Характеристика вітрила як рушія яхти
Сайт створений для тих, хто мріє побудувати яхту своїми руками - яхту своєї мрії.
Характеристика вітрила як рушія яхти.
Основним типом вітрила, яким зараз оснащуються прогулянкові, туристські та спортивні судна, є Бермудський. Це вітрило має високі аеродинамічні якості на інших курсах до вітру, простий у постановці та управлінні. До його недоліків відносять порівняно велику висоту щогли, а також скручування вітрила по висоті, що виявляється у відмінності значень кута атаки його нижньої та верхньої частини. Переважна кількість малих вітрильних суден, що оснащуютьсяшлюпом — одношаровим озброєнням з двома вітрилами –гротом і стакселем.
Передньою шкаториною грот кріпиться до щогли за допомогою лікпазу - поздовжньої виїмки у вигляді жолоба, в який входить ліктрос, або за допомогою повзунків, що ковзають по рейці, закріпленому вздовж щогли. Нижня шкаторина найчастіше кріпиться такими самими способами до гіка. Стаксель приєднується до штагу за допомогоюракс — карабіів або його передня шкаторина заводиться в лікпаз обтічника штагу.
Площа основного стакселя, який ставиться в середній вітер становить від 30 до 40% загальної площі парусності. У слабкий вітер цей стаксель замінюють генуезським з великою площею, а в свіжий - ставлять змінні штормові вітрила, що мають меншу площу і зшиті з міцної тканини. Стаксель відіграє важливу роль у створенні сили тяги. По-перше, він не має по передній шкаторині такого джерела, як щогла, яка негативно впливає на роботу грота.
По-друге, завдяки прискоренню потоку повітря в щілини між стакселем і гротом збільшується розрідження на підвітряному боці грота і запобігає утворенню тут завихрень. У зв'язку з цим уОстанні роки дизайнери яхт намагаються якнайбільше збільшити площу стакселя, тим самим поширюючи його вплив по всій висоті грота. Часто застосовується оснащення з топовим стакселем, фал якого проводиться не топ щогли. Традиційний тип оснастки з проводкою штагу на верхню чверть щогли отримав назву озброєння «3/4» або «7/8» залежно від положення точки кріплення штагу на щоглі.
Бермудський грот.
Сучасна теорія косого вітрила ґрунтується на положеннях аеродинаміки крила. Якщо розглядати рух яхти гострими курсами до вітру, то ефективність вітрила як рушія залежить від тих параметрів, що й ефективність жорсткого крила у створенні підйомної сили:
- Площа поверхні вітрила;
- Профіль його поперечного перерізу;
- аеродинамічного подовження та форми контуру вітрила;
- Кута установки вітрила по відношенню до вимпельного вітру;
- Швидкості вимпельного вітру.
При виготовленні вітрил надається правильний опукло увігнутий профіль поперечного перерізу по всій висоті, званий яхтсменами «пузом». Таке вітрило добре працює при малих кутах атаки, обтікання його відбувається плавно, без зриву вихорів на підвітряному боці. Завдяки опуклості потік повітря отримує тут додаткове прискорення, що супроводжується зниженням тиску та зростанням підйомної сили. Відносна величина «пуза», тобто відношення стрілки увігнутості f до хорди вітрила b, істотно впливає на аеродинамічні сили, що діють на вітрила і, отже, на тягу і силу дрейфу.
При обтіканні плоского вітрила на його підвітряній стороні утворюються вихори та зриви струменя, на що витрачається енергія вітру, а умови для створення зниженого тиску погіршуються. Томуплоский вітрило має набагато нижчі тягові характеристики, ніж пузатий. У той же час при збільшенні пуза зростає і лобовий опір вітрила, що обмежує його раціональну величину значеннями f/b = 1/8 - 1/10. Крім того, доводиться зважати і на силу дрейфу, яка при збільшенні «пуза» зростає набагато більшою мірою, ніж сила тяги. Тому вітрила з f/b = 1/10 застосовують лише у слабкі вітри, коли абсолютна величина сили дрейфу невелика.
Такі вітрила використовують також як додаткові на повних курсах, починаючи від галфвінду, коли підйомна сила дає найбільшу складову на напрямок руху. Як основні вітрила для середніх вітрів (3 – 4 бали) застосовують більш плоскі вітрила (f/b = 1/12); для сильних вітрів оптимальні вітрила з пузом 1/17 - 1/20. У свіжий вітер судно з плоским вітрилом йде крутіше до вітру, з меншим креном і дрейфом, ніж оснащене «пузатим» вітрилом.
