Силы на парусах

Составляющие аэродинамической силы для двух точек паруса.
Левая лодка : слабый ветер с остановившимся воздушным потоком - преобладающая составляющая сопротивления движет лодку с небольшим кренящим моментом.
Правая лодка : против ветра (бейдевинг) с присоединенным воздушным потоком - преобладающий компонент подъемной силы и толкает лодку, и способствует крену.

Точки паруса (и преобладающий компонент силы паруса для водоизмещающей лодки).
A. Вылет стрелы ( без движущей силы ) - 0-30 °
B. Малогабаритный ( подъемная сила ) - 30-50 °
C. Вылет луча ( подъемная сила ) - 90 °
D. Широкий вылет ( подъемная сила ) - ~ 135 °
E Бег ( сопротивление ) - 180 °.
Истинный ветер ( V _T ) везде на диаграмме одинаков, тогда как скорость лодки ( V _B ) и вымпельный ветер ( V _A ) меняются в зависимости от положения паруса.

Силы на парусах возникают в результате движения воздуха, который взаимодействует с парусами и дает им движущую силу для парусных судов, в том числе парусных судов , парусных лодок , виндсерферов , ледовых лодок и наземных транспортных средств с парусными двигателями . Аналогичные принципы во вращающейся системе отсчета применимы к парусам ветряных мельниц и лопастям ветряных турбин , которые также приводятся в движение ветром. Они отличаются от сил на крыльях и лопастях гребных винтов, действие которых не приспособлено к ветру. Воздушные змеи также приводят в действие некоторые парусные суда., но не используйте мачту для поддержки профиля и выходят за рамки данной статьи.

Силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, а также скорости и направления корабля. Направление, в котором движется судно относительно «истинного ветра» (направление и скорость ветра над поверхностью), называется точкой паруса . Скорость корабля в данной точке паруса влияет на « кажущийся ветер » - скорость и направление ветра, измеренные на движущемся корабле. Кажущийся ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которую можно разделить на сопротивление - составляющую силы в направлении вымпельного ветра - и подъемную силу - нормальную составляющую силы.(90 °) к вымпельному ветру. В зависимости от ориентации паруса относительно вымпельного ветра подъемная сила или сопротивление могут быть преобладающим движущим компонентом. Общая аэродинамическая сила также разделяется на поступательную, движущую, движущую силу, которой противодействует среда, через которую или над которой летит аппарат (например, через воду, воздух или лед, песок), и боковую силу, которой противодействуют подводные крылья. , ледовые полозья или колеса парусного судна.

Для углов кажущегося ветра, выровненных с точкой входа паруса, парус действует как аэродинамический профиль.а подъемная сила - преобладающий компонент движущей силы. При кажущемся угле ветра за парусом подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается как преобладающий компонент тяги. При заданной истинной скорости ветра над поверхностью парус может развивать более высокую скорость в точках паруса, когда точка входа паруса совмещена с вымпельным ветром, чем при несоосной точке входа, потому что из комбинации уменьшенной силы от воздушного потока вокруг паруса и уменьшенного вымпельного ветра от скорости корабля. Из-за ограничений скорости на воде водоизмещающие парусные лодки обычно получают мощность от парусов, создающих подъемную силу в точках паруса, включая бейдевинг с широким вылетом (примерно от 40 ° до 135 ° по ветру).Из-за низкого трения о поверхность и высоких скоростей по льду, которые создают высокие скорости кажущегося ветра для большинства точек паруса, ледовые лодки могут получать мощность от подъемной силы, находящейся дальше от ветра, чем водоизмещающие лодки.

Различные математические модели рассматривают подъемную силу и сопротивление, принимая во внимание плотность воздуха, коэффициенты подъемной силы и сопротивления, которые являются результатом формы и площади паруса, а также скорости и направления вымпельного ветра, среди других факторов. Эти знания применяются к конструкции парусов таким образом, чтобы моряки могли регулировать паруса в зависимости от силы и направления вымпельного ветра, чтобы обеспечить движущую силу парусному судну.

Обзор [ править ]

Комбинация скорости и направления парусного судна по отношению к ветру вместе с силой ветра создает вымпельную скорость ветра. Когда судно выровнено в направлении, в котором парус можно отрегулировать так, чтобы его передняя кромка была параллельна вымпельному ветру, парус действует как аэродинамический профиль, создавая подъемную силу в направлении, перпендикулярном вымпельному ветру. Компонент этого подъемника толкает судно поперек его курса, которому противодействуют киль парусника, лопасти ледовой лодки или колеса парусного судна. Важный компонент подъемной силы направлен вперед по ходу движения и приводит в движение судно.

Язык скорости и силы [ править ]

Чтобы понять обсуждаемые здесь силы и скорости, нужно понимать, что подразумевается под « вектором » и « скаляром ». Скорость ( V ), выделенная в этой статье жирным шрифтом , является примером вектора, поскольку она подразумевает как направление, так и скорость . Соответствующая скорость ( V ), обозначенная в этой статье курсивом, является скалярной величиной. Точно так же вектор силы F обозначает направление и силу , тогда как соответствующий ему скаляр ( F) обозначает только силу. Графически каждый вектор представлен стрелкой, которая показывает направление и длину, которая показывает скорость или силу. Векторы согласованных единиц (например, V в м / с или F в N ) могут быть добавлены и вычтены графически, позиционируя кончики и хвосты стрелок, представляя входные переменные и рисуя полученный производный вектор.

