СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Наши яхты ходят быстро без нас. Мы только тормозим их движение. Чтобы помехи были меньшими, надо знать теорию вопроса.

Движение яхты происходит благодаря тому, что ветер взаимодействует с парусом. Анализ этого взаимодействия приводит к неожиданным, для многих новичков, результатам. Оказывается, что максимальная скорость достигается, вовсе не когда ветер дует точно сзади, а пожелание «попутного ветра» несет в себе совершенно неожиданный смысл. Парус при взаимодействии с потоком воздуха создают подъемную силу, следовательно, для оптимизации работы можно применить теорию крыла.

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ВЕТРА

Воздушный поток обладает кинетической энергией и, взаимодействуя с парусами, способен двигать яхту. Работа паруса описывается законом Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к уменьшению давления. При перемещении в воздушной среде парус разделяет поток. Часть его обходит с наветра, часть с подветра. Парус спроектирован так, что воздушный поток, проходящий с подветренной стороной крыла движется быстрее, чем поток, который проходит с наветренной. Результат - давление с подветра значительно ниже, чем с наветра. Разница давления и есть подъемная сила паруса. Парус может двигать яхту только в том случае, если находится под некоторым углом к потоку и отклоняет его. Согласно классической теории крыла подъемная сила возникает исключительно в результате разницы скоростей потока над и под ассиметричным крылом. Вместе с тем хорошо известно, что и симметричное крыло способно создавать подъемную силу, если установлено под определенным углом к потоку. В обоих случаях угол между линией соединяющей переднюю и заднюю точки крыла и направлением потока, называется углом атаки.

Подъемная сила увеличивается с увеличением угла атаки, однако эта зависимость работает только при небольших значениях этого угла. Как только угол атаки превышает некий критический уровень и происходит срыв потока, на верхней поверхности крыла образуются многочисленные вихри, а подъемная сила резко уменьшается (рис. 1в).

Парус, находясь под углом к воздушному потоку, отклоняет его (рис. 1г). Идущий через «верхнюю», подветренную сторону паруса, воздушный поток проходит более длинный путь и, в соответствии с принципом неразрывности потока, движется быстрее, чем с наветренной, «нижней» стороны. Результат – давление с подветренной стороны паруса меньше, чем с наветренной стороны. При движении курсом фордевинд, когда парус установлен перпендикулярно к направлению ветра, степень увеличения давление с наветренной стороны больше, чем степень понижения давления с подветренной стороны, другими словами ветер больше толкает яхту, чем тянет. По мере того, как яхта будет поворачивать острее к ветру, это соотношение будет меняться. Так, если ветер дует перпендикулярно курсу яхты, увеличение давления на парус с наветренной стороны оказывает меньшее влияние на скорость, чем снижение давления с подветренной стороны. Другими словами парус больше тянет яхту, чем толкает.

Яхтсмены знают, что фордевинд далеко не самый быстрый курс. Если ветер той же силы дует под углом 90 градусов к курсу, яхта движется намного быстрее. На курсе фордевинд сила, с которой ветер давит на парус, зависит от скорости яхты. С максимальной силой ветер давит на парус стоящей без движения яхты (рис. 2а). По мере увеличения скорости давление на парус падает и становится минимальный, когда яхта достигает максимальной скорост. Максимальная скорость на курсе фордевинд всегда меньше скорости ветра. Причин тому, несколько: во-первых, трение, при любом движении некоторая часть энергии расходуется на преодоление различных сил препятствующих движению. Но главное то, что сила, с которой ветер давит на парус, пропорциональна квадрату скорости вымпельного ветра, а скорость вымпельного ветра на курсе фордевинд равна разнице скорости истинного ветра и скорости яхты.

