Nicht der Wind, sondern das Segel bestimmt die Richtung. Wie segelt man auf einer Segelyacht gegen den Wind? Voranschreiten gegen den Wind

Bisher haben wir die Wirkung von nur zwei Kräften auf die Yacht betrachtet - der Auftriebskraft und der Gewichtskraft, vorausgesetzt, sie befindet sich im Ruhezustand im Gleichgewicht Kräfte wirken auf das Schiff. Es ist schematisch in Abb. 4, der den typischsten Fall einer Yacht untersucht, die sich bei Seitenwind bewegt.

Wenn die Luft um die Segel strömt - der Wind - entsteht ein Ergebnis aerodynamische Kraft A (siehe Kap. 2), ungefähr senkrecht zur Segeloberfläche gerichtet und in der Segelmitte (CP) hoch über der Wasseroberfläche angebracht. Nach dem dritten Gesetz der Mechanik wird bei einer stetigen Bewegung des Körpers in einer geraden Linie jede Kraft auf den Körper ausgeübt, in diesem Fall auf die Segel, die durch den Mast, die stehende Takelage und die Schoten mit dem Rumpf der Yacht verbunden sind, muss eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Kraft entgegenwirken. Bei einer Yacht ist dies die resultierende hydrodynamische Kraft N, die auf den Unterwasserteil des Rumpfes ausgeübt wird. Zwischen diesen Kräften besteht also ein gewisser Schulterabstand, wodurch ein Moment eines Kräftepaares gebildet wird.

Es stellt sich heraus, dass sowohl aerodynamische als auch hydrodynamische Kräfte nicht in einer Ebene, sondern im Raum orientiert sind. Daher werden beim Studium der Mechanik der Yachtbewegung die Projektionen dieser Kräfte auf die Hauptkoordinatenebenen berücksichtigt. Unter Berücksichtigung des oben erwähnten dritten Newtonschen Gesetzes schreiben wir alle Komponenten der aerodynamischen Kraft und der entsprechenden hydrodynamischen Reaktionen paarweise aus:

Damit die Yacht dem Kurs stetig folgt, muss jedes Kräftepaar und jedes Kräftepaar gleich sein. Beispielsweise erzeugen die Driftkraft Fd und die Driftwiderstandskraft Rd ein Krängungsmoment Мкр, das durch das Rückstellmoment Мв oder das Moment der Seitenstabilität ausgeglichen werden muss. MV wird durch die Wirkung der Kräfte des Gewichts D und des auf die Schulter wirkenden Auftriebs der Yacht gV gebildet l... Die gleichen Gewichts- und Auftriebskräfte bilden das Trimmwiderstandsmoment bzw. das Längsstabilitätsmoment M l, gleich groß und dem Trimmmoment Md entgegenwirkend. Die Terme der letzteren sind die Momente der Paare Kräfte T-R und Fв-Нв.

Die Besatzung ändert das obige Schema der Kräfteeinwirkung insbesondere auf leichten Yachten erheblich. Auf der Luvseite oder der Länge der Yacht entlang bewegt die Crew das Boot mit ihrem eigenen Gewicht effektiv oder widersetzt sich seiner Vorwärtstrimmung. Ein entsprechender Ruderausschlag spielt eine entscheidende Rolle bei der Bildung des Ausschlagmoments Md.

Die aerodynamische Seitenkraft Fd verursacht neben dem Rollen auch eine seitliche Drift, sodass sich die Yacht nicht streng entlang des DP bewegt, sondern mit einem kleinen Driftwinkel l. Dieser Umstand bestimmt die Ausbildung einer Driftwiderstandskraft Rd auf dem Kiel der Yacht, die ihrer Natur nach dem Auftrieb ähnelt, der an einem Flugzeugflügel entsteht, der sich in einem Anstellwinkel zum einströmenden Strom befindet. Ähnlich wie bei einem Flügel funktioniert es bei Seitenwindkurs und einem Segel, bei dem der Anstellwinkel der Winkel zwischen der Segelsehne und der Richtung des scheinbaren Windes ist. So wird eine Segelyacht in der modernen Schiffstheorie als Symbiose zweier Flügel betrachtet: einem sich im Wasser bewegenden Rumpf und einem Segel, das von einem scheinbaren Wind beeinflusst wird.

Stabilität

Wie bereits erwähnt, unterliegt die Yacht der Einwirkung von Kräften und Kraftmomenten, die dazu neigen, sie in Quer- und Längsrichtung zu kippen. Die Fähigkeit eines Schiffes, der Wirkung dieser Kräfte zu widerstehen und nach Beendigung ihrer Wirkung in eine gerade Position zurückzukehren, wird genannt Stabilität. Das Wichtigste für eine Yacht ist seitliche Stabilität.

Wenn die Yacht ohne Krängung fährt, wirken die Schwerkraft- und Auftriebskräfte, die jeweils im Schwerpunkt und im CV aufgebracht werden, entlang derselben Vertikalen. Wenn sich während einer Rolle die Besatzung oder andere Komponenten der Massenlast nicht bewegen, behält der Schwerpunkt bei jeder Abweichung seine ursprüngliche Position im DP (Punkt g in Abb. 5), rotiert mit dem Gefäß. Gleichzeitig wird durch die veränderte Form des Unterwasserteils des Rumpfes der CV vom Punkt C o zur schrägen Seite hin zur Position C 1 verschoben. Dadurch entsteht ein Moment eines Kräftepaares D und G V mit Schulter l gleich dem horizontalen Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem neuen CV der Yacht. Dieser Moment versucht, die Yacht in eine gerade Position zurückzubringen und wird daher als Wiederherstellen bezeichnet.

Beim Rollen bewegt sich der CV entlang der Kurve der Trajektorie C 0 C 1, dem Krümmungsradius g welches heisst transversal metazentrisch Radius, r der entsprechende Krümmungsmittelpunkt M -transversales Metazentrum... Der Wert des Radius r und dementsprechend die Form der Kurve C 0 C 1 hängt von den Konturen des Körpers ab. Im allgemeinen Fall nimmt der metazentrische Radius mit zunehmender Böschung ab, da sein Wert proportional zur vierten Potenz der Wasserlinienbreite ist.

Es ist offensichtlich, dass die Schulter des Rückstellmoments vom Abstand abhängt GM - Höhe des Metazentrums über dem Schwerpunkt: je kleiner es ist, desto weniger Schulter l beim Rollen. In der Anfangsphase der Steigung der Menge GM oder h wird von Schiffbauern als Maß für die Stabilität eines Schiffes angesehen und heißt anfängliche transversale metazentrische Höhe. Je mehr h, Je mehr Krängungskraft benötigt wird, um die Yacht auf eine bestimmte Querneigung zu neigen, desto stabiler ist das Schiff. Auf Kreuzfahrt-Rennyachten beträgt die metazentrische Höhe normalerweise 0,75-1,2 m; auf Schlauchbooten-0.6-0.8 m.

Aus dem GMN-Dreieck lässt sich leicht feststellen, was die Rückstellschulter ist. Das Rückstellmoment unter Berücksichtigung der Gleichheit von gV und D ist gleich:

Trotz der Tatsache, dass die metazentrische Höhe bei Yachten unterschiedlicher Größe innerhalb ziemlich enger Grenzen variiert, ist das Rückstellmoment direkt proportional zur Verdrängung der Yacht, sodass ein schwereres Schiff einem größeren Krängungsmoment standhalten kann Größe.

Die Rückstellschulter kann als Differenz zwischen zwei Abständen dargestellt werden (siehe Abb. 5): l f - Formstabilitätsschulter und l in - Gewichtsstabilitätsschulter. Die physikalische Bedeutung dieser Werte ist nicht schwer zu ermitteln, da l in durch die Abweichung der Wirkungslinie der Gewichtskraft von der Ausgangsposition beim Rollen von der Ausgangsposition genau über C 0 bestimmt wird und l in der Verlagerung des Zentrums des eingetauchten Volumens des Rumpfes zur Leeseite. Betrachtet man die Wirkung der Kräfte D und gV relativ zu Co, so erkennt man, dass die Kraft des Gewichts D die Yacht noch stärker krängt und die Kraft gV das Schiff dagegen aufrichtet.

Entlang des Dreiecks CoGK Es kann festgestellt werden, dass, wobei CoC die Höhe des Schwerpunkts über dem CB in gerader Position der Yacht ist. Um den negativen Einfluss von Gewichtskräften zu reduzieren, ist es daher erforderlich, den Schwerpunkt der Yacht so weit wie möglich abzusenken. Idealerweise sollte der Schwerpunkt unterhalb des CV liegen, dann wird die Stabilitätsschulter positiv und die Masse der Yacht hilft ihr, dem Krängungsmoment standzuhalten. Allerdings haben nur wenige Yachten eine solche Eigenschaft: Die Vertiefung des Schwerpunkts unterhalb des CW ist mit der Verwendung von sehr schwerem Ballast verbunden, der 60 % der Verdrängung der Yacht überschreitet, übermäßiger Leichtbauweise von Rumpf, Spieren und Takelage. Der Effekt ist ähnlich wie die Abnahme des Schwerpunkts, die durch die Bewegung der Besatzung zur Luvseite gegeben wird. Wenn es sich um ein leichtes Beiboot handelt, dann schafft es die Crew, den Gesamtschwerpunkt so weit zu verschieben, dass die Wirkungslinie der Kraft D schneidet sich mit dem DP deutlich unter dem CV und die Gewichtsstabilitätsschulter fällt positiv aus.

