется полуширотной.
Ветер
Ветер характеризуется двумя основными элементами: направлением, в котором перемещается воздух, и скоростью, с которой происходит это перемещение. Направление ветра в морской практике принято означать той частью горизонта, откуда он дует. Таким образом, ветер, при котором воздух перемещается с юга на север, будет южным. Скорость его обычно определяют в метрах в секунду или в узлах.
|
| Рис. 88. Схема дневного и ночного бризов |
Практически для определения скорости ветра учитывают производимое им действие, измеряя таким образом его силу, и уже по ней судят о скорости. Так, в шкале Бофорта (см. приложение 3) приводится таблица, где сила ветра определяется в баллах, и дается соответствующая ей скорость в м/сек, а также внешние признаки действия ветра.
Таким образом, можно говорить о силе ветра во столько-то баллов, но нельзя сказать, что сила ветра 5 м/сек, или 10 узлов.
На яхте скорость ветра измеряют с помощью анемометра. Ручной анемометр (наиболее распространенного типа) состоит из вертушки и системы зубчатых колес, связанных со стрелками. Для определения скорости ветра его укрепляют на торце двух-трехметрового шеста, записывают отсчет стрелок и, установив на открытом месте, включают с помощью тонкого шнурка. Одновременно пускают секундомер. Через 100 сек., также с помощью шнурка, анемометр останавливают и записывают отсчет. Разность отсчетов, деленная на 100, даст скорость ветра в м/сек. Для более точного измерения полученную скорость ветра нужно умножить на поправочный коэффициент из специальной таблицы, приложенной к аттестату анемометра.
На яхтах часто используют анемометры типа АРИ-49, которые сразу показывают скорость ветра в м/сек.
Ветер только при небольших скоростях (до 4 м/сек) спокойный — частицы воздуха перемещаются по параллельным траекториям. При скорости свыше 4 м/сек воздушный поток приобретает завихренный (турбулентный) характер, при котором пути отдельных струй воздуха пересекаются и становятся весьма сложными.
В силу вихревого строения направление и скорость воздушных струй в каждой точке воздушного потока непрерывно меняются. Резкие изменения скорости ветра называются порывами. Сильный ветер более порывист, чем слабый.
Ветер с резкими, значительными по силе порывами, продолжающимися несколько минут подряд, называется шквалистым, а резкое увеличение скорости и направления ветра в течение небольшого промежутка времени на фоне более слабого ветра, а иногда и штиля, называется шквалом.
|
| Рис. 89. Изменение скорости ветра с высотой |
Ветер, направление которого часто меняется, называется неустойчивым. Наиболее неустойчивы слабые ветры. Хотя неустойчивость ветра и возрастает с увеличением средней скорости, но при сильном ветре она не так заметна и меньше сказывается на работе парусов, чем при слабом.
Образование ветра обусловливается перемещением воздушных масс из областей с высоким атмосферным давлением в область низкого с отклонением до 60° в северном полушарии вправо, а в южном — влево. Отклонение перемещающихся масс воздуха вызывается вращением Земли. Поскольку у экватора всегда существует более низкое атмосферное давление, над океанами дуют постоянные ветры: северо-восточные пассаты — в северном полушарии и юго-восточные — в южном, распространяющиеся до 26—35-й параллели.
Периодическое (годовое) изменение атмосферного давления в различных областях земного шара вызывает сезонные ветры — муссоны. Зимой атмосферное давление выше над материками, летом — над океанами; поэтому зимой ветры дуют с материков на океаны, а летом — с океанов на материки, также отклоняясь вправо в северном полушарии и влево в южном. На территории Советского Союза муссоны дуют на Дальнем Востоке.
Ветры, вызываемые неодинаковым атмосферным давлением в смежных областях земной и водной поверхности, называют барическими; ветры, возникающие по местным причинам и захватывающие ограниченные районы, называются местными. К таким ветрам относятся в первую очередь бризы, практически наиболее важные для парусного спорта.
Бризы —ветры, дующие на морских (озерных) побережьях. Они меняют направление два раза в сутки: днем с 9— 10 часов утра по местному времени бриз дует с воды на сушу; после захода солнца начинается ночной бриз—с суши на воду (рис. 88). Бризы в умеренных широтах наблюдаются больше в первой половине лета.
Зона действия бриза в море и на суше не превышает 30—40 км. Бриз дует и на суше, например на границе полей и леса, где более влажный, медленно прогревающийся и медленнее остывающий лес играет роль «воды», а поля — «суши». Легко понять, что у скалистых, песчаных, безлесных берегов бриз сильнее, чем у болотистых и лесистых; это нередко приходится принимать в расчет.