Курсом галфвинд (под 90º к ветру) парусные яхты способны двигаются быстрее ветра. В рамках этой статьи мы не будем обсуждать особенности вымпельного ветра, отметим только, что на курсе галфвинд, сила, с которой ветер давит на паруса, в меньшей степени зависит от скорости яхты

Основным фактором, который препятствует увеличению скорости, является трение. Поэтому парусники с небольшим сопротивлением движению способны достигать скорости, намного превышающей скорость ветра, но не на курсе фордевинд. Например, буер, за счет того, что коньки обладают ничтожным сопротивлением скольжения, способен разогнаться до скорости 150 км/ч при скорости ветра 50 км/ч и даже меньше.

СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Существует довольно сложный комплекс сил, препятствующих движению яхты. Сопротивление воды перемещению корпуса. Так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к поверхности корпуса любое движение сопровождается затратой энергии на преодоление этих сил. Слой воды у самой поверхности корпуса, называется пограничным, скорость его смещения максимальна. По мере удаления от поверхности корпуса скорость смещения слоев воды уменьшается, т. е. существует градиент скорости. Затраты энергии на преодоление сопротивления воды пропорциональны площади смоченной поверхности и скорости движения.

Силы трения жидкости принципиально отличаются от сил трения между твердыми телами. Для того, чтобы уменьшить трение между поверхностями твердых тел их можно отполировать и смазать. Это уменьшит выступы на поверхности и заменит контакт между твердыми частями на контакт с молекулами смазочной жидкости. Смазка корпуса в принципе не имеет смысла, так как он движется в жидкой среде. Полировка корпуса так же не исключает необходимость разделять молекулы воды. Вывод: наиболее эффективный способ уменьшить трение, уменьшить площадь смоченной поверхности.

Формирование турбулентности - известный феномен потока. При движении с небольшой скоростью в потоке отсутствуют нарушения, завихрения, он плавный, т. е. ламинарный. По мере роста скорости потока в нем появляются смещения молекул друг относительно друга, равномерность исчезает, появляются завихрения. При достижении критического уровня количество завихрений резко увеличивается, происходит срыв потока. В результате этого разница давления с разных сторон крыла уменьшается, что приводит к исчезновению подъемной силы. В конце 19 века английский инженер Осборн Рейнольдс предложил формулу, результатом которой является безразмерная величина характеризующая момент перехода ламинарного потока в турбулентный. Оказалось, при типичной для яхт скорости около 5 узлов (2, 4 м/с) турбулентность начинается для любой яхты длиннее, чем полметра.

Обычно турбулентность увеличивает общее сопротивление в четыре - пять раз! Неровная, шероховатая поверхность приводит к тому, что турбулентность возникает раньше и выражена она ярче. Поэтому для быстроходных яхт очень важно, чтобы поверхность корпуса была гладкой. Считается достаточным, чтобы шероховатость корпуса не превышала 0, 05 мм. Обычно такой поверхности можно добиться, если ошкуренную поверхность покрыть двумя слоями хорошей краски.

Турбулентность может возникать и у поверхности паруса, но тут она оказывает меньший эффект потому, что плотность воздуха примерно в восемьсот раз меньше, чем плотность воды.

Для скорости ветра в 5 м/с, которую можно назвать типичной, турбулентность возникает при ширине паруса более 3 метров. Срыв потока для паруса тоже очень опасен. Если при движении воздушного потока вдоль поверхности паруса формируется турбулентность, разница давления по разные стороны паруса исчезает, вместе с ней исчезает и подъемная сила (тяга) паруса.

Концевые завихрения, являются еще одним фактором увеличивающим сопротивление. Они возникают на конце крыла, а у яхты на верхушке паруса или нижней части киля. Как воздух, так и вода, двигаясь вдоль паруса или киля, будут стремиться уровнять давление по разные стороны соответственно паруса или киля, смещаясь из области высокого давления в область низкого. С одной стороны, угол потока идет немного вверх, с другой немного вниз. В результате того, что на задней кромке киля или паруса потоки с обеих сторон встречаются под некоторым углом, происходит формирование вихрей, которые усиливаются с приближением к верхушке, и тут формируют концевой вихрь. Концевой вихрь приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшает его эффективную площадь и удлинение, снижает его динамическое качество.

12 Следующая ⇒