Трудно представить себе, как могут парусные суда идти "против ветра" - или, по выражению моряков, идти "в бейдевинд". Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра 3 . Но угол этот мал - около четверти прямого угла,- и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
3 (Использовать только энергию ветра и двигаться строго против ветра можно, если парус заменить ветродвигателем типа ветряной мельницы, который будет вращать гребной винт корабля. Существует даже известная задача П. Л. Капицы о таком необычном на первый взгляд судне (см. также журнал: Катера и яхты, 1981, № 1, с. 25). )
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса.
В самом деле. Пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рис. 17, линия АВ изображает парус.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем силу давления ветра силой R , приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р направленную вдоль него вперед. Сила Р никуда не толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК(рис. 18) изображает килевую линию судна. Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном стрелками. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рис.18. за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу В, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении В встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила В почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, двигает судно под углом, как бы навстречу ветру * . Обычно это движение выполняется зигзагами, как показано на рис.19. На языке моряков такое движение судна называется "лавировкой" в полном смысле слова 4 .
* (Можно доказать, что сила S получает наибольшее значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра. )
4 (В парусном спорте есть ряд вопросов, интересных с точки зрения физика. Подробнее об этом виде спорта и некоторых технических проблемах плавания под парусами можно узнать, например, из книг: Гловацкий В. Увлекательный мир парусов: Очерки но истории парусного спорта.- М.: Прогресс, 1979; Проктор Я. Плавание под парусом. Ветер, волнение и течение.- Л.: Гидрометеоиздат, 1981. )
Русский поэт Михаил Юрьевич Лермонтов любил море и в своих произведениях часто упоминал о нем. Он написал замечательное стихотворение о белеющем парусе , который мчится среди волн в далеких морских просторах. Наверное, тебе знакомо лермонтовское стихотворение, ведь это самые известные стихотворные строчки о парусниках. Читая их, можно представить бушующее море и красивые корабли среди его волн. Ветер надувает паруса. И, благодаря силе ветра, корабли движутся вперед. Но как парусникам удается плыть против ветра?
Для того, чтобы на это ответить, тебе сначала придется выучить незнакомое слово «галс» . Галсом называется направление движения судна относительно ветра. Галс может быть левым, когда ветер дует слева, или правым, если ветер дует справа. Важно знать и второе значение слова «галс» – это часть пути, вернее, его отрезок, который проходит парусник, когда движется против ветра . Запомнил?
Теперь, чтобы понять, как парусникам удается плыть против ветра, разберемся с парусами. Они на паруснике бывают разных форм и размеров – прямые и косые . И каждый выполняет свою работу. Когда дует встречный ветер, корабль управляется с помощью косых парусов, которые поворачиваются то в одну сторону, то в другую.
Вслед за ними и судно поворачивается в ту или другую сторону. Поворачивается и идет вперед. Моряки называют такое движение – движением переменными галсами . Его суть состоит в том, что ветер давит на косые паруса и сносит судно слегка вбок и вперед. Руль парусника не дает ему полностью повернуться, да и умелые матросы вовремя приводят в движение паруса, меняя их положение. Так, небольшими зигзагами, и движется вперед.
Конечно, движение переменными галсами – очень трудное дело для всей команды парусника. Но матросы – закаленные ребята. Они не боятся трудностей и очень любят море.
Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.
Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.
Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.
Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.
Есть два основных типа парусов - прямой и косой. Прямой - это обычный парус, расположенный поперек корпуса кусок ткани, который тянет корабль туда, куда дует ветер. Косой парус (обычно треугольный, но встречается и четырехугольный) позволяет использовать энергию ветра так, чтобы корабль мог идти против воздушного потока.
На практике это выглядит следующим образом: встречный ветер обтекает особым образом настроенный парус и толкает судно вперед и в сторону. Таким образом яхта или лодка может идти в нужном направлении зигзагами (галсами), подставляя ветру то один, то другой борт.
Именно эта технология позволила парусным кораблям получить принципиально иную свободу передвижения. Она сделала надежными торговые маршруты, прежде полностью зависевшие только от попутных ветров. Корабль с прямыми парусами, используя попутный ветер, мог достичь нужного места, однако, чтобы вернуться обратно, ему приходилось ждать смены направления ветра иногда по многу недель. Понятно, что такое плавание было ненадежным и непредсказуемым. Косой парус частично решил эту проблему. Сама идея плыть под парусом против ветра совершенно парадоксальна! Но она вполне соответствует законам физики.
Сегодня сложно точно установить, кто первым изобрел косой парус, однако мы знаем, что в Европу это открытие пришло через арабов, которые регулярно посещали воды Индийского океана. Там они, скорее всего, и увидели подобное техническое решение на судах полинезийцев. Последние не могли бы осваивать Тихий океан так активно, как они это делали, если бы у них не было косого паруса. Впрочем, широко применяли косой парус и китайцы.
Как бы то ни было, косой парус очень быстро стал распространяться в Средиземном море с его стабильными и предсказуемыми воздушными потоками. Здесь преобладают ветра, дующие с юго-востока на северо-запад. И конечно, для кораблей, которым надо было плыть в противоположную сторону, это представлялось проблемой. Решили же ее благодаря косому парусу.
Как развивалась техника?
Первым европейским вариантом этого изобретения стал латинский парус - треугольный косой парус, укрепленный сбоку от мачты (фото 1). Он позволил успешно плавать против ветра. Однако такая конструкция была очень трудоемкой, так как при перемене ветра латинский парус приходилось снимать с одной стороны мачты и устанавливать с другой стороны.
Справиться с этой проблемой помогло изобретение гафельного паруса (фото 2). Это тот же косой парус, только четырехугольный и натянутый не сбоку от мачты, а позади нее, причем его верхняя кромка (верхняя шкаторина) закреплена на гафеле, а нижняя кромка (нижняя шкаторина) закреплена на гике - горизонтальных элементах конструкции, растягивающих этот парус.
Сами гафель и гик одним концом закреплены на вертикальной мачте. Благодаря этим изобретениям парус стало гораздо проще переносить с одного на другой борт при смене галса. К восемнадцатому веку такая конструкция косого паруса полностью вытеснила латинский парус.
В начале 20-го века на смену гафельному парусу пришел так называемый бермудский парус (фото 3), который и по сей день является наиболее распространенным типом паруса. Зародился он в регионе Бермудских островов, где им пользовались местные рыбаки. Там секрет «подсмотрели» европейцы. А благодаря тому, что к этому моменту уже были открыты аэродинамические законы, бермудское изобретение быстро вышло в лидеры парусной индустрии.
Бермудский парус - это треугольный парус, передняя шкаторина которого растягивается по мачте, а нижняя - по гику. По простоте управления и эффективности он показывает наилучшие результаты. Именно такие паруса стоят на подавляющем большинстве современных парусных яхт (фото 3).
Cтоит отметить, что сегодня, говоря о паруснике, мы почти всегда имеем в виду парусную яхту. Яхты и яхтинг - это новая страница в истории паруса, не менее захватывающая, чем ее древние истоки. Но об этом - в следующий раз.
Наталия Никитина - член команды парусной школы Gokova Sailing Phuket (www.gokovaphuket.ru). Если вы хотите попробовать себя в парусном спорте, свяжитесь со школой по электронной почте [email protected].
Мы продолжаем серию публикаций, подготовленных интерактивным научно-популярным блогом « Объясню за две минуты ». Блог рассказывает о простых и сложных вещах, которые ежедневно нас окружают и не вызывают никаких вопросов ровно до тех пор, пока мы о них не задумываемся. Например, там можно узнать, как космические корабли не промахиваются и не сталкиваются с МКС при стыковке.
1. Строго против ветра под парусом ходить невозможно. Однако если ветер дует спереди, но чуть под углом, яхта вполне может двигаться. В таких случаях говорят, что судно идет острым курсом.
2. Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во‑первых, ветер просто давит на паруса. Во‑вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.
3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).
4. На острых курсах сила дрейфа велика, но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.
5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.
6. Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.
7. Левентик － ветер дует прямо в нос судна. Таким курсом под парусом ходить нельзя, зато поворот к ветру используют, чтобы остановить яхту.
8. Бейдевинд － тот самый острый курс. Когда идешь бейдевиндом, ветер дует в лицо, поэтому кажется, что яхта развивает очень большую скорость. На самом деле это ощущение обманчиво.
9. Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.
10. Бакштаг － ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.
11. Фордевинд － тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же, как пилот самолета － восходящие и нисходящие потоки.
Посмотреть интерактивную версию схемы можно в блоге «Объясню за две минуты».