Воздушный поток, соприкасаясь с поверхностью земли или воды, несколько задерживается, поэтому с высотой скорость ветра увеличивается.
На рис. 89 показан примерный график изменения скорости ветра в зависимости от высоты над уровнем моря.
Сила и направление ветра в течение дня меняются: обычно при хорошей установившейся погоде до 14—15 час. ветер усиливается, а затем начинает ослабевать. Усиливаясь, ветер обычно изменяет направление вправо, а ослабевая, — влево.
Береговая черта с препятствиями (высокий обрывистый берег, лес, близко расположенные к воде здания и т. п.) возмущает поток ветра, изменяет его направление и скорость, а также делает более завихренным. При ветре с берега высокие препятствия создают с подветренной стороны ветровую тень, и в пограничной зоне этой тени изменяются направления и скорость воздушной струи.
Высокие лесистые берега значительно ослабляют ветер. Действие леса (при ветре с берега) сказывается на расстоянии 150—200 м. У очень высоких, обрывистых берегов при ветре, дующем перпендикулярно к берегу, затишье (мертвая зона) может распространяться на несколько сот метров.
В море вдали от берега ветер более постоянен, чем в прибрежной полосе, проливах, реках.
Отметим основные особенности ветрового потока, с которыми чаще всего приходится сталкиваться на практике.
1. Когда ветер дует со стороны воды и перпендикулярно к берегу, под высоким берегом или стенкой у самой воды образуется обратный ветер, действующий на расстоянии, приблизительно равном высоте препятствия. Это хорошо видно зимой, когда у подножия препятствия с наветренной стороны не наметает снега.
2. Ветер, пересекающий наискось долину реки (пролива), отклоняется в середине долины по ее направлению.
3. При ветре со стороны высокого берега, против глубоких оврагов воздушный поток значительно увеличивает скорость и расходится веером. Особенно заметно это явление при ночном бризе.
4. Очень слабый ветер неустойчив. При затихающем ветре отдельные порывы и полосы ветра указывают направление нового ветра, который вскоре задует.
5. Сильный ветер, как правило, порывист.
6. Кучевые облака сопровождаются местным усилением слабого ветра (в пределах тени облака с наветренной стороны), мощные кучевые и грозовые— шквалом.
7. С высотой скорость ветра увеличивается. Это особенно заметно на озерах и реках с высокими, лесистыми берегами, когда при слабых ветрах яхты с более высоким вооружением имеют под берегом заметное преимущество в скорости по сравнению с яхтами с низкой парусностью. Такое явление наблюдается и в море, но в меньшей степени.
8. На озерах и больших реках в жаркие, штилевые дни ближе к полудню ветер можно найти, идя ближе к берегу. Вечером, после захода солнца, надо держаться ближе к безлесному, сухому берегу.
9. Ветер, усиливаясь, как правило, поворачивает направо, а ослабевая — налево.
Вымпельный ветер
Скорость и направление воздушного потока, встречаемого движущейся яхтой, зависят не только от истинного ветра, но и от скорости яхты.
Направление ветра по-разному воспринимается людьми, находящимися на движущейся яхте и на берегу.
При неизменном направлении ветра относительно водной поверхности направление флюгарки (вымпела) яхты будет меняться в зависимости от скорости и курса судна. Чем быстрее идет яхта, тем больше вымпел отклоняется к корме.
Направление действующего на движущуюся яхту и ее паруса ветра не совпадает с направлением истинного ветра, которое мы наблюдаем, например, по дыму заводских труб, флагам на берегу и т. п. Причина этого явления — влияние движения самой яхты на направление воздушного потока, воспринимаемого судном и его парусами.
Если в полный штиль начать буксировать яхту за катером, то паруса ее заполощут, а вымпел растянется.
В этом случае вымпел покажет так называемый курсовой ветер, равный скорости яхты и направленный в сторону, обратную ее курсу. При наличии истинного ветра вымпел расположится по направлению равнодействующей скоростей истинного и курсового ветров, показывая так называемый вымпельный ветер.
| 
|
| Рис. 90. Вымпельный ветер на разных курсах |
|
| Рис. 91. При слабом ветре вымпел отклоняется больше, чем при сильном |
Обратимся к рис. 90. В положении а яхта идет с углом истинного ветра (УВ) 45° со скоростью около 3 м/сек при ветре 8 м/сек. Скорость вымпельного ветра есть геометрическая сумма скоростей истинного и курсового ветров и в этом случае равна примерно 10 м/сек, а угол вымпельного ветра (УВВ) составляет около 32°. Скорости и углы вымпельного ветра для углов истинного ветра 90, 135 и 180° показаны на положениях б, в, г.