Bei einer Kielyacht liegt der Schwerpunkt aufgrund des schweren Ballast-Falschkiels ziemlich niedrig (meistens unter der Wasserlinie oder etwas darüber). Die Stabilität der Yacht ist immer positiv und erreicht ihr Maximum bei ca. 90° Krängung, wenn die Yacht auf dem Wasser segelt. Eine solche Krängung ist natürlich nur auf einer Yacht mit sicher verschlossenen Öffnungen im Deck und einem selbstentleerenden Cockpit zu erreichen. Eine Yacht mit offenem Cockpit kann bei einem viel geringeren Uferwinkel (eine Yacht der Dragon-Klasse beispielsweise bei 52°) mit Wasser geflutet werden und auf den Grund gehen, ohne Zeit zum Aufrichten zu haben.

Bei seetüchtigen Yachten tritt eine instabile Gleichgewichtslage bei einer Krängung von etwa 130° auf, wenn sich der Mast bereits unter Wasser befindet und in einem Winkel von 40° zur Oberfläche nach unten gerichtet ist. Mit einer weiteren Zunahme der Wankbewegung wird die Stabilitätsschulter negativ, das Kippmoment trägt zum Erreichen der zweiten Position der instabilen Balance bei einer Wankung von 180 ° (auf Kiel) bei, wenn sich der Schwerpunkt hoch über dem CV von a befindet ausreichend kleine Welle, damit das Schiff in die normale Kielabwärtsposition zurückkehrt. Es sind viele Fälle bekannt, in denen Yachten eine volle 360°-Umdrehung machten und ihre Seetüchtigkeit behielten.

Vergleicht man die Stabilität einer Kielyacht und einer Segeljolle, kann man sehen, dass Stabilität Form und auf einer Kielyacht - Stabilität des Gewichts. Daher gibt es einen so deutlichen Unterschied in der Kontur ihrer Rümpfe: Die Segeljollen haben breite Rümpfe mit L / B = 2.6-3.2, mit einer Chine mit kleinem Radius und einer großen Fülle der Wasserlinie. Noch stärker bestimmt die Rumpfform die Stabilität von Katamaranen, bei denen die Volumenverdrängung gleichmäßig auf die beiden Rümpfe verteilt wird. Selbst bei einer leichten Krängung wird die Verdrängung zwischen den Rümpfen scharf neu verteilt, wodurch der Auftrieb des im Wasser eingetauchten Rumpfes erhöht wird (Abb. 6). Wenn der andere Rumpf aus dem Wasser kommt (mit einer Krängung von 8-15 °), erreicht die Stabilitätsschulter ihren maximalen Wert - sie beträgt etwas weniger als die Hälfte des Abstands zwischen den Rümpfen. Bei einer weiteren Erhöhung der Rollneigung verhält sich der Katamaran wie eine Segeljolle, deren Besatzung am Trapez hängt. Bei einer Rolle von 50-60 ° tritt ein Moment des instabilen Gleichgewichts auf, wonach die Stabilität des Katamarans negativ wird.

Statisches Stabilitätsdiagramm. Es ist klar, dass Gesamte Beschreibung die Stabilität der Yacht kann eine Änderungskurve des Rückstellmoments sein Mv abhängig vom Wankwinkel oder dem statischen Stabilitätsdiagramm (Abb. 7). Auf dem Diagramm sind die Momente maximaler Stabilität (W) und der Grenzknickwinkel, bei dem das Schiff selbst überlassen kentert (3-Sonnenuntergangswinkel des statischen Stabilitätsdiagramms) deutlich erkennbar.

Mit Hilfe eines Diagramms hat der Kapitän eines Schiffes die Möglichkeit, beispielsweise die Fähigkeit einer Yacht einzuschätzen, bei einem Wind einer bestimmten Stärke die eine oder andere Seitenwindung zu tragen. Dazu werden die Verläufe des Krängungsmoments Mcr in Abhängigkeit vom Wankwinkel in das Stabilitätsdiagramm eingetragen. Der Schnittpunkt B der beiden Kurven gibt den Krängungswinkel an, den die Yacht bei statischem, sanft zunehmendem Wind erhält. In Abb. 7 erhält die Yacht eine Rolle, die Punkt D entspricht - etwa 29 °. Bei Schiffen mit ausgeprägten absteigenden Ästen des Stabilitätsdiagramms (Jollen, Kompromisse und Katamarane) ist das Segeln nur zulässig, wenn die Krängungswinkel den maximalen Punkt im Stabilitätsdiagramm nicht überschreiten.

Reis. 7. Statisches Stabilitätsdiagramm einer Reise- und Rennyacht

In der Praxis haben Yachtbesatzungen oft mit dynamischen Einwirkungen äußerer Kräfte zu kämpfen, bei denen das Krängungsmoment in relativ kurzer Zeit einen signifikanten Wert erreicht. Dies geschieht, wenn eine Bö oder eine Welle auf den Wangenknochen trifft. In diesen Fällen ist nicht nur der Wert des Krängungsmoments von Bedeutung, sondern auch die auf das Schiff übertragene und durch die Arbeit des Rückstellmoments aufgenommene kinetische Energie.

Im statischen Stabilitätsdiagramm kann die Arbeit beider Momente in Form von Flächen dargestellt werden, die zwischen den entsprechenden Kurven und den Ordinatenachsen eingeschlossen sind. Voraussetzung für das Gleichgewicht der Yacht unter dynamischer Einwirkung äußerer Kräfte ist die Gleichheit der Bereiche OABVE (Arbeit Mkr) und OBGVE (Arbeit MV). Da die OBVE-Gebiete gemeinsam sind, kann die Gleichstellung der OBE- und BGV-Gebiete berücksichtigt werden. In Abb. Aus Fig. 7 ist zu erkennen, dass bei dynamischer Windeinwirkung der Wankwinkel (Punkt E, ca. 62°) bei seiner statischen Einwirkung das Wanken aus dem Wind gleicher Kraft merklich übersteigt.

Mit dem statischen Stabilitätsdiagramm kann ermittelt werden ultimative dynamische Ferse Moment, der das Beiboot zum Kentern bringt oder mit offenem Cockpit die Sicherheit einer Yacht gefährdet. Offensichtlich kann die Wirkung des Rückstellmomentes nur bis zum Cockpit-Gießwinkel bzw. bis zum Anfangspunkt des statischen Stabilitätsdiagramms betrachtet werden.

Es ist allgemein anerkannt, dass mit schwerem Ballast ausgestattete Kielyachten praktisch unzerstörbar sind. Beim bereits erwähnten Fastnet-Rennen 1979 wurden jedoch 77 Yachten mit einem Querneigungswinkel von mehr als 90 ° umgeworfen, und einige von ihnen blieben einige Zeit (von 30 Sekunden bis 5 Minuten) auf Kiel über Wasser, und mehrere Yachten dann stand in einer normalen Position durch ein anderes Brett. Der schwerste Schaden war der Verlust von Masten (auf 12 Yachten), die aus ihren Nestern mit Batterien, schweren Küchenherden und anderer Ausrüstung fielen. Auch das Eindringen von Wasser in die Rümpfe führte zu unerwünschten Folgen. Dies geschah unter dem dynamischen Aufprall einer steilen 9-10-Meter-Welle, deren Profil beim Übergang vom Ozean in die flache Irische See mit einer Windgeschwindigkeit von 25-30 m / s abrupt brach.

Faktoren, die die seitliche Stabilität beeinflussen. Somit können wir gewisse Rückschlüsse auf den Einfluss verschiedener Elemente des Designs der Yacht auf ihre Stabilität ziehen. Bei niedrigen Böschungswinkeln spielen die Breite der Yacht und der Wasserlinienflächenfaktor eine große Rolle bei der Erzeugung des Rückstellmoments. Je breiter die Yacht und je voller ihre Wasserlinie ist, desto weiter vom DP entfernt wird der CV während der Krängung des Schiffes verschoben, desto größer ist die Formstabilitätsschulter. Das statische Stabilitätsdiagramm einer ausreichend breiten Yacht hat einen steileren ansteigenden Ast als ein schmaler - bis = 60-80°.

Je tiefer der Schwerpunkt der Yacht liegt, desto stabiler ist sie, und der Einfluss von tiefem Tiefgang und hohem Ballast beeinflusst praktisch das gesamte Stabilitätsdiagramm der Yacht. Bei der Modernisierung einer Yacht ist es hilfreich, sich an eine einfache Regel zu erinnern: Jedes Kilogramm unterhalb der Wasserlinie erhöht die Stabilität, und jedes Kilogramm oberhalb der Wasserlinie verschlechtert die Stabilität. Schwere Holme und Takelage sind für die Stabilität besonders auffällig.