Компоненты силы: подъемная сила против сопротивления и движение против поперечной силы [ править ]

Подъем паруса ( L ), действующего как аэродинамический профиль , происходит в направлении, перпендикулярном падающему воздушному потоку (кажущаяся скорость V _A для головного паруса), и является результатом разницы давлений между наветренной и подветренной поверхностями и зависит от угла атаки, формы паруса, плотности воздуха и скорости вымпельного ветра. Разница в давлении возникает из-за нормальной силы на единицу площади паруса, создаваемой воздухом, проходящим вокруг него. Подъемная сила возникает из-за того, что среднее давление на наветренную поверхность паруса выше, чем среднее давление на подветренной стороне. ^[1]Эти перепады давления возникают вместе с изогнутым воздушным потоком. Поскольку воздух движется по изогнутой траектории вдоль наветренной стороны паруса, возникает градиент давления, перпендикулярный направлению потока, с более низким давлением снаружи кривой и более высоким давлением внутри. Для создания подъемной силы парус должен иметь « угол атаки » (α) между линией хорды паруса и скоростью вымпельного ветра ( V _A ). Угол атаки зависит как от точки паруса корабля, так и от того, как парус настроен по отношению к вымпельному ветру. ^[2]

По мере увеличения подъемной силы, создаваемой парусом, увеличивается и сопротивление , вызванное подъемной силой , которое вместе с паразитным сопротивлением составляет полное сопротивление ( D ). Это происходит, когда угол атаки увеличивается с дифферентом паруса или изменением курса, что приводит к увеличению коэффициента подъемной силы до точки аэродинамического сваливания , так же как и коэффициент сопротивления, вызванного подъемной силой . В начале сваливания подъемная сила резко уменьшается, как и сопротивление, вызванное подъемной силой, но сопротивление вязкого давления, составляющее паразитное сопротивление, увеличивается из-за образования отрывного потока на поверхности паруса. Паруса, за которыми идет вымпельный ветер (особенно по ветру), работают в свалившемся состоянии. ^[3]

Подъемная сила и сопротивление являются составляющими общей аэродинамической силы на парусе ( F _T ). Поскольку силам, действующим на парус, противодействуют силы, действующие в воде (для лодки) или на перемещаемой поверхности (для ледовой лодки или наземного парусного судна), их соответствующие силы также могут быть разложены из общей аэродинамической силы на движущую силу ( F _R ) и поперечной силы ( F _LAT ). Движущая сила преодолевает сопротивление поступательному движению. Боковое усилие встречает поперечное сопротивление киля, лопасти или колеса, но также создает кренящую силу.

• Разложение сил (в горизонтальном сечении), действующих на парус, создающих подъемную силу.
  F _T - это полная сила, действующая на парус при кажущемся ветре ( V _A ), показанном. Это делится на силы, воспринимаемые парусом, подъемную силу ( L ) и сопротивление ( D ), причем векторы показаны красным, а угол атаки отмечен как α.

• Силы ветра, действующие на парус парусной лодки ( L и D ) и передаваемые на лодку ( F _{R -} толкает лодку вперед - и F _{LAT -} толкает лодку вбок), в то время как бейдеводческая буксировка, оба являются компонентами общей аэродинамической силы ( F _T ).

Влияние точек плавания на силы [ править ]

Кажущийся ветер ( V _A ) - это скорость воздуха, действующая на переднюю кромку самого переднего паруса или ощущаемая приборами или экипажем движущегося парусного судна. Это векторная сумма истинной скорости ветра и составляющей вымпельного ветра, определяемой скоростью лодки ( V _A = -V _B + V _T ). В морской терминологии скорость ветра обычно выражается в узлах, а углы ветра - в градусах . Положение паруса корабля влияет на его скорость ( V _B ) для данной истинной скорости ветра ( V _T). Обычные парусные суда не могут получать энергию от ветра в "запретной" зоне, которая находится приблизительно от 40 ° до 50 ° от истинного ветра, в зависимости от судна. Точно так же скорость всех обычных парусных судов прямо по ветру ограничена истинной скоростью ветра. ^[4]

• Видимый ветер и силы на паруснике .
  По мере того, как лодка плывет дальше от ветра, вымпельный ветер становится меньше и боковая составляющая становится меньше; скорость лодки самая высокая на досягаемости луча.

• Видимый ветер на ледоколе .
  По мере того, как ледовая лодка плывет дальше от ветра, вымпельный ветер немного усиливается, и скорость лодки максимальна на большом расстоянии. Парус обшит по всем трем точкам паруса. ^[5]

Скорость парусника в воде ограничена сопротивлением, возникающим в результате сопротивления корпуса в воде. Парусные лодки на рапирах гораздо менее ограничены. Ледяные лодки обычно имеют наименьшее сопротивление движению вперед по сравнению с любыми парусными судами. Судно с более высоким сопротивлением движению вперед при заданной скорости ветра достигает более низкой скорости движения, чем ледовые лодки, которые могут двигаться со скоростью, в несколько раз превышающей истинную скорость ветра. ^[5]Следовательно, парусная лодка испытывает более широкий диапазон углов кажущегося ветра, чем ледовая лодка, скорость которой, как правило, достаточно велика для того, чтобы вымпельный ветер дул с нескольких градусов в одну сторону от ее курса, что требует плавания с парусом, закрытым в большинстве случаев. точки паруса. На обычных парусных лодках паруса установлены для создания подъемной силы в тех точках паруса, где можно совместить переднюю кромку паруса с вымпельным ветром. ^[4]

Для парусника острие паруса значительно влияет на поперечную силу. Чем выше лодка направлена ​​к ветру под парусом, тем сильнее боковая сила, которая требует сопротивления от киля или других подводных крыльев, включая кинжал, шверт, скег и руль. Боковое усилие также вызывает крен в парусной лодке, что требует сопротивления весом балласта со стороны экипажа или самой лодки, а также формой лодки, особенно с катамараном. Поскольку лодка направлена ​​против ветра, боковая сила и силы, необходимые для противодействия ему, становятся менее важными. ^[6] На ледовых лодках боковым силам противодействует поперечное сопротивление лопастей на льду и их расстояние друг от друга, что обычно предотвращает крен. ^[7]

Силы на парусных судах [ править ]

Каждое парусное судно представляет собой систему, которая мобилизует силу ветра через свои паруса, поддерживаемые лонжеронами и такелажем, которые обеспечивают движущую силу и реактивную силу от нижней части парусной лодки, включая киль, шверт, руль или другие подводные крылья, или ходовую часть. ледовой лодки или плавсредства, что позволяет держать его на курсе. Без способности мобилизовать силы реакции в направлениях, отличных от направления ветра, корабль просто плыл бы по течению перед ветром.