|
| Рис. 92. В полосе сильного ветра можно идти круче |
На острых курсах действие на яхту истинного и курсового ветров складывается, поэтому вымпельный ветер заметно ощущается даже при тихой погоде. Наоборот, на курсе фордевинд истинный ветер (направленный с кормы) и курсовой ветер (направленный с носа) взаимно противоположны, и в этом случае вымпельный ветер ощущается очень слабо. Паруса всегда ставятся в зависимости от вымпельного ветра, так как именно его скоростью и направлением определяется давление на паруса.
Известно, что скорость яхты растет медленнее, чем скорость истинного ветра. Следовательно, разница между углами ветра истинного и вымпельного уменьшается с увеличением скорости ветра. В этом легко убедиться. Рассмотрев рис. 90 и 91, мы можем сделать следующие выводы:
— работа парусов яхты определяется не истинным, а вымпельным ветром;
— вымпельный ветер на всех курсах, кроме курса фордевинд, всегда острее, чем истинный;
— скорость вымпельного ветра на острых курсах всегда больше, а на полных меньше скорости истинного,
|
| Рис. 93. Изменение вымпельного ветра с высотой |
— при сильных ветрах отношение скорости судна к скорости ветра меньше, чем при слабых. Поэтому скорость вымпельного ветра при слабых ветрах гораздо больше отличается от скорости истинного ветра. Это практически используют при так называемой лавировке на фордевинд, когда выгоднее идти по ломаной линии и галсами в бакштаг, чем по прямой курсом фордевинд. На буерах, катамаранах и глиссирующих судах, скорость которых увеличивается почти пропорционально скорости ветра (в известных пределах), лавируют на фордевинд и при средних ветрах.
Изменение скорости истинного ветра при лавировке заставляет изменять курс для сохранения оптимального угла вымпельного ветра. Каждому яхтсмену известно, что при порывах ветра можно идти круче к истинному ветру, а при ослаблении его приходится уваливать. Обратимся к рис. 92, на котором U— вектор истинного ветра, V — вектор курсового ветра (скорость яхты), W —вектор вымпельного ветра, и ab — оптимальный угол вымпельного ветра, обеспечивающий наивыгоднейшую скорость лавировки.
Допустим, яхта попала в полосу более сильного ветра того же направления, вектор которого на рисунке обозначен U1. Она вначале по инерции будет идти с прежней скоростью V, а вектор вымпельного ветра окажется равным W1, и направление его отойдет от курса яхты еще на угол Да. Таким образом, сохраняя оптимальный угол вымпельного ветра аь, можно привестись на величину угла Да. Увеличение скорости ветра, в свою очередь, несколько увеличит скорость яхты, и придется чуть-чуть увалиться, и все же курс будет круче первоначального. При ослаблении ветра — противоположная картина: надо уваливаться.
Теперь представим себе, что в полный штиль яхту (без парусов) несет быстрое течение. Очевидно, как и при буксировке, судно встретит поток воздуха, скорость которого равна скорости течения воды, но направленной в противоположную сторону. Таким образом, течение воды, сообщая яхте движение относительно воздуха, также влияет на вымпельный ветер, а следовательно, и на крутизну лавировки следующим образом:
— при лавировке по течению вымпельный ветер усилится и угол его будет больше, чем при отсутствии течения;
значит, яхта может идти круче, а снос течением увеличит ее скорость относительно берега:
— при лавировке против течения вымпельный ветер уменьшится и угол его будет меньше. Яхте придется идти полнее (относительно истинного ветра), а течение будет уменьшать ее скорость относительно берегов.
В заключение остановимся на одном очень важном с точки зрения работы паруса моменте. Напомним, что с высотой скорость ветра возрастает. Если построить параллелограммы скоростей ветра на разных высотах паруса (рис. 93), можно видеть, что при скорости яхты 3,5 м/сек и угле истинного ветра 45° скорость вымпельного ветра с увеличением высоты от 2 до 12 м возрастает с 7.8 до 10 м/сек. При этом угол вымпельного ветра (УВВ) увеличивается от 25 до 30°.
Вот почему парус необходимо кроить так, чтобы для сохранения оптимального угла атаки он несколько закручивался снизу вверх, с «отвалом» задней шкаторины под ветер. Надо сказать, что эта закрутка, естественно, может быть больше при слабых ветрах, чем при сильных.