Крім величини пуза, великий вплив на тягові характеристики вітрила має розташування максимальної опуклості профілю щодо передньої шкаторини. На малюнку показано розподіл розрідження на підвітряному боці жорсткої моделі вітрила з пузом f/b = 0,188 при віддаленні максимального пуза на 40 і 60% хорди від передньої кромки при куті атаки 15 градусів. Неважко дійти невтішного висновку у тому, що у створенні рушійної сили головну роль грає передня частина вітрила. Саме тут концентрується розрідження біля вітрила з пузом, розташованим у 40% від передньої шкаторини.
У другого вітрила (максимальне пузо розташоване 60% b від передньої шкаторини) область розрідження охоплює в основному задню частину профілю, внаслідок чого збільшується складова тиску R, спрямована проти руху яхти. Таким чином,при зміщенні пуза до задньої шкаторини ефективність вітрила знижується як унаслідок падіння підйомної сили, і зростання сил опору.
Лавірувальні вітрила тому і шиють з максимальною глибиною пуза, розташованої на відстані від 35 - 40% хорди для плоских вітрил до 40 - 50% хорди для повніших, розрахованих на слабкі вітри. Особливо неприпустимий такий дефект вітрил, як занадто туга і задня шкаторина, що загортається в навітряний бік, на якій утворюються гальмують рух човна сили. Тому для підтримки задньої частини вітрила використовують плоскі гнучкі лінійкилати.
У верхній частині вітрила і гіка утворюються потоки повітря, що перетікає з навітряного боку на підвітряну - в ділянку розрідження. Внаслідок цього утворюються вихори, що зриваються з країв вітрила. Ці збурення потоку вимагають витрат кінетичної енергії вітру, які виражаються в зростанні загального аеродинамічного опору судна у вигляді індуктивного опору.
Очевидно, що найбільший індуктивний опір має чотирикутне гафельне вітрило, у якого перетікання повітря відбувається по широких верхній і нижній шкаторинах. Чим більша довжина цих шкаторин стосовно висоті вітрила (отже, менше подовження вітрила, тим більше втрати енергії вітру на завихрення і менше тяга вітрила). Тому, щоб розвинути достатню тягу на гострих курсах, парус повинен мати аеродинамічний подовження в межах l = 4 - 5. Крім того, індуктивний опір менше у вітрила, контур якого у верхній частині близький до контуру плуеліпса.
Слід, однак, мати на увазі, що на високому вітрилі точка докладання аеродинамічних сил розташовується досить високо і створюється великий момент, що хрещує, на одиницю площі, ніжу низького вітрила. Тому подовження вітрил вибирають відповідно до стійкості судна: чим вона вища, тим більша парусність може бути застосована на яхті. Якщо ж вітрило використовується в основному при попутних вітрах, то потрібно, щоб він створював великий опір потоку повітря, що набігає. Іншими словами, форма його має бути погано обтічної. Низький широкий вітрило в цьому випадку дає найбільшу тягу при помірному моменті, що хрещує. Таке вітрило може мати чотирикутну трапецієподібну форму з рейком та гафелем.
Великий вплив на аеродинамічні якості гроту має щогла, яка є джерелом утворення вихорів, що потрапляють як на навітряну, так і на вітряну сторону вітрила. Особливо несприятливо це позначається на підвітряному боці, де вихровий слід щогли зменшує розрідження; внаслідок цього величина підйомної сили падає. Крім того, і сама щогла має досить великий лобовий опір. Щогла з великим поперечним перерізом може знизити підйомну силу вітрила на 25% порівняно з вітрилом поставленим на штазі. Велику роль грає форма поперечного перерізу щогли. Важливо, щоб на курсі бейдевінд, коли судно йде під кутом 25 - 30 градусів до напрямку вимпельного вітру, вихрова доріжка, що зривається з підвітряної щогли, мала мінімальну ширину. Найбільшого поширення на вітрильних судах набули щогли овального поперечного перерізу із співвідношенням розмірів по ДП до розміру за траверзом близько 3/2. Каплевидні та інші типи обтічних профілів доцільні тільки в тому випадку, якщо щогла обертається для встановлення під найвигіднішим кутом до вимпельного вітру при зміні галсу. Такими щоглами постачаються зазвичай буєра та катамарани.
Від кута встановлення вітрила по відношенню до вимпельного вітру залежить режимобтікання його підвітряної сторони, величина розрідження та підйомної сили. Досліди показують, що при певному куті атаки відбувається відрив прикордонного шару від підвітряної поверхні вітрила, а при подальшому збільшенні – тобто виборі шкотів, тут утворюється велика вихрова порожнина. Це супроводжується падінням розрідження та його перерозподілом уздовж хорди вітрила; в результаті підйомна сила вітрила різко падає, а лобовий опір зростає.
Розмір критичного кута атаки, у якому підйомна сила починає падати , залежить від глибини f профілю та аеродинамічного подовження l вітрила, розмірів перерізу щогли чи діаметра штага. Чим більше пузає вітрило і чим більше його подовження, тим при меншому куті атаки відбувається зрив потоку. У слабкий вітер потік зривається з вітрила при менших кутах атаки, ніж у сильний; такий самий ефект дає наявність щогли.
При постановці стакселя перед гротом завдяки підвищенню швидкості повітряного потоку в зазорі між вітрилами зрив потоку з грота відбувається при великих кутах атаки, вітрило можна вибрати сильніше без шкоди для його підйомної сили. Досвід показує, що для бермудських вітрил середньої повноти найвигідніші кути атаки на повних курсах аж до бакштагу знаходяться в межах 6 - 10 градусів; на гострих курсах вони зменшуються до 5-8 градусів. При збільшенні кута атаки понад критичний підйомна сила падає при одночасному зростанні лобового опору. При a = 90 градусів підйомна сила на вітрило не виникає; він має лише лобовий опір.
При виборі шкотів вдається контролювати кут атаки нижньої третини вітрила, а у верхній тканина може відхилятися під вітер, зменшуючи тим самим кут атаки між нижньою і верхньою частиною вітрила може досягати 20 градусів. А оскільки вітрило вибирають,орієнтуючись на поведінку його верхньої частини (поки не перестає заполіскувати тканину у передньої шкаторини), то нижня частина частіше за все виявляється працюючою з надлишковим кутом атаки. Тут може відбуватися зрив потоку з відповідним падінням підйомної сили. Отже, тяга скрученого вітрила виявляється меншою, ніж якби кожне його перетин по висоті працювало з оптимальним кутом атаки.
Для зменшення скручування вітрила застосовуютьвідтяжки гіка, що перешкоджають задирання нока гіка вгору, а також проводку гіка - шкота з одним або двома поперечними погонами, що тягнуться по всій ширині яхти. При зміщенні повзуна гіка – шкіта до борту тяга шкотів стає майже вертикальною, завдяки чому вдається тримати задню шкаторину вітрила на гострих курсах тугішою. З цією ж метою на стакселях застосовують додаткові відтяжки школ і регульовані стоси.
Було б помилкою думати, що вітрило взагалі повинен мати скручування, тобто. щоб по всій його висоті поперечні перерізи були повернуті на той самий кут. Відомо, що зі збільшенням висоти над рівнем води швидкість вітру підвищується. Це викликано силами тертя повітря об воду, загальмовують потік поблизу її поверхні. Наприклад, на висоті 10 метрів над рівнем води швидкість вітру в 1,4 разу перевищує його швидкість на рівні 2 метри.
Побудувавши трикутник швидкостей для різних перерізів вітрила по висоті, можна переконатися, що у верхній частині на вітрило діє вітер більшої швидкості та спрямований під більшим кутом до ДП судна, ніж на рівні гика. Залежно від висоти вітрильності та швидкості вітру ця різниця в кутах становить від 3 – 5 градусів на курсі бейдевінд та до 10 – 12 градусів на курсі бакштаг. Отже, скручування вітрила в невеликих межах не тільки допустиме, а йсприяє ефективнішій роботі вітрила.
Поляри вітрила. Характеристикою аеродинамічних якостей вітрила єполяра — графік зміни підйомної сили в залежності від лобового опору та кута атаки. Щоб поляру можна було застосувати до вітрила будь-яких розмірів, по осях координат відкладають значення сил, а безрозмірнікоефіцієнти підйомної сили.
і лобового опору.
Дані для побудови поляр отримують в результаті продування моделей вітрил в аеродинамічних трубах. За допомогою поляри, крім величин підйомної сили та лобового опору, можна визначити і їх складові силу тяги Т і дрейфу D. Опустивши, наприклад, з точки поляри, відповідні кути атаки а = 20 градусів, перпендикуляр на вісь руху яхти, можна знайти коефіцієнт сили тяги Ст як відрізок прямої ОА. Довжина перпендикуляра є коефіцієнтом сили дрейфу Сd.
Поляр вітрила дозволяє визначити найвигідніший кут установки вітрила на даному курсі по відношенню до вітру, тобто таким чином, щоб сила тяги мала максимальну величину. Для цього необхідно, щоб перпендикуляр до осі руху яхти одночасно був дотичною до поляри (найвигідніший кут атаки вітрила дорівнює близько 14 градусів точки дотику C на полярі).