Соответственно, движущие силы и кренящие силы на парусном судне являются либо компонентами, либо реакциями на общую аэродинамическую силу ( F _T ) на парусах, которая является функцией скорости вымпельного ветра ( V _A ) и изменяется в зависимости от положения паруса. Составляющая поступательной движущей силы ( F _R ) влияет на скорость лодки ( V _B ), которая сама по себе является определяющим фактором скорости вымпельного ветра. При отсутствии боковых реактивных сил на F _T от киля (в воде), конькового бегуна (на льду) или колеса (на суше) судно могло бы двигаться только по ветру, а парус не мог бы развивать подъемную силу.

При стабильном угле крена (для парусника) и постоянной скорости аэродинамические и гидродинамические силы уравновешены. Общая аэродинамическая сила ( F _T ), интегрированная в парусное судно, находится в центре усилия ( CE ), который является функцией конструкции и регулировки парусов на парусном судне. Точно так же полная гидродинамическая сила ( F _l ) находится в центре бокового сопротивления ( CLR ), который является функцией конструкции корпуса и его подводных элементов (киля, руля направления, крыльев и т. Д.). Эти две силы действуют в оппозиции друг к другу с F _л реакцию на F _T . ^[8]

В то время как ледовые лодки и парусные суда благодаря своей широкой стойке и высокому трению при контакте с поверхностью сопротивляются боковым силам, парусники движутся по воде, что обеспечивает ограниченное сопротивление боковым силам. В парусной лодке противодействие боковым силам осуществляется двумя способами: ^[8]

• Leeway : Leeway - это скорость движения перпендикулярно курсу. Он постоянен, когда поперечная сила на парусе ( F _LAT ) равна поперечной силе на киле лодки и других подводных элементах ( P _LAT ). Это заставляет лодку двигаться по воде по курсу, отличному от направления, в котором лодка указывает углом ( λ ), который называется «углом отклонения».
• Крен : Угол крена ( θ ) постоянен, когда крутящий момент между центром усилия ( CE ) на парусе и центром сопротивления на корпусе ( CR ) через плечо момента ( h ) равен крутящему моменту между центром плавучести лодки. ( CB ) и его центр тяжести ( CG ) относительно плеча ( b ), описываемый как кренящий момент.

Все парусные суда достигают постоянной скорости движения вперед ( V _B ) для данной скорости ветра ( V _T ) и положения паруса, когда движущая сила вперед ( F _R ) равна силе сопротивления движению вперед ( R _l ). ^[8] Для ледовой лодки преобладающая сила сопротивления движению вперед является аэродинамической, поскольку коэффициент трения на гладком льду составляет всего 0,02. Соответственно, высокопроизводительные ледовые лодки обтекаются, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление. ^[5]

• Вид сверху.

• Суровый вид.

Компоненты силы на парусах [ править ]

Приблизительное местоположение чистой аэродинамической силы на судне с одним парусом - это центр усилия ( CE ) в геометрическом центре паруса. Наполненный ветром, парус имеет примерно сферическую форму многоугольника, и если форма устойчива, то положение центра усилия стабильно. На парусных судах с несколькими парусами положение центра усилия меняется в зависимости от плана паруса . Триммер паруса или профиль аэродинамического профиля, дифферент лодки и острие паруса также влияют на CE . ^{[6] [9]} На данном парусе чистая аэродинамическая сила на парусе находится примерно при максимальной осадке, пересекающей изгиб.паруса и проходит через плоскость, пересекающую центр усилия, перпендикулярно передней кромке (передней передней шкаторине), примерно перпендикулярно хорде паруса (прямая линия между передней кромкой (передней передней кромкой) и задней кромкой (задней кромкой)) . Чистая аэродинамическая сила по отношению к воздушному потоку обычно рассматривается в отношении направления вымпельного ветра ( V _A ) над плоскостью поверхности (океан, суша или лед) и разлагается на подъемную силу ( L ), перпендикулярную V _A , и перетащите ( D ) в соответствии с V _A. Для виндсерферов важен подъемный компонент, вертикальный к плоскости поверхности, потому что при сильном ветре паруса виндсерфера наклоняются против ветра, чтобы создать вертикальный подъемный компонент ( F _VERT ), который снижает сопротивление доски (корпуса) через воду. ^[10] Обратите внимание, что F _VERT действует вниз для лодок, отклоняющихся от ветра, но в нормальных условиях им можно пренебречь.

Трехмерное векторное соотношение для чистой аэродинамической силы по отношению к вымпельному ветру ( V _A ): ^[8]

${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {T}} = \ mathbf {L} + \ mathbf {D} + \ mathbf {F_ {VERT}}}$

Аналогичным образом чистая аэродинамическая сила может быть разложена на три направления поступательного движения относительно курса лодки по поверхности: волна (вперед / назад), раскачивание (правый борт / левый - имеет отношение к свободному ходу ) и вертикальная качка (вверх / вниз). Скалярные значения и направление этих компонентов могут быть динамическими в зависимости от ветра и волн (для лодки). ^[6] В этом случае F _T рассматривается по отношению к направлению курса лодки и разлагается на движущую силу ( F _R ) в соответствии с курсом лодки и поперечную силу ( F _LAT) перпендикулярно курсу лодки. Опять же для виндсерферов важен подъемный компонент, вертикальный к плоскости поверхности ( F _VERT ).

Трехмерное векторное соотношение для чистой аэродинамической силы по отношению к курсу над поверхностью выглядит следующим образом: ^[8]

${\displaystyle \mathbf {F_{T}} =\mathbf {F_{R}} +\mathbf {F_{LAT}} +\mathbf {F_{VERT}} }$

Значения движущей силы ( F _R ) и поперечной силы ( F _LAT ) с углом вылетающего ветра (α) при условии отсутствия крена соотносятся со значениями подъемной силы ( L ) и лобового сопротивления ( D ) следующим образом: ^[8]

${\displaystyle \ F_{R}=L\cdot sin(\alpha )-D\cdot cos(\alpha )}$

${\displaystyle \ F_{LAT}=L\cdot cos(\alpha )+D\cdot sin(\alpha )}$

Реактивные силы на парусном судне [ править ]

Реактивные силы на парусном судне включают лобовое сопротивление - гидродинамическое сопротивление парусника ( R _l ), сопротивление скольжению ледовой лодки или сопротивление качению сухопутного парусного судна в направлении движения - которые должны быть минимизированы для увеличения скорости и поперечной силы. перпендикулярно направлению движения, которое должно быть достаточно прочным, чтобы минимизировать боковое движение и направлять судно по курсу.

Прямое сопротивление включает типы сопротивления, которые препятствуют скорости парусника в воде (или скорости ледовой лодки по поверхности), включают компоненты паразитного сопротивления , состоящие в основном из сопротивления формы , которое возникает из-за формы корпуса, и поверхностного трения , которое возникает из-за трения воды (для лодок) или воздуха (для ледовых лодок и наземных парусных судов) о «кожу» корпуса, которая движется через нее. Водоизмещающие суда также подвержены волновому сопротивлению из-за энергии, которая идет на вытеснение воды в волны и ограничивается скоростью корпуса , которая является функцией длины ватерлинии. Скорость движения колесных транспортных средств подвержена трению качения.ледовые лодки подвержены кинетическому трению или трению скольжения . Паразитное сопротивление в воде или воздухе увеличивается пропорционально квадрату скорости ( V _B ² или V _A ² , соответственно); ^{[11] [12]} трение качения линейно увеличивается со скоростью; ^{[13] в} то время как кинетическое трение обычно является постоянным, ^[14] но на льду скорость может уменьшаться по мере перехода к трению со смазкой при плавлении. ^[5]

Способы уменьшения волнового сопротивления, используемые на парусных судах, включают уменьшение водоизмещения - посредством глиссирования или (как в случае с виндсерфингом), компенсирующего вес судна с помощью подъемного паруса - и точный вход , как в случае с катамаранами, где узкий корпус сводит к минимуму вытеснение воды в воду. лук волна. ^[15] Парусные катера на подводных крыльях также существенно уменьшают лобовое трение с подводным крылом, которое поднимает судно над водой. ^[16]

• Парусник международного класса Moth на пленках .

• Ледовая лодка класса DN .

• Сухопутный парусник.

Парусное судно с низким сопротивлением движению вперед может развивать высокие скорости по отношению к скорости ветра: ^[17]

• Высокопроизводительные катамараны, в том числе катамаран Extreme 40 и международный катамаран C-класса, могут двигаться со скоростью, вдвое превышающей скорость ветра. ^{[18] [19]}
• Парусные суда на подводных крыльях развивают скорость лодки, вдвое превышающую скорость ветра, как и катамараны AC72, использовавшиеся для Кубка Америки 2013 года . ^[20]
• Ледяные лодки могут двигаться со скоростью в пять раз быстрее ветра. ^{[21] [22]}

Боковое усилие - это реакция, создаваемая подводной формой парусника, лопастями ледяной лодки и колесами наземного парусного судна. Парусники опираются на кили , шверты и другие подводные крылья, включая рули, которые обеспечивают подъемную силу в поперечном направлении, чтобы обеспечить гидродинамическую боковую силу ( P _LAT ), чтобы компенсировать компонент поперечной силы, действующей на парус ( F _LAT ), и минимизировать свободу действий. ^[8] Такие крылья обеспечивают гидродинамическую подъемную силу, а для килей - балласт для компенсации крена. Они включают в себя широкий спектр дизайнерских решений. ^[23]

Силы вращения на парусном судне [ править ]

Силы на парусах, которые вносят вклад в крутящий момент и вызывают вращение относительно продольной (носовой и кормовой), горизонтальной (на траверсе) и вертикальной (наверху) осей вращения, приводят к: крену (например, крену). шаг (например, тангаж) и рыскание (например, протяжка ). Крен, который является результатом составляющей поперечной силы ( F _LAT ), является наиболее значительным вращательным эффектом общей аэродинамической силы ( F _T ). ^[8] В стазисе, кренящий момент от ветра и восстанавливающий момент от силы крена лодки ( F _H ) и ее противодействующая гидродинамическая подъемная сила на корпусе ( F _l ), разделенные расстоянием (h = "кренящий рычаг") по сравнению с его гидростатическим смещением веса ( W ) и его противодействующей выталкивающей силой ( Δ ), разделенные расстоянием ( b = "восстанавливающий рычаг"), находятся в равновесии: ^[8]

${\displaystyle h\times F_{H}=b\times \Delta =h\times F_{l}=b\times W}$
(кренящий рычаг × кренящая сила = правый рычаг × сила плавучести = кренящий рычаг × гидродинамическая подъемная сила на корпусе = правый рычаг × смещаемый вес)

Паруса бывают самых разнообразных конфигураций, которые разработаны, чтобы соответствовать возможностям парусного судна, которое они могут приводить в действие. Они спроектированы таким образом, чтобы не выходить за рамки требований к устойчивости и мощности судна, которые являются функциями конструкции корпуса (для лодок) или шасси (для наземных судов). Паруса получают энергию от ветра, который меняется во времени и с высотой над поверхностью. Для этого они предназначены для адаптации к силе ветра в различных точках паруса. Как их конструкция, так и метод управления включают средства согласования их подъемной силы и аэродинамического сопротивления с имеющимся вымпельным ветром путем изменения площади поверхности, угла атаки и кривизны.

Изменение ветра с высотой [ править ]

Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью; в то же время скорость ветра может изменяться в течение коротких периодов времени в виде порывов. Эти соображения можно описать эмпирически.

Измерения показывают, что скорость ветра ( V ( h )) изменяется по степенному закону с высотой ( h ) над ненулевой точкой отсчета высоты измерения ( h _{0 - например,} на высоте основания паруса) с использованием эталонная скорость ветра, измеренная на исходной высоте ( V ( h ₀ )), следующим образом: ^{[24] [25]}

${\displaystyle V(h)=V(h_{0})\left({\frac {h}{h_{0}}}\right)^{p}}$

Если показатель степени ( p ) имеет значения, которые были определены эмпирическим путем, в диапазоне от 0,11 над океаном до 0,31 над сушей.

Это означает, что скорость ветра V (3 м) = 5 м / с (≈10 узлов) на высоте 3 м над уровнем воды будет примерно V (15 м) = 6 м / с (≈12 узлов) на высоте 15 м над уровнем моря. вода. При ураганном ветре с V (3 м) = 40 м / с (≈78 узлов) скорость на 15 м будет V (15 м) = 49 м / с (≈95 узлов) с p = 0,128. ^[26] Это говорит о том, что паруса, которые поднимаются выше над поверхностью, могут подвергаться более сильным ветровым силам, которые перемещают центр усилия ( CE ) выше над поверхностью и увеличивают кренящий момент.

Кроме того, вымпельное направление ветра перемещается в корму с высотой над водой, что может потребовать соответствующего поворота в форме паруса для достижения присоединенного потока с высотой. ^[27]

Изменение ветра во времени [ править ]

Сюй дает простую формулу для коэффициента порыва ветра ( G ) как функции показателя степени ( p ) выше, где G - отношение скорости порыва ветра к базовой скорости ветра на заданной высоте: ^[28]

${\displaystyle G=1+2p}$

Таким образом, для данной скорости ветра и рекомендованного Сюй значения p = 0,126 можно ожидать G = 1,5 (при 10-узловом ветре может быть порыв до 15 узлов). Это, в сочетании с изменениями направления ветра, позволяет предположить, в какой степени парусное судно должно приспосабливаться к порывам ветра на заданном курсе.

Силы на парусах [ править ]

Движущая система парусного судна состоит из одного или нескольких парусов, поддерживаемых лонжеронами и такелажем, которые получают энергию от ветра и создают реактивную силу от днища парусной лодки или ходовой части ледовой лодки или наземного плавсредства. В зависимости от угла атаки набора парусов по отношению к вымпельному ветру, каждый парус обеспечивает движущую силу парусному судну либо за счет присоединенного потока с преобладающей подъемной силой, либо от отрывного потока с преобладанием сопротивления. Кроме того, паруса могут взаимодействовать друг с другом, создавая силы, которые отличаются от суммы индивидуальных вкладов каждого паруса, когда они используются по отдельности.

Преобладающий лифт (прикрепленный поток) [ править ]

Паруса позволяют парусному судну двигаться с наветренной стороны благодаря их способности создавать подъемную силу (и способности корабля противостоять возникающим боковым силам). Каждая конфигурация паруса имеет характерный коэффициент подъемной силы и сопутствующий коэффициент лобового сопротивления, которые можно определить экспериментально и рассчитать теоретически. Парусники ориентируют свои паруса с благоприятным углом атаки между точкой входа паруса и вымпельным ветром при изменении их курса. Способность генерировать подъемную силу ограничивается плаванием слишком близко к ветру, когда нет эффективного угла атаки для создания подъемной силы (вылетом стрелы), и плаванием достаточно далеко от ветра, чтобы парус не мог быть ориентирован под подходящим углом атаки (движение по ветру) . Вместо этого после критического угла атаки парус останавливается.и способствует разделению потока .

Влияние угла атаки на коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления [ править ]

Каждый тип паруса, действующий как аэродинамический профиль, имеет характеристические коэффициенты подъемной силы ( C _L ) и сопротивления подъемной силы ( C _D ) при заданном угле атаки, которые следуют той же основной форме: ^[3]

${\displaystyle C={\frac {F}{{\frac {1}{2}}\rho {V_{A}}^{2}A}}}$

Там , где сила ( F ) равно подъемная сила ( L ) для сил , измеренных перпендикулярно к воздушному потоку , чтобы определить , C = C _L или силу ( F ) равно сопротивление ( D ) для сил , измеренных в соответствии с воздушным потоком , чтобы определить , C = C _D на парусе площади ( A ) и заданном соотношении сторон (длины к средней ширине шнура). Эти коэффициенты меняются в зависимости от угла атаки ( α _j для переднего паруса) по отношению к падающему ветру ( V _Aдля переднего паруса). ^[29] Эта формулировка позволяет экспериментально определить C _L и C _D для данной формы паруса путем изменения угла атаки при экспериментальной скорости ветра и измерения силы на парусе в направлении падающего ветра ( D - тяга) и перпендикулярно к нему. это ( L - подъем). По мере увеличения угла атаки подъемная сила достигает максимума под некоторым углом; увеличение угла атаки сверх этого критического угла атаки заставляет поток на верхней поверхности отделяться от выпуклой поверхности паруса; здесь меньше отклонение воздуха на ветер, поэтому парус в качестве аэродинамического профиля создает меньшую подъемную силу. Говорят, что парус остановился .^[29] В то же время индуцированное сопротивление увеличивается с увеличением угла атаки (для переднего паруса: α _j ).

• Угол атаки : коэффициент подъемной силы ( C _L ) и коэффициент лобового сопротивления ( C _D ) и их соотношение как функция угла атаки (α) для гипотетического паруса.

• Полярная диаграмма : коэффициенты подъемной силы ( C _L ) и лобового сопротивления ( C _D ) для углов атаки, показанные для одного и того же паруса. Пунктирная линия является касательной к точке наибольшего отношения подъемной силы к сопротивлению ( C _L / C _D ).

• Соотношение сторон : полярные графики C _{L по} сравнению с C _D для изогнутых пластин одного и того же изгиба, но с разными соотношениями сторон, как показано. Значения для углов атаки 15 ° и 30 ° показаны для каждой пластины. Из исследований в аэродинамической трубе Эйфеля.

Фоссати представляет полярные диаграммы, которые связывают коэффициенты подъемной силы и сопротивления для разных углов атаки ^[8], основанные на работе Густава Эйфеля , пионера экспериментов в аэродинамической трубе с аэродинамическими профилями, которые он опубликовал в 1910 году. Среди них были исследования изогнутых пластин. Показанные результаты относятся к пластинам с различным изгибом и соотношением сторон, как показано. ^[30] Они показывают, что по мере уменьшения соотношения сторон максимальная подъемная сила смещается дальше в сторону увеличения лобового сопротивления (вправо на диаграмме). Они также показывают, что для меньших углов атаки более высокое соотношение сторон создает большую подъемную силу и меньшее сопротивление, чем при более низких соотношениях сторон.

Влияние коэффициентов подъемной силы и сопротивления на силы [ править ]

Если коэффициенты подъемной силы и сопротивления ( C _L и C _D ) для паруса при заданном угле атаки известны, то возникающие подъемная сила ( L ) и лобовое сопротивление ( D ) могут быть определены с помощью следующих уравнений, которые изменяются как квадрат вымпельной скорости ветра ( V _A ): ^{[31] [32]}

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho {V_{A}}^{2}AC_{L}}$

${\displaystyle D={\tfrac {1}{2}}\rho {V_{A}}^{2}AC_{D}}$

Гарретт демонстрирует, как эти диаграммы преобразуются в подъемную силу и сопротивление для данного паруса в разных точках паруса на диаграммах, подобных этим: ^[33]

• Бейдевинда : боковая сила самая высокая, а движущая сила самая низкая у ветра.

• Вылет : подъем, более выровненный по направлению движения, увеличивает движущую силу и уменьшает поперечную силу.

На этих схемах направление движения изменяется в зависимости от вымпельного ветра ( V _A ), который является постоянным для целей иллюстрации. В действительности, при постоянном истинном ветре вымпельный ветер будет меняться в зависимости от положения паруса. Постоянное значение V _A в этих примерах означает, что либо V _T, либо V _B изменяется в зависимости от положения паруса; это позволяет использовать ту же полярную диаграмму для сравнения с таким же преобразованием коэффициентов в единицы силы (в данном случае ньютоны ). В примерах для бейдевинда и вылета (слева и справа) угол атаки паруса ( α) по существу постоянна, хотя угол наклона стрелы над лодкой меняется в зависимости от положения паруса, чтобы сбалансировать парус, близкий к максимальной подъемной силе на полярной кривой. В этих случаях подъемная сила и сопротивление одинаковы, но разложение общей аэродинамической силы ( F _T ) на движущую силу вперед ( F _R ) и поперечную силу ( F _LAT ) зависит от положения паруса. Прямая движущая сила ( F _R ) увеличивается по мере того, как направление движения больше совпадает с ветром, а поперечная сила ( F _LAT ) уменьшается.

Ссылаясь на приведенные выше диаграммы, относящиеся к подъемной силе и сопротивлению, Гарретт объясняет, что для максимальной скорости с наветренной стороны парус должен быть подрезан до угла атаки, который больше максимального отношения подъемной силы к сопротивлению (большей подъемной силы), в то время как корпус эксплуатируется с меньшим, чем его максимальное отношение подъемной силы / аэродинамического сопротивления (большее сопротивление). ^[33]

Перетащите преобладающий (разделенный поток) [ править ]

Когда парусное судно движется по курсу, где угол атаки между парусом и вымпельным ветром ( α ) превышает точку максимальной подъемной силы на полярной диаграмме C _L - C _D , происходит разделение потока. ^[34] Разделение становится более заметным до тех пор, пока при α = 90 ° подъемная сила не становится небольшой, а сопротивление преобладает. В дополнение к парусам, используемым против ветра, спинакеры обеспечивают площадь и кривизну, подходящие для плавания с разделенным потоком на подветренных точках паруса. ^[35]

• Широкий радиус действия : при кажущемся ветре за парусом ( α = 45 °) парус остановился и подъемная сила уменьшилась.

• Бег против ветра : при вымпельном ветре непосредственно за парусом ( α = 90 °) преобладают силы сопротивления.

Опять же, на этих диаграммах направление движения изменяется в зависимости от вымпельного ветра ( V _A ), который является постоянным для иллюстрации, но в действительности будет меняться в зависимости от положения паруса при постоянном истинном ветре. На левой диаграмме (широкий вылет) лодка находится на такой точке паруса, где парус больше не может быть выровнен против вылетающего ветра для создания оптимального угла атаки. Вместо этого парус застрял, создавая около 80% подъемной силы, как в примерах против ветра, и сопротивление удвоилось. Общая аэродинамическая сила ( F _T ) отошла от максимального значения подъемной силы. На правой диаграмме (движение против ветра) подъемная сила составляет одну пятую случаев против ветра (при той же силе встречного ветра), а сопротивление увеличивается почти в четыре раза. ^[33]

• Спинакер установлен для широкого вылета, создавая как подъемную силу с разделенным потоком, так и сопротивление.

• Поперечное сечение спинакера, обрезанное для широкой досягаемости, показывает переход от пограничного слоя к отрывному потоку, где начинается отхождение вихрей.

• Симметричный спинакер при движении по ветру, в первую очередь, создает сопротивление.

• Симметричное поперечное сечение спинакера при попутном ветре, показывающее отхождение вихрей.

Программа прогнозирования скорости может преобразовать характеристики паруса и характеристики корпуса в полярную диаграмму , отображающую скорость лодки для различных скоростей ветра в каждой точке паруса. Водоизмещающие парусные лодки изменяют курс с максимальной приведенной скоростью (VMG) в зависимости от скорости ветра. В приведенном примере парусник достигает наилучших показателей VMG по ветру при скорости ветра 10 узлов и менее при курсе около 150 ° от ветра. Для более высоких скоростей ветра оптимальная VMG по ветру возникает при отклонении от ветра более 170 °. Этот «обрыв с подветренной стороны» (резкое изменение оптимального курса по ветру) является результатом изменения баланса сил лобового сопротивления корпуса с изменением скорости. ^[35]

Взаимодействие с парусами [ править ]

Парусники часто имеют стаксель, перекрывающий грот, называемый генуей . В 1981 году Арвел Джентри продемонстрировал, что генуя и грот взаимодействуют симбиотическим образом, благодаря замедлению циркуляции воздуха между ними в промежутке между двумя парусами (вопреки традиционным объяснениям), что предотвращает разделение потока вдоль грот. Наличие удлинителя заставляет линию торможения на гроте смещаться вперед, что снижает скорость всасывания на гроте и снижает вероятность отрыва пограничного слоя и сваливания. Это позволяет использовать более высокие углы атаки. Точно так же наличие грота вызывает смещение линии застоя на стакселе вперед и позволяет лодке указывать ближе к ветру из-за более высоких подветренных скоростей воздуха над обоими парусами.^[33][36]

Переменные конструкции паруса [ править ]

Паруса обычно имеют коэффициент подъемной силы ( C _L ) и коэффициент лобового сопротивления ( C _D ) для каждого угла вымпельного ветра. Форма в плане, кривизна и площадь данного паруса являются определяющими факторами каждого коэффициента.

Терминология паруса [ править ]

Паруса подразделяются на «треугольные паруса» , «четырехугольные продольные паруса» (с багровым вооружением и т. Д.) И «квадратные паруса» . ^[37] Верх треугольного паруса, голова , поднимается фалом . Передний нижний угол паруса, галс , прикреплен к фиксированной точке на лодке таким образом, чтобы можно было поворачиваться вокруг этой точки - либо на мачте, например, для грота , или на палубе, например, для стакселя или стакселя . Задний нижний угол, то клубок , позиционируются с outhaul на стреле или непосредственно с листом, отсутствовал бум. Симметричные паруса имеют две шкотовки, которые можно отрегулировать вперед или назад. ^[37]

Наветренный край паруса называется передней передней кромкой, задней кромкой - выщелачиванием , а нижний край - подошвой . На симметричных парусах любой вертикальный край может быть обращен к наветренной стороне и, следовательно, имеется два вымывания. На парусах, прикрепленных к мачте и гикам, эти края могут быть изогнутыми, когда они лежат на плоской поверхности, чтобы способствовать как горизонтальной, так и вертикальной кривизне в поперечном сечении паруса после прикрепления. Использование реек позволяет парусу иметь дугу материала на пиявке за линией, проведенной от головы к шкотовику, называемой плотвой . ^[37]

Переменные лифта [ править ]

Как и в случае с крыльями самолета, двумя доминирующими факторами, влияющими на эффективность паруса, являются его форма в плане - в первую очередь ширина паруса по сравнению с высотой паруса, выраженная как соотношение сторон - и кривизна или осадка поперечного сечения .

Соотношение сторон [ править ]

В аэродинамике соотношение сторон паруса - это отношение его длины к ширине ( хорде ). Высокое соотношение сторон указывает на длинный и узкий парус, тогда как низкое соотношение сторон указывает на короткий и широкий парус. ^[38] Для большинства парусов длина хорды не постоянна, а варьируется вдоль крыла, поэтому коэффициент удлинения AR определяется как квадрат высоты паруса b, деленный на площадь A формы паруса в плане : ^{[3] [30]}

${\displaystyle AR={b^{2} \over A}}$

Соотношение сторон и форма в плане могут использоваться для прогнозирования аэродинамических характеристик паруса. Для данной площади паруса соотношение сторон, которое пропорционально квадрату высоты паруса, имеет особое значение при определении сопротивления , создаваемого подъемной силой , и используется для расчета коэффициента индуцированного сопротивления паруса : ^{[3] [30 ] ]}${\displaystyle C_{Di}\;}$

${\displaystyle C_{Di}={\frac {(C_{L})^{2}}{\pi eAR}}}$

где - коэффициент эффективности Освальда , учитывающий переменную форму паруса. Эта формула показывает, что коэффициент сопротивления паруса уменьшается с увеличением удлинения.${\displaystyle e\;}$

Кривизна паруса [ править ]

Горизонтальная кривизна паруса называется «осадкой» и соответствует изгибу крылового профиля . Увеличение осадки обычно увеличивает подъемную силу паруса. ^{[3] [39]} Королевская яхтенная ассоциация классифицирует осадку по глубине и размещению максимальной глубины в процентах от расстояния от передней шкаторины до выщелачивания. Осадка парусов регулируется в зависимости от скорости ветра, чтобы получить более плоский парус (меньшую осадку) при более сильном ветре и более полные паруса (большую осадку) при более слабом ветре. ^[40]Стаксель и паруса, прикрепленные к мачте (например, к гроту), имеют разные, но похожие средства управления для достижения глубины и положения осадки. На стакселе затягивание передней передней шкаторины с помощью фала помогает сплющить парус и регулирует положение максимальной осадки. На гроте изгиб мачты в соответствии с кривизной передней передней шкаторины помогает сплющить парус. В зависимости от силы ветра Делленбо предлагает следующие советы по настройке осадки грота парусной лодки: ^[41]

• Для легкого воздуха (менее 8 узлов) парус находится на максимальной высоте с глубиной осадки между 13-16% шнура и максимальной шириной 50% в корме от передней передней шкаторины.
• Для средних воздушных судов (8-15 узлов) грот имеет минимальную крутку с глубиной осадки, установленной между 11-13% шнура и максимальной полнотой 45% в корме от передней передней шкаторины.
• Для тяжелых (более 15 узлов) парус сплющивают и допускают скручивание таким образом, чтобы снизить подъемную силу с глубиной осадки, установленной между 9-12% корда и максимальной полнотой 45% за передней передней шкаториной.

Графики Ларссона и др. Показывают, что осадка является гораздо более значительным фактором, влияющим на движущую силу паруса, чем положение максимальной осадки. ^[42]

• Глубина осадки.

• Положение максимальной тяги от передней шкаторины.

Основным инструментом регулировки формы грота является изгиб мачты; прямая мачта увеличивает осадку и подъемную силу; изогнутая мачта уменьшает осадку и подъемную силу - натяжитель ахтерштага является основным инструментом для изгиба мачты. Вторичными инструментами для регулировки формы паруса являются грот, путевой шкатулка, оттяжка и Каннингем. ^[41]

Перетащите переменные [ править ]

Спинакеры традиционно оптимизировались для мобилизации сопротивления как более важного движущего компонента, чем подъемная сила. Поскольку парусные суда могут развивать более высокие скорости, будь то на воде, льду или суше, поправленная скорость (VMG) на заданном курсе вне ветра возникает при углах вымпельного ветра, которые все больше увеличиваются с увеличением скорости. Это говорит о том, что оптимальная VMG для данного курса может быть в режиме, когда спинакер может обеспечивать значительную подъемную силу. ^[43] Традиционные водоизмещающие парусные лодки иногда могут иметь оптимальный курс VMG близко к подветренной части; для них преобладающая сила в парусах - это сопротивление лобовому сопротивлению. ^[42] В соответствии с Kimball, С _Д≈ 4/3 для большинства парусов с кажущимся углом ветра за кормой, поэтому сила лобового сопротивления на подветренном парусе становится, по существу, функцией площади и скорости ветра, приблизительно следующим образом: ^[5]

${\displaystyle D\approx {\tfrac {2}{3}}\rho {V_{A}}^{2}A}$

Инструменты измерения и вычислений [ править ]

Конструкция парусов основана на эмпирических измерениях давлений и возникающих в результате сил на парусах, которые подтверждают современные инструменты анализа, включая вычислительную гидродинамику .

Измерение давления на парус [ править ]

При проектировании и производстве современных парусов используются исследования в аэродинамической трубе, натурные эксперименты и компьютерные модели в качестве основы для эффективного использования сил на парусах. ^[6]

Инструменты для измерения влияния давления воздуха при исследовании парусов в аэродинамической трубе включают трубки Пито , которые измеряют скорость воздуха, и манометры , которые измеряют статическое давление и атмосферное давление (статическое давление в невозмущенном потоке). Исследователи наносят график давления на наветренную и подветренную стороны испытательных парусов вдоль хорды и вычисляют коэффициенты давления (разность статического давления по сравнению с динамическим давлением, создаваемым ветром ). ^{[6] [8] [44] [45]}

Результаты исследований описывают воздушный поток вокруг паруса и в пограничном слое . ^[6] Уилкинсон, моделируя пограничный слой в двух измерениях, описал девять областей вокруг паруса: ^[46]

1. К верхней мачте прикреплен обдув .
2. Верхний отрывной пузырек .
3. Верхняя область прикрепления.
4. Верхнее крыло присоединено к области потока.
5. Область разделения задней кромки.
6. Нижняя мачта присоединена к зоне течения.
7. Нижний разделительный пузырек.
8. Нижняя область прикрепления.
9. Нижнее крыло придает проточную область.

Анализ [ править ]

Конструкция паруса отличается от конструкции крыла по нескольким параметрам, особенно потому, что на парусе воздушный поток меняется в зависимости от ветра и движения лодки, а паруса обычно представляют собой деформируемые профили, иногда с мачтой в качестве передней кромки. При расчетах конструкции часто используются упрощающие допущения, в том числе: плоская поверхность движения - вода, лед или земля, постоянная скорость ветра и неизменная регулировка паруса. ^[46]

Анализ сил на парусах учитывает аэродинамическую поверхностную силу , ее центр усилия на парусе, ее направление и ее переменное распределение по парусу. Современный анализ использует механику жидкости и аэродинамические расчеты воздушного потока для проектирования и изготовления парусов с использованием моделей аэроупругости , которые сочетают в себе вычислительную гидродинамику и структурный анализ. ^[8] Вторичные эффекты, относящиеся к турбулентности и отрыву пограничного слоя, являются вторичными факторами. ^[46] Сохраняются вычислительные ограничения. ^[47]Теоретические результаты требуют эмпирического подтверждения с помощью испытаний в аэродинамической трубе на масштабных моделях и натурных испытаний парусов. Программы прогнозирования скорости объединяют элементы гидродинамических сил (в основном сопротивления) и аэродинамических сил (подъемная сила и сопротивление) для прогнозирования характеристик парусника при различной скорости ветра для всех точек паруса ^[48]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]