Bei gleicher Lage des Schwerpunkts hat eine Yacht mit einem überschüssigen Freibord auch eine höhere Stabilität bei Krängungswinkeln von mehr als 30-35°, wenn auf einem Schiff mit normaler Tiefe das Deck ins Wasser eintaucht. Eine High-Side-Yacht hat ein großes maximales Rückstelldrehmoment. Diese Qualität ist auch bei Yachten mit ausreichend großen, wasserdichten Deckshäusern vorhanden.

Besondere Aufmerksamkeit sollte der Wirkung von Bilgenwasser und Flüssigkeiten in Tanks gewidmet werden. Es geht nicht nur darum, Flüssigkeitsmassen zur geneigten Seite zu bewegen; die Hauptrolle spielt das Vorhandensein einer freien Oberfläche der überfließenden Flüssigkeit, nämlich ihres Trägheitsmoments relativ zur Längsachse. Wenn beispielsweise die Wasseroberfläche im Laderaum eine Länge / und eine Breite . hat B, dann verringert sich die metazentrische Höhe um

, m. (9)

Besonders gefährlich ist das Wasser im Laderaum, dessen freie Oberfläche breit ist. Daher muss bei stürmischen Bedingungen das Wasser aus dem Laderaum rechtzeitig entfernt werden.

Um den Einfluss der freien Oberfläche von Flüssigkeiten in Tanks zu reduzieren, werden Kotflügellängsschotts eingebaut, die in der Breite in mehrere Teile unterteilt sind. In den Schotten sind Löcher für den freien Flüssigkeitsfluss angebracht.

Seitenstabilität und Geschwindigkeit der Yacht. Bei einer Erhöhung der Querneigung über 10-12° steigt der Widerstand des Wassers gegen die Bewegung der Yacht merklich an, was zu einem Geschwindigkeitsverlust führt. Daher ist es wichtig, dass die Yacht bei zunehmendem Wind länger und ohne übermäßige Krängung ein effektives Segel tragen kann. Selbst auf relativ großen Yachten befindet sich die Crew während der Regatten oft auf der Luvseite und versucht, die Liste zu reduzieren.

Wie effektiv die Bewegung der Ladung (Crew) auf einer Seite ist, kann man sich leicht vorstellen, wenn man die einfachste Formel verwendet, die für kleine Rollwinkel (innerhalb von 0-10 °) gilt;

, (10)

m o-Moment Krängung der Yacht um 1 °;

D - Verdrängung der Yacht, t;

h - anfängliche transversale metazentrische Höhe, m

In Kenntnis der Masse der bewegten Ladung und der Entfernung ihrer neuen Position vom DP ist es möglich, das Krängungsmoment zu bestimmen und es durch . zu dividieren Mo, erhalten Sie den Rollwinkel in Grad. Befinden sich beispielsweise auf einer Yacht mit einer Verdrängung von 7 Tonnen bei A = 1m fünf Personen seitlich in einem Abstand von 1,5 m vom DP, dann bewirkt das dadurch erzeugte Krängungsmoment eine Rollneigung der Yacht von 4,5 ° (oder die Rolle auf die andere Seite um ungefähr den gleichen Betrag reduzieren) ).

Längsstabilität. Die Physik der Phänomene, die während der Längsneigung der Yacht auftreten, ähnelt den Phänomenen während der Krängung, aber die metazentrische Längshöhe ist in ihrer Größe mit der Länge der Yacht vergleichbar. Daher sind Längsneigungen, Trimm, normalerweise klein und werden nicht in Grad gemessen, sondern durch Änderungen des Tiefgangs von Bug und Heck. Und dennoch, wenn alle ihre Fähigkeiten aus der Yacht herausgequetscht sind, kann man nicht umhin, mit Kräften zu rechnen, die die Yacht in Richtung Bug trimmen und den Größenschwerpunkt nach vorne verschieben (siehe Abb. 4). Dem kann entgegengewirkt werden, indem die Besatzung auf das Achterdeck verlegt wird.

Die auf den Bug getrimmten Kräfte erreichen beim Schwimmen im Backstag den größten Wert; auf diesem Kurs, insbesondere bei starkem Wind, sollte die Besatzung so weit wie möglich nach hinten verlegt werden. Auf einem seitwärts gezogenen Kurs ist das Trimmmoment klein, und es ist am besten für die Crew, sich beim Öffnen des Bootes nahe der Mittelsektion zu positionieren. Bei Vorwind ist das Trimmmoment geringer als beim Achterstag, insbesondere wenn die Yacht einen Spinnaker und einen Blooper trägt, die einen gewissen Auftrieb verleihen.

Bei Katamaranen ist der Wert der metazentrischen Längshöhe vergleichbar mit der Querhöhe, manchmal sogar darunter. Daher kann die Wirkung des Trimmmoments, die bei einer Kielyacht fast nicht wahrnehmbar ist, einen Katamaran mit den gleichen Hauptabmessungen umkippen.

Unfallstatistiken weisen auf Bugüberschläge auf vorbeifahrenden Kursen von Fahrtenkatamaranen mit hohem Seitenwind hin.

1.7. Driftfestigkeit

Die Querkraft Fd (siehe Abb. 4) krängt nicht nur die Yacht, sondern verursacht auch seitliche Drift durchhängen. Die Stärke der Drift hängt vom Kurs der Yacht relativ zum Wind ab. Bei steilem Seitenwind ist sie dreimal so groß wie die Schubkraft, die die Yacht vorwärts treibt; bei Golfwind sind beide Kräfte in einem steilen Achterstag ungefähr gleich (wahrer Wind beträgt etwa 135° relativ zum Kurs der Yacht), die treibende Kraft ist 2–3 mal größer als die Driftkraft und bei reinem Vorwind die Drift Kraft fehlt überhaupt. Damit ein Boot erfolgreich vor einem Kurs von der Seite in den Golfwind navigieren kann, muss es einen ausreichenden Widerstand gegen seitliche Drift haben, der viel größer ist als der Wasserwiderstand gegenüber dem Kurs.

Die Funktion, die Widerstandskraft gegen die Drift in modernen Yachten zu erzeugen, wird hauptsächlich von Schwertern, Flossenkieln und Rudern übernommen.

Wie bereits erwähnt, ist eine unabdingbare Voraussetzung für das Entstehen einer Driftwiderstandskraft die Bewegung der Yacht in einem leichten Winkel zum DP - dem Driftwinkel. Betrachten wir, was in diesem Fall in der Wasserströmung direkt am Kiel passiert, einem Flügel mit einem Querschnitt in Form eines dünnen symmetrischen aerodynamischen Profils (Abb. 8).

Fehlt der Driftwinkel (Abb. 8, a), dann trifft die Wasserströmung auf das Kielprofil an der Stelle ein, ist in zwei Teile gegliedert. An diesem Punkt, der als kritischer Punkt bezeichnet wird, beträgt die Durchflussmenge O, der maximale Druck ist gleich der Geschwindigkeitshöhe, wobei r die Massendichte von Wasser ist (für frisches Wasser ); v- Yachtgeschwindigkeit (m / s). Sowohl der obere als auch der untere Teil des Baches umspülen gleichzeitig die Profilflächen und treffen sich an der Stelle wieder B an der Vorderkante. Auf das Profil kann natürlich keine quer zur Strömung gerichtete Kraft entstehen; Aufgrund der Viskosität des Wassers wirkt nur eine Reibungswiderstandskraft.

Wenn das Profil um einen bestimmten Anstellwinkel ausgelenkt wird ein(bei einem Yachtkiel - der Driftwinkel), dann ändert sich das Strömungsmuster des Tragflügels (Abb. 8, B). Kritischer Punkt ein wird an das Ende der Profil-"Nase" verschoben. Der Weg, den das Wasserteilchen entlang der oberen Oberfläche des Profils zurücklegen muss, verlängert sich und der Punkt B 1 wo sich die um die obere und untere Oberfläche des Strömungsprofils strömenden Partikel gemäß den Bedingungen der Kontinuität der Strömung hätten treffen sollen, nachdem sie einen gleichen Weg zurückgelegt haben, erscheinen sie auf der oberen Oberfläche. Beim Biegen um die scharf auslaufende Kante des Profils reißt jedoch der untere Teil der Strömung in Form eines Wirbels von der Kante ab (Abb. 8, c und d). Dieser Wirbel, der als Startwirbel bezeichnet wird, dreht sich im Gegenuhrzeigersinn und bewirkt, dass das Wasser in der entgegengesetzten Richtung, d. h. im Uhrzeigersinn, um das Profil zirkuliert (Abb. 8, e). Dieses durch viskose Kräfte verursachte Phänomen ist analog zur Rotation eines großen Zahnrads (Umlauf), das mit einem kleinen Ritzel (Anfangswirbel) kämmt.

Nach erfolgter Zirkulation bricht der Anfangswirbel von der ausgehenden Kante ab, Punkt b 2 nähert sich dieser Kante, wodurch kein Geschwindigkeitsunterschied mehr besteht, mit dem der Flügel den oberen und unteren Teil des Baches verlässt. Die Zirkulation um den Flügel bewirkt einen quer zur Strömung gerichteten Auftrieb Y: An der Oberseite des Flügels nimmt die Geschwindigkeit der Wasserteilchen durch die Zirkulation zu, an der Unterseite, die auf die an der Zirkulation beteiligten Teilchen trifft, verlangsamt sie sich. Dementsprechend nimmt der Druck an der Oberseite im Vergleich zum Druck in der Strömung vor dem Flügel ab und an der Unterseite steigt er an. Differenzdruck und gibt Auftrieb Ja.

Außerdem wirkt die Kraft auf das Profil frontal(Profil) Widerstand X, durch die Reibung von Wasser auf der Oberfläche des Profils und hydrodynamischen Druck auf seinem vorderen Teil.

In Abb. 9 zeigt die Ergebnisse der Messung des Drucks an der Oberfläche eines symmetrischen Profils, das in einem Windkanal hergestellt wurde. Die Ordinate ist der Wert des Koeffizienten MIT p, das ist das Verhältnis des Überdrucks (Gesamtdruck minus Atmosphärendruck) zur Geschwindigkeitshöhe. Auf der Oberseite des Profils ist der Druck negativ (Rarefaction), auf der Unterseite ist er positiv. Somit ist die Auftriebskraft, die auf jedes Element des Profils wirkt, die Summe der darauf wirkenden Druck- und Verdünnungskräfte und im Allgemeinen proportional zu der zwischen den Druckverteilungskurven entlang der Profilsehne eingeschlossenen Fläche (in Abb . 9).

Die in Abb. 9, lassen uns einige wichtige Rückschlüsse auf die Funktionsweise des Yachtkiels ziehen. Erstens spielt die Verdünnung, die auf der Oberfläche der Flosse von der Seite der Luvseite her entsteht, die Hauptrolle bei der Erzeugung der Seitenkraft. Zweitens befindet sich die Verdünnungsspitze nahe der Vorderkante des Kiels. Dementsprechend liegt der Angriffspunkt des resultierenden Auftriebs im vorderen Drittel der Flossensehne. Im Allgemeinen nimmt der Auftrieb bis zu einem Anstellwinkel von 15-18° zu, danach fällt er schlagartig ab.

Durch die Wirbelbildung auf der Verdünnungsseite wird die glatte Umströmung des Flügels gestört, die Verdünnung sinkt und die Strömung kommt zum Stillstand (dieses Phänomen wird in Kapitel 2 für Segel näher besprochen). Gleichzeitig mit einer Vergrößerung des Anstellwinkels nimmt der Widerstand zu – er erreicht ein Maximum bei a = 90°.

Die Größe der Drift einer modernen Yacht überschreitet selten 5 °, sodass Sie keine Angst haben müssen, den Strom vom Kiel abzuwürgen. Bei Yachtrudern, die ebenfalls nach dem Flügelprinzip konstruiert und betrieben werden, muss jedoch der kritische Anstellwinkel beachtet werden.

Betrachten wir die Hauptparameter von Yachtkielen, die einen erheblichen Einfluss auf ihre Wirksamkeit bei der Erzeugung einer Kraft haben, um der Drift zu widerstehen. Ebenso lässt sich folgendes auf Ruder ausdehnen, wenn man bedenkt, dass diese mit deutlich höherem Anstellwinkel arbeiten.

Dicke und Form Kreuzung Kiel. Versuche mit symmetrischen Tragflächen haben gezeigt, dass dickere Tragflächen (mit einem größeren Verhältnis der Querschnittsdicke T zu seinem Akkord B) geben eine große Hubkraft. Ihr Widerstand ist höher als der von Profilen mit einer geringeren relativen Dicke. Optimale Ergebnisse erzielen Sie mit t / b = 0,09-0,12. Die Höhe der Auftriebskraft an solchen Profilen ist relativ wenig von der Geschwindigkeit der Yacht abhängig, so dass die Kiele bei schwachem Wind ausreichend Widerstand gegen das Abdriften entwickeln.

Die Lage der maximalen Profildicke entlang der Sehnenlänge hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wert der Driftwiderstandskraft. Am effektivsten sind Profile, bei denen sich die maximale Dicke in einem Abstand von 40-50% der Sehne von ihrer "Nase" befindet. Für Yachtruder, die mit großen Anstellwinkeln arbeiten, werden Profile mit einer maximalen Dicke verwendet, die sich etwas näher an der Vorderkante befindet - bis zu 30% der Sehne.

Einen gewissen Einfluss auf die Effizienz des Kiels hat die Form der "Nase" des Profils - der Rundungsradius der Vorderkante. Ist die Kante zu scharf, so gewinnt der auf den Kiel auftreffende Strom hier eine große Beschleunigung und bricht das Profil in Form von Wirbeln ab.

In diesem Fall tritt ein Auftriebsabfall auf, der insbesondere bei großen Anstellwinkeln signifikant ist. Daher ist ein solches Schärfen der Vorderkante für Ruder nicht akzeptabel.

Aerodynamische Verlängerung. An den Flügelenden befinden sich Wasserströme aus dem Bereich erhöhten Drucks zur Rückseite des Tragflügels. Dadurch brechen Wirbel von den Flügelenden ab und bilden zwei Wirbelbahnen. Ein ziemlich großer Teil der Energie wird für ihre Wartung aufgewendet und bildet die sogenannte induktive Reaktanz. Außerdem kommt es durch den Druckausgleich an den Flügelenden zu einem lokalen Auftriebsabfall, wie das Diagramm seiner Verteilung über die Flügellänge in Abb. zehn.

Je kürzer die Flügellänge L in Bezug auf seinen Akkord B, d.h. je geringer seine Dehnung Pfund, je größer der Auftriebsverlust und desto größer die induktive Reaktanz. In der Aerodynamik ist es üblich, das Streckungsverhältnis eines Flügels nach der Formel

(wobei 5 der Flügelbereich ist), der auf Flügel und Flossen jeder Form angewendet werden kann. Bei einer rechteckigen Form ist die aerodynamische Dehnung gleich dem Verhältnis; für Deltaflügel l = 2Llb.

In Abb. 10 zeigt einen Flügel bestehend aus zwei trapezförmigen Flossenkieln. Bei einer Yacht wird der Kiel mit einer breiten Basis am Boden befestigt, so dass kein Wasser zur Vakuumseite überläuft und sich unter dem Einfluss des Druckkörpers auf beiden Flächen ausgleicht. Ohne diesen Einfluss könnte die aerodynamische Dehnung als doppelt so groß angesehen werden wie das Verhältnis von Kieltiefe zu seinem Tiefgang. In der Praxis wird dieses Verhältnis, das von der Größe des Kiels, den Linien der Yacht und dem Rollwinkel abhängt, jedoch nur um das 1,2- bis 1,3-fache überschritten.

Einfluss der aerodynamischen Dehnung des Kiels auf den Wert der von ihm beim Abdriften entwickelten Widerstandskraft R e kann aus den Testergebnissen einer Flosse mit einem Profil abgeschätzt werden NACA 009 (t / b= 9 %) und einer Fläche von 0,37 m 2 (Abb. 11). Die Strömungsgeschwindigkeit entsprach der Bewegungsgeschwindigkeit der Yacht von 3 Knoten (1,5 m / s). Interessant ist die Änderung der Widerstandskraft gegen die Drift bei einem Anstellwinkel von 4-6°, was dem Driftwinkel der Yacht auf Seitenwindkurs entspricht. Wenn du Gewalt akzeptierst R d bei einer Dehnung l = 1 pro Einheit (6,8 bei a- = 5 °), dann erhöht sich bei einer Erhöhung von l auf 2 der Driftwiderstand um mehr als das 1,5-fache (10,4 kg) und bei l = 3 genau das Doppelte (13,6 kg). Dieselbe Grafik kann für eine qualitative Bewertung der Wirksamkeit von Rudern verschiedener Streckungsverhältnisse verwendet werden, die im Bereich großer Anstellwinkel arbeiten.

Somit kann durch Erhöhen der Dehnung der Kielflosse die erforderliche Seitenkraft erreicht werden. R e mit kleinerer Kielfläche und daher mit geringerer benetzter Oberfläche und Wasserwiderstand gegen die Bewegung der Yacht. Die Kieldehnung moderner Fahrten- und Rennyachten beträgt im Durchschnitt l = 1-3. Das Ruderblatt, das nicht nur der Steuerung des Schiffes dient, sondern auch den Widerstand der Yacht mitbestimmt, hat eine noch größere Dehnung gegen l = 4.

Kielfläche und -form. Am häufigsten werden die Kielgrößen durch statistische Daten bestimmt, indem die geplante Yacht mit etablierten Schiffen verglichen wird. Auf modernen Cruising-Racing-Yachten mit separatem Ruder vom Kiel beträgt die Gesamtfläche von Kiel und Ruder 4,5 bis 6,5% der Segelfläche der Yacht, und die Ruderfläche beträgt 20-40% der Kielbereich.

Um die optimale Dehnung zu erreichen, bemüht sich der Designer der Yacht, den maximalen Tiefgang zu akzeptieren, der durch die Segelbedingungen oder Messvorschriften zulässig ist. Am häufigsten sieht der Kiel wie ein Trapez mit einer geneigten Vorderkante aus. Studien haben gezeigt, dass bei Yachtkielen mit einem Streckungsverhältnis von 1 zu 3 der Winkel zwischen der Vorderkante und der Vertikalen im Bereich von -8° bis 22,5° praktisch keinen Einfluss auf die hydrodynamischen Eigenschaften des Kiels hat. Wenn der Kiel (oder das Schwert) sehr schmal und lang ist, geht die Neigung der Vorderkante von mehr als 15° zur Vertikalen mit einer Abweichung der Wasserströmungslinien entlang des Profils in Richtung der unteren hinteren Ecke einher. Dadurch sinkt die Auftriebskraft und der Widerstand des Kiels nimmt zu. In diesem Fall beträgt der optimale Neigungswinkel 5° zur Vertikalen.

Der Auftrieb von Kiel und Ruder wird maßgeblich von der Qualität der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst, insbesondere der Vorderkante, an der sich ein um das Profil fließender Strom bildet. Daher wird empfohlen, Kiel und Ruder in einem Abstand von mindestens 1,5 % der Profilsehne zu polieren.

Geschwindigkeit der Yacht. Die Auftriebskraft an jedem Flügel wird durch die Formel bestimmt:

(11)

y - der Auftriebskoeffizient, der von den Parametern der Flügelform des Profils, der Dehnung, den Umrissen im Plan sowie dem Anstellwinkel abhängt - er nimmt mit zunehmendem Anstellwinkel zu;

R- Massendichte von Wasser;

V- die Geschwindigkeit des um den Flügel fließenden Stroms, m / s;

S- Flügelfläche, m 2.

Somit ist die Widerstandskraft gegen Drift eine variable Größe, die proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Im Anfangsmoment der Yachtbewegung, zum Beispiel nach dem Drehen des Overstag, wenn das Schiff seine Geschwindigkeit verliert oder beim Verlassen des Baumes im Vorwind, ist der Auftrieb am Kiel gering. Zwingen Ja entsprach der Stärke der Drift F D, der Kiel sollte in einem großen Anstellwinkel zum Anströmkanal stehen. Mit anderen Worten, das Schiff beginnt sich mit einem großen Driftwinkel zu bewegen. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt der Driftwinkel ab, bis er seinen Normalwert von 3-5° erreicht.

Dies muss vom Kapitän berücksichtigt werden, damit beim Beschleunigen der Yacht oder nach dem Wenden auf neuem Wind genügend Leeraum bleibt. Ein großer anfänglicher Driftwinkel muss verwendet werden, um die Geschwindigkeit zu beschleunigen und leicht von den Blättern abzuweichen. Dadurch wird übrigens die Kraft der Drift auf die Segel reduziert.

Es ist auch notwendig, sich an die Mechanik des Auftretens der Auftriebskraft zu erinnern, die erst nach der Ablösung des Startwirbels und der Entwicklung einer stabilen Zirkulation auf dem Kiel auftritt. Auf dem schmalen Kiel einer modernen Yacht erfolgt die Zirkulation schneller als auf einem Yachtrumpf mit auf dem Kiel montiertem Ruder, also auf einer Tragfläche mit großer Sehne. Die zweite Yacht wird stärker in den Wind driften, bevor der Rumpf effektiv der Drift widerstehen kann.

Kontrollierbarkeit

Verwaltbarkeit ist die Qualität des Schiffes, die es ihm ermöglicht, einem bestimmten Kurs zu folgen oder die Bewegungsrichtung zu ändern. Nur eine Yacht, die auf eine Ruderbewegung reagiert, gilt als kontrollierte Yacht.

Die Steuerbarkeit kombiniert zwei Eigenschaften eines Schiffes - Kursstabilität und Drehbarkeit.

Stabilität auf der Strecke- Dies ist die Fähigkeit der Yacht, eine gegebene geradlinige Bewegungsrichtung beizubehalten, wenn verschiedene äußere Kräfte auf sie einwirken: Wind, Wellen usw. Kurs, ihr Steuersinn.

Wenden wir uns noch einmal dem Schema der Einwirkung äußerer Kräfte auf die Segel und den Rumpf der Yacht zu (siehe Abb. 4). Die relative Position der beiden Kraftpaare ist entscheidend für die Stabilität der Yacht auf dem Kurs. Fersenkraft F und die Kraft des Widerstands gegen Drift R d neigen dazu, den Bug der Yacht in den Wind zu rollen, während das zweite Paar die Schubkraft ist T und Bewegungswiderstand R bringt die Yacht in den Wind. Offensichtlich hängt die Reaktion der Yacht vom Verhältnis der Größe der berücksichtigten Kräfte und Schultern ab ein und B, auf denen sie tätig sind. Mit zunehmendem Rollwinkel wird die Schulter des führenden Paares B nimmt auch zu. Schulter eines tragenden Paares ein hängt von der relativen Lage des Seitenwiderstands (CP) ab - dem Angriffspunkt der resultierenden aerodynamischen Kräfte auf die Segel und dem seitlichen Widerstandszentrum (CLS) - dem Angriffspunkt der resultierenden hydrodynamischen Kräfte auf den Rumpf des Yacht. Die Position dieser Punkte ändert sich in Abhängigkeit von vielen Faktoren: dem Kurs der Yacht relativ zum Wind, der Form und Einstellung der Segel, dem Roll- und Trimm der Yacht, der Form und dem Profil von Kiel und Ruder usw.

Daher arbeiten sie beim Entwerfen und Umrüsten von Yachten mit bedingtem CP und CLS, da sie sich in den Schwerpunkten flacher Figuren befinden, die die Segel in der Mittelebene der Yacht und die Unterwasserkonturen der Yacht sind DP mit Kiel, Flossen und Ruder (Abb. 12).

Es ist bekannt, dass der Schwerpunkt eines dreieckigen Segels im Schnittpunkt zweier Mittellinien liegt und der gemeinsame Schwerpunkt zweier Segel auf einem Abschnitt einer geraden Linie liegt, die den mittleren Mittelpunkt beider Segel verbindet, und teilt diesen Segment im umgekehrten Verhältnis zu ihrer Fläche. Üblicherweise wird nicht die tatsächliche Fläche des Stagsegels berücksichtigt, sondern die gemessene Fläche des vorderen Segeldreiecks.

Die Position des CLS kann durch Auswuchten des Profils des Unterwasserteils des DP bestimmt werden, der an der Nadelspitze aus dünnem Karton geschnitten wurde. Wenn die Schablone streng horizontal angeordnet ist, befindet sich die Nadel am bedingten Punkt des CLS. Denken Sie daran, dass der Flossenkiel und das Ruder die Hauptrolle bei der Erzeugung der Driftwiderstandskraft spielen. Die Schwerpunkte des hydrodynamischen Drucks auf ihren Profilen können zum Beispiel bei Profilen mit einer relativen Dicke ziemlich genau gefunden werden t / b ca. 8% dieser Punkt liegt in einem Abstand von ca. 26% der Sehne von der Vorderkante. Obwohl der Rumpf der Yacht in geringem Maße an der Erzeugung von Seitenkräften beteiligt ist, führt er jedoch zu bestimmten Änderungen in der Art der Strömung um den Kiel und das Ruder, und sie ändert sich je nach Roll- und Trimmwinkel, da sowie die Geschwindigkeit der Yacht. In den meisten Fällen bewegt sich der wahre CLS auf einem Beidwindkurs vorwärts.

Designer neigen dazu, die CPU in einiger Entfernung (vor) vor dem CLS zu platzieren. Blei wird normalerweise als Prozentsatz der Schiffslänge an der Wasserlinie angegeben und ist für Bermuda-Schaluppe 15-18% L qm

Ist die wahre CPU der CLS zu weit voraus, stürzt die Yacht auf Seitenwindkurs in den Wind und der Steuermann muss das Ruder ständig in den Wind kippen. Befindet sich die CPU hinter dem CLS, neigt die Yacht dazu, gegen den Wind zu führen; ständige Lenkung ist erforderlich, um das Schiff einzudämmen.

Besonders unangenehm ist die Rollneigung der Yacht. Bei einem Ruderunfall kann die Yacht allein mit Hilfe der Segel nicht auf Amwindkurs gebracht werden, zudem weist sie eine erhöhte Drift auf. Tatsache ist, dass der Kiel der Yacht den von ihm herabfließenden Wasserfluss näher an den DP des Schiffes lenkt. Bei geradem Ruder arbeitet es daher mit einem deutlich geringeren Anstellwinkel als der Kiel. Wenn man das Ruder nach Luv ausschlägt, dann stellt sich heraus, dass der darauf erzeugte Auftrieb nach Lee gerichtet ist - die gleiche Richtung wie die Driftkraft auf die Segel. In diesem Fall "ziehen" Kiel und Ruder in verschiedene Richtungen und die Yacht liegt instabil auf dem Kurs.

Die leichte Tendenz der Yacht ist anders. Das in einem kleinen Winkel (3-4 °) zum Wind verschobene Ruder arbeitet mit dem gleichen oder etwas höheren Anstellwinkel wie der Kiel und trägt effektiv zum Widerstand gegen die Drift bei. Die am Ruder auftretende Seitenkraft bewirkt eine deutliche Verschiebung des allgemeinen CLS nach Heck, gleichzeitig nimmt der Driftwinkel ab, die Yacht liegt stabil auf Kurs.

Wenn das Seitenruder jedoch bei Seitenwindkurs ständig um mehr als 3-4 ° gegen den Wind verstellt werden muss, sollte man sich überlegen, die relative Position von CLS und CPU anzupassen. Bei einer bereits gebauten Yacht ist dies einfacher, indem Sie die CPU nach vorne bewegen, indem Sie den Mast im Stepp in die äußerste vordere Position bringen oder nach vorne neigen.

Der Grund für das Mitbringen der Yacht kann auch das Großsegel sein - zu "bauchig" oder mit bewegtem Achterliek. In diesem Fall ist ein Zwischenstag sinnvoll, mit dem man dem Mast in der Mitte (in der Höhe) Ausschlag nach vorne geben und dadurch das Segel flacher machen kann, sowie das Achterliek lockern. Sie können auch das Vorliek des Großsegels kürzen.

Schwieriger ist es, das Zentralbanksystem im Heck zu verschieben, wofür Sie eine Heckflosse vor dem Ruder installieren oder die Fläche des Ruderblattes vergrößern müssen.

Wir haben bereits gesagt, dass mit zunehmender Böschung auch die Rollneigung der Yacht steigt. Dies liegt nicht nur an einer Erhöhung der Schulter des adduzierenden Kräftepaares - T und R. Bei Krängung steigt der hydrodynamische Druck im Bereich der Bugwelle, was zur Vorverlagerung des CLG führt. Daher sollte bei frischem Wind zur Reduzierung der Tendenz die Yacht nach vorne gebracht werden und der CP: das Riff auf dem Großsegel nehmen oder für den gegebenen Kurs leicht überätzen. Es ist auch sinnvoll, das Stagsegel auf ein kleineres zu ändern, wodurch das Roll- und Trimmverhalten der Yacht zum Bug reduziert wird.

Ein erfahrener Designer bei der Auswahl eines Leitwerts ein berücksichtigt in der Regel die Stabilität der Yacht, um den Anstieg des Antriebsmoments bei Krängung zu kompensieren: bei einer Yacht mit geringerer Stabilität wird ein großer Vorhaltewert eingestellt, bei stabileren Schiffen wird die Voreilung als minimal angenommen .

Gut zentrierte Yachten haben oft eine erhöhte Gierrate auf dem Achterstagkurs, wenn das Großsegel an Bord dazu neigt, die Yacht kopfüber in den Wind zu drehen. Dazu trägt auch die hohe Welle bei, die vom Heck schräg zur DP verläuft. Um die Yacht auf Kurs zu halten, müssen Sie hart am Ruder arbeiten und es in einen kritischen Winkel auslenken, wenn die Strömung von seiner Leeoberfläche abreißen kann (dies geschieht normalerweise bei Anstellwinkeln von 15-20 °). Dieses Phänomen geht mit einem Verlust des Ruderauftriebs und damit der Steuerbarkeit der Yacht einher. Die Yacht kann plötzlich in den Wind stürzen und eine große Krängung bekommen, während durch die Abnahme der Vertiefung des Ruderblattes zur Vakuumseite hin Luft aus der Wasseroberfläche durchbrechen kann.

Kampf gegen dieses Phänomen, genannt Brocken, Kräfte, um die Fläche des Ruderblattes und seine Verlängerung zu vergrößern, eine Flosse vor dem Ruder zu installieren, deren Fläche etwa ein Viertel der Fläche der Feder beträgt. Durch das Vorhandensein einer Flosse vor dem Lenkrad wird ein gerichteter Wasserfluss organisiert, die kritischen Anstellwinkel des Lenkrads erhöht, ein Luftdurchbruch daran verhindert und der Kraftaufwand für die Deichsel reduziert. Beim Segeln auf Achterstag sollte die Crew darauf achten, dass der Spinnakerschub so weit wie möglich nach vorne und nicht seitwärts gerichtet ist, um unnötige Krängung zu vermeiden. Es ist auch wichtig, das Auftreten einer Trimmung an der Nase zu verhindern, die die Vertiefung des Ruders reduzieren kann. Das Räumen wird auch durch das Rollen der Yacht erleichtert, das durch die Unterbrechung des Luftstroms aus dem Spinnaker entsteht.

Die Kursstabilität wird neben dem berücksichtigten Einfluss äußerer Kräfte und der gegenseitigen Anordnung ihrer Angriffspunkte durch die Konfiguration des Unterwasserteils des DP bestimmt. Vorher für lange Reisen An offenes Wasser bevorzugte Yachten mit langer Kiellinie, da sie einen hohen Drehwiderstand und dementsprechend Kursstabilität aufwiesen. Dieser Schiffstyp hat jedoch erhebliche Nachteile, beispielsweise eine große benetzte Oberfläche und eine schlechte Drehbarkeit. Außerdem stellte sich heraus, dass die Kursstabilität nicht so sehr vom Wert der seitlichen Projektion des DP abhängt, sondern von der Position des Ruders relativ zum CLS, also vom "Hebel", an dem die Ruder wirkt. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einem Abstand von weniger als 25 % L kvl , dann wird die Yacht schleichend und reagiert nicht gut auf Ruderausschläge. Bei l=40-45% L kvl (siehe Abb. 12) das Schiff auf dem vorgegebenen Kurs zu halten ist nicht schwer.

Beweglichkeit- die Fähigkeit des Schiffes, die Bewegungsrichtung zu ändern und die Flugbahn unter Einwirkung von Ruder und Segeln zu beschreiben. Die Ruderwirkung basiert auf dem gleichen hydrodynamischen Flügelprinzip wie für den Yachtkiel diskutiert. Wenn das Ruder in einen bestimmten Winkel verschoben wird, entsteht eine hydrodynamische Kraft R, einer der Bestandteile davon n schiebt das Heck der Yacht entgegen der Ruderrichtung (Abb. 13). Unter seiner Wirkung beginnt sich das Schiff auf einer gekrümmten Flugbahn zu bewegen. Gleichzeitig erzwingen R ergibt die Komponente Q - die Widerstandskraft, die die Fahrt der Yacht verlangsamt.

Wenn Sie das Ruder in einer Position blockieren, fährt das Boot ungefähr in einem Kreis, der Zirkulation genannt wird. Der Durchmesser oder Radius der Wende ist ein Maß für die Drehbarkeit des Schiffes: Je größer der Wenderadius, desto schlechter die Drehbarkeit. Nur der Schwerpunkt der Yacht bewegt sich entlang der Umlaufbahn, er holt das Heck heraus. Gleichzeitig erfährt das Schiff eine Drift durch Fliehkraft und teilweise durch Kraft n am Lenkrad.

Der Umlaufradius hängt von der Geschwindigkeit und Masse der Yacht ab, ihrem Trägheitsmoment um die durch den Schwerpunkt verlaufende Hochachse, von der Effizienz des Ruders - der Größe der Kraft n und seine Schulter relativ zum Schwerpunkt bei einem gegebenen Ruderausschlag. Je größer die Geschwindigkeit und Verdrängung der Yacht, desto mehr schwere Massen (Motor, Anker, Ausrüstungsteile) an den Enden des Schiffes platziert werden, desto größer ist der Umlaufradius. Üblicherweise wird der bei Probefahrten einer Yacht ermittelte Umlaufradius in der Rumpflänge ausgedrückt.

Die Wendigkeit ist umso besser, je kürzer der Unterwasserteil des Schiffes ist und je näher der Hauptbereich des Schiffes auf die Mittschiffsebene konzentriert ist. Zum Beispiel haben Schiffe mit langer Kiellinie (wie Marineboote) eine geringe Agilität, und im Gegensatz dazu sind Jollen mit schmalen tiefen Schwertern gut.

Die Ruderleistung ist abhängig von der Fläche und Form der Feder, dem Profil des Querschnitts, der aerodynamischen Ausdehnung, der Art der Montage (am Heckpfosten, getrennt vom Kiel oder an der Seitenflosse) sowie dem Abstand von die Aktie aus dem CLS. Am weitesten verbreitet sind Ruder in Flügelform mit aerodynamischem Querschnittsprofil. Die maximale Profildicke wird normalerweise innerhalb von 10-12% der Sehne gemessen und liegt 1/3 der Sehne von der Vorderkante entfernt. Der Ruderbereich beträgt normalerweise 9,5-11% des Unterwasserbereichs des DP der Yacht.

Ein Ruder mit einem großen Streckungsverhältnis (das Verhältnis des Quadrats der Eintauchtiefe des Ruders zu seiner Fläche) entwickelt bei niedrigen Anstellwinkeln eine große Seitenkraft, wodurch es effektiv an der Bereitstellung einer seitlichen Widerstandskraft gegen die Drift beteiligt ist. Wie jedoch in Abb. 11 wird bei bestimmten Anstellwinkeln von Profilen unterschiedlicher Längen die Strömung von der Verdünnungsfläche getrennt, wonach die Auftriebskraft auf das Profil deutlich abfällt. Zum Beispiel für l= 6 der kritische Ruderlagewinkel beträgt 15°; bei l = 2- 30°. Als Kompromiss werden Lenker mit Verlängerung verwendet. l = 4-5 (das Seitenverhältnis des rechteckigen Ruders beträgt 2-2,5) und ein Fin-Skeg ist vor dem Ruder installiert, um den kritischen Winkel der Verschiebung zu erhöhen. Ein Lenker mit hoher Streckung reagiert schneller auf Verschiebungen, da sich die auftriebsbestimmende Strömungszirkulation mit einer kleinen Sehne um das Profil schneller entwickelt als um den gesamten Unterwasserteil des Rumpfes mit einem am Heck angeschlagenen Ruder.

Die Oberkante des Ruders sollte mit einer Arbeitsabweichung von ± 30° eng am Körper anliegen, um ein Durchfließen von Wasser zu verhindern; andernfalls wird die Lenkleistung beeinträchtigt. Manchmal ist am Ruder, wenn es am Heckspiegel aufgehängt ist, eine aerodynamische Unterlegscheibe in Form einer breiten Platte in der Nähe der Wasserlinie befestigt.

Was über die Kielform gesagt wurde, gilt auch für die Ruder: Als optimal gilt eine Trapezform mit rechteckiger oder leicht abgerundeter Unterkante. Um den Kraftaufwand für die Ruderpinne zu reduzieren, wird das Ruder manchmal vom Gleichgewichtstyp mit einer Drehachse hergestellt, die sich 1/4-1 / 5 einer Sehne von der "Nase" des Profils befindet.

Beim Steuern einer Yacht müssen die Besonderheiten des Ruderbetriebs unter verschiedenen Bedingungen und vor allem das Abreißen der Strömung von hinten berücksichtigt werden. Machen Sie zu Beginn der Kurve keine plötzlichen Seitenruderausschläge - es kommt zu einem Strömungszusammenbruch, Seitenkraft n am Lenkrad fällt, aber die Widerstandskraft nimmt schnell zu R. Die Yacht wird langsam und mit großem Geschwindigkeitsverlust in den Verkehr eintreten. Es ist notwendig, die Kurve durch Verlegen des Ruders in einen kleinen Winkel zu beginnen, aber sobald das Heck ausrollt und der Anstellwinkel des Ruders zu sinken beginnt, sollte es relativ zum DP der Yacht auf einen größeren Winkel verschoben werden.

Es ist zu beachten, dass die Querkraft auf das Ruder mit zunehmender Bootsgeschwindigkeit schnell ansteigt. Bei schwachem Wind ist es sinnlos zu versuchen, die Yacht schnell zu drehen, indem man das Ruder in einen großen Winkel stellt (der kritische Winkel hängt übrigens von der Geschwindigkeit ab: bei geringerer Geschwindigkeit tritt die Strömungsablösung bei niedrigeren Anstellwinkeln auf ).

Der Widerstand des Ruders bei Kursänderungen der Yacht beträgt je nach Form, Struktur und Lage 10 bis 40% des Gesamtwiderstandes der Yacht. Daher ist die Technik, die Steuerung (und die kursabhängige Zentrierung der Yacht) sehr ernst zu nehmen und das Ruder darf nicht stärker als nötig ausgelenkt werden.

Schrittgeschwindigkeit

Schrittgeschwindigkeit bezeichnet die Fähigkeit einer Yacht, durch effiziente Nutzung der Windenergie eine bestimmte Geschwindigkeit zu entwickeln.

Die Geschwindigkeit, die eine Yacht entwickeln kann, hängt in erster Linie von der Windgeschwindigkeit ab, da alle aerodynamischen Kräfte auf die Segel wirken. einschließlich der Zugkraft, proportional zum Quadrat der scheinbaren Windgeschwindigkeit. Darüber hinaus kommt es auch auf das Leistungsgewicht des Schiffes an – das Verhältnis der Segelfläche zu seinen Abmessungen. Als Kenngröße des Leistungsgewichts ist das Verhältnis S "1/2 / V 1/3(wobei S die Segelfläche ist, m 2; V- volle Verdrängung, m 3) oder S / W (hier ist W die benetzte Oberfläche des Rumpfes, einschließlich Kiel und Ruder).

Die Schubkraft und damit die Geschwindigkeit der Yacht wird auch durch die Fähigkeit des Segelriggs bestimmt, bei unterschiedlichen Kursen in Relation zur Windrichtung ausreichend Schub zu entwickeln.

Die aufgeführten Faktoren beziehen sich auf die Propellersegel der Yacht, die Windenergie in Vortriebskraft umwandeln. T. Wie in Abb. 4, diese Kraft bei gleichmäßiger Bewegung der Yacht sollte gleich und entgegengesetzt der Kraft des Bewegungswiderstands sein R. Letzteres ist die Projektion aller resultierenden hydrodynamischen Kräfte, die auf die benetzte Oberfläche des Körpers wirken, auf die Bewegungsrichtung.

Es gibt zwei Arten von hydrodynamischen Kräften: Druckkräfte, die senkrecht zur Oberfläche des Körpers gerichtet sind, und Viskositätskräfte, die tangential zu dieser Oberfläche wirken. Die resultierende Viskositätskraft ergibt die Kraft Reibungswiderstand.

Die Druckkräfte entstehen durch die Wellenbildung auf der Wasseroberfläche während der Bewegung der Yacht, daher ergibt ihre resultierende Kraft Wellenwiderstand.

Bei einer starken Krümmung der Rumpfoberfläche im Heckteil kann die Grenzschicht von der Haut abgerissen werden, es können sich Wirbel bilden, die einen Teil der Energie der Antriebskraft absorbieren. So entsteht eine weitere Komponente des Widerstands gegen die Bewegung der Yacht - Widerstand bilden.

Zwei weitere Widerstandsarten entstehen dadurch, dass sich die Yacht nicht direkt entlang der DP bewegt, sondern mit einem gewissen Driftwinkel und mit einer Rolle. Das induktiv und roll Widerstand. Ein wesentlicher Anteil am induktiven Widerstand ist der Widerstand der hervorstehenden Teile - Kiel und Ruder.

Schließlich wird der Vorwärtsbewegung der Yacht durch die Luft, die den Rumpf, die Besatzung, die Entwicklung des Kabelsystems, die Takelage und die Segel spült, Widerstand geleistet. Dieser Teil des Widerstands heißt Luft.

Reibungswiderstand. Wenn sich die Yacht bewegt, scheinen Wasserpartikel direkt neben der Rumpfhaut daran zu haften und werden mit dem Schiff mitgerissen. Die Geschwindigkeit dieser Teilchen relativ zum Körper ist null (Abb. 14). Die nächste Partikelschicht, die entlang der ersten gleitet, liegt bereits etwas hinter den entsprechenden Punkten des Rumpfes zurück, und in einer gewissen Entfernung vom Rumpf bleibt das Wasser im Allgemeinen stehen oder hat eine Geschwindigkeit relativ zum Rumpf gleich der Geschwindigkeit des Yacht V. Diese Wasserschicht, in der die Viskositätskräfte wirken und die Bewegungsgeschwindigkeit der Wasserteilchen relativ zum Rumpf von 0 auf die Geschwindigkeit des Schiffes ansteigt, wird als Grenzschicht bezeichnet. Seine Dicke ist relativ gering und reicht von 1 bis 2% der Länge des Rumpfes entlang der Wasserlinie, jedoch hat die Art oder Art der Bewegung der Wasserpartikel darin einen signifikanten Einfluss auf die Größe des Reibungswiderstands.

Es zeigte sich, dass sich die Bewegungsart der Partikel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Gefäßes und der Länge seiner benetzten Oberfläche ändert. In der Hydrodynamik wird diese Abhängigkeit durch die Reynolds-Zahl ausgedrückt:

n - Koeffizient der kinematischen Viskosität von Wasser (für Süßwasser n = 1,15-10 -6 m 2 / s);

L - Länge der benetzten Oberfläche, m;

v- Yachtgeschwindigkeit, m / s.

Bei einer relativ kleinen Zahl von Re = 10 6 bewegen sich Wasserpartikel in der Grenzschicht schichtweise und bilden sich laminar fließen. Es stellt sich heraus, dass seine Energie nicht ausreicht, um die viskosen Kräfte zu überwinden, die die seitlichen Verschiebungen von Teilchen behindern. Der größte Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Partikelschichten befindet sich direkt an der Körperoberfläche; dementsprechend haben hier die Reibungskräfte den größten Wert.

Die Reynolds-Zahl in der Grenzschicht nimmt mit dem Abstand der Wasserpartikel vom Stamm (mit zunehmender benetzter Länge) zu. Bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s zum Beispiel schon in einer Entfernung von ca. 2 m davon Betreff einen kritischen Wert erreicht, bei dem das Strömungsregime in der Grenzschicht zu einem Wirbel wird, d. h. turbulent und über die Grenzschicht gerichtet ist. Durch den Austausch kinetischer Energie zwischen den Schichten nimmt die Geschwindigkeit der Partikel in der Nähe der Körperoberfläche stärker zu als bei laminarer Strömung. Differenzgeschwindigkeit Dv hier steigt der Reibungswiderstand und der Reibungswiderstand wächst entsprechend. Durch die Querbewegungen von Wasserpartikeln nimmt die Dicke der Grenzschicht zu und der Reibungswiderstand nimmt stark zu.

Das laminare Strömungsregime bedeckt nur einen kleinen Teil des Rumpfes der Yacht im Bug und nur bei niedrigen Geschwindigkeiten. Kritischer Wert Betreff, bei der eine turbulente Umströmung des Körpers auftritt, liegt im Bereich 5-10 5-6-10 6 und hängt stark von der Form und Glätte seiner Oberfläche ab. Mit zunehmender Geschwindigkeit verschiebt sich der Übergangspunkt der laminaren Grenzschicht in eine turbulente in Richtung Bug, und bei ausreichend hoher Geschwindigkeit kann ein Moment kommen, in dem die gesamte benetzte Oberfläche des Rumpfes von einer turbulenten Strömung bedeckt wird. Zwar ist direkt in der Nähe der Haut, wo die Strömungsgeschwindigkeit nahe Null ist, der dünnste Film mit einem laminaren Regime, eine laminare Unterschicht, noch erhalten.

Der Reibungswiderstand berechnet sich nach der Formel:

(13)

R tr - Reibungswiderstand, kg;

ztr - Reibungskoeffizient;

r die Massendichte von Wasser ist;

für Süßwasser:

v- Yachtgeschwindigkeit, m / s;

W-benetzte Oberfläche, m 2.

Der Reibungswiderstandsbeiwert ist ein variabler Wert, der von der Art der Strömung in der Grenzschicht, der Länge des Körpers abhängt L kvl-Geschwindigkeit v und Rauheit der Karosserieoberfläche.

In Abb. 15 zeigt die Abhängigkeit des Reibungswiderstandsbeiwertes zfr von der Zahl Betreff und Rauheit der Gehäuseoberfläche. Die Erhöhung des Widerstands einer rauen Oberfläche im Vergleich zu einer glatten lässt sich leicht durch das Vorhandensein einer laminaren Unterschicht in der turbulenten Grenzschicht erklären. Wenn die Erhebungen auf der Oberfläche vollständig in die laminare Unterschicht eingetaucht sind, ändern sie die Art der laminaren Strömung der Unterschicht nicht wesentlich. Überschreiten die Unregelmäßigkeiten die Dicke der Unterschicht und ragen darüber hinaus, wird die Bewegung der Wasserpartikel über die gesamte Dicke der Grenzschicht verwirbelt und der Reibungskoeffizient erhöht sich entsprechend.

Reis. 15 zeigt Ihnen, wie wichtig es ist, den Boden der Yacht fertigzustellen, um den Reibungswiderstand zu verringern. Wenn beispielsweise eine Yacht mit einer Länge von 7,5 m auf der Wasserlinie mit einer Geschwindigkeit v= 6 Knoten (3,1 m/s), dann die entsprechende Zahl

Angenommen, der Boden der Yacht hat eine Rauheit ( Durchschnittsgröße Unregelmäßigkeiten) k== 0,2 mm, was der relativen Rauheit entspricht

L / k = 7500 / 0,2 = 3,75 10 4. Für eine gegebene Rauheit und Zahl Betreff der Reibungskoeffizient ist z tr = 0,0038 (Punkt G).

Lassen Sie uns beurteilen, ob es in diesem Fall möglich ist, eine nahezu technisch glatte Unterseite zu erhalten. Bei R e = 2-10 7 eine solche Oberfläche entspricht einer relativen Rauheit L / k = 3 10 5 oder absolute Rauheit k= 7500/3 10 5 = 0,025 mm. Erfahrungsgemäß gelingt dies durch vorsichtiges Anschleifen der Unterseite mit feinem Schleifpapier und anschließendes Lackieren. Wird sich der Aufwand lohnen? Die Grafik zeigt, dass der Reibungswiderstandsbeiwert auf z tr = 0,0028 (Punkt D) bzw. um 30% sinkt, was natürlich von der Crew nicht vernachlässigt werden darf, die auf den Erfolg in den Rennen setzt.

Zeile B ermöglicht Ihnen, die zulässige Bodenrauheit für Yachten unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Geschwindigkeit abzuschätzen. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender Wasserlinienlänge und -geschwindigkeit die Anforderungen an die Oberflächenqualität steigen.

Zur Orientierung geben wir die Rauheitswerte (in mm) für verschiedene Oberflächen an:

Holz, sorgfältig lackiert und poliert - 0,003-0,005;

Holz, lackiert und poliert - 0,02-0,03;

lackiert mit einer proprietären Beschichtung - 0,04-0, C6;

Holz, mit Bleiminen bemalt - 0,15;

normales Brett - 0,5;

der Boden mit Muscheln bewachsen - bis zu 4.0.

Wir haben bereits gesagt, dass eine laminare Grenzschicht über einen Teil der Yachtlänge ausgehend vom Heck bestehen bleiben kann, es sei denn, eine übermäßige Rauheit trägt zur Turbulenz der Strömung bei. Daher ist es besonders wichtig, den Bug des Rumpfes, alle Kanten des Kiels, Flossen und Ruder sorgfältig zu bearbeiten. Bei kleinen Querabmessungen - Sehnen sollte die gesamte Oberfläche von Kiel und Ruder geschliffen werden. Im Achterrumpf, wo die Grenzschichtdicke zunimmt, können die Anforderungen an die Oberflächengüte leicht reduziert werden.

Die Verschmutzung des Bodens mit Algen und Schalen schlägt sich besonders stark im Reibungswiderstand nieder. Wenn Sie den Boden von Yachten, die sich ständig im Wasser befinden, nicht regelmäßig reinigen, kann der Reibungswiderstand nach zwei bis drei Monaten um 50-80% ansteigen, was einem Geschwindigkeitsverlust von 15-25% bei einem durchschnittlichen Wind entspricht .

Widerstand bilden. Selbst in einem stromlinienförmigen Rumpf findet man unterwegs einen Wake-Jet, in dem das Wasser Wirbelbewegungen macht. Dies ist eine Folge der Trennung der Grenzschicht vom Körper an einer bestimmten Stelle (B in Abb. 14). Die Position des Punktes hängt von der Art der Änderung der Krümmung der Oberfläche entlang der Länge des Körpers ab. Je glatter die Konturen des Heckendes sind, desto weiter am Heck erfolgt eine Trennung der Grenzschicht und desto weniger Wirbelbildung.

Bei normalen Verhältnissen von Körperlänge zu Breite ist der Formwiderstand gering. Seine Zunahme kann auf scharfe Wangenknochen, Bruch der Rumpfkonturen, falsch profilierte Kiele, Ruder und andere hervorstehende Teile zurückzuführen sein. Der spezifische Widerstand der Form erhöht sich mit abnehmender Länge der Zone, der laminaren Grenzschicht, daher ist es notwendig, die Farbtropfen zu entfernen, die Rauheit zu reduzieren, die Rillen in der Haut zu versiegeln, die Verkleidungen auf die hervorstehende Rohre usw.

Wellenwiderstand. Die Entstehung von Wellen in der Nähe des Schiffsrumpfes während seiner Bewegung wird durch die Wirkung der Gravitationskräfte der Flüssigkeit an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft verursacht. Am Bugende, an der Stelle, wo der Rumpf auf das Wasser trifft, steigt der Druck stark an und das Wasser steigt bis zu einer bestimmten Höhe an. Näher an der Mittelsektion, wo aufgrund der Ausdehnung des Schiffsrumpfes die Geschwindigkeit des fließenden Stroms zunimmt, der Druck darin nach dem Bernoulli-Gesetz sinkt und der Wasserstand sinkt. Im hinteren Teil, wo der Druck wieder ansteigt, bildet sich eine zweite Wellenspitze. Wasserpartikel beginnen in der Nähe des Körpers zu vibrieren, was zu sekundären Schwingungen der Wasseroberfläche führt.

Es entsteht ein komplexes System von Bug- und Heckwellen, das naturgemäß für Schiffe jeder Größe gleich ist (Abb. 16). Bei niedriger Geschwindigkeit sind divergierende Wellen deutlich sichtbar, die vom Bug und Heck des Schiffes ausgehen. Ihre Grate befinden sich in einem Winkel von 36-40 ° zur diametralen Ebene. Bei höheren Geschwindigkeiten werden Scherwellen unterschieden, deren Kämme nicht über die Sekten / Epoche hinausgehen, begrenzt durch einen Winkel von 18-20 ° zum DP des Schiffes. Die Bug- und Hecksysteme von Scherwellen interagieren miteinander, was sowohl zu einer Zunahme der Höhe der Gesamtwelle hinter dem Heck des Schiffes als auch zu ihrer Abnahme führen kann. Mit zunehmender Entfernung vom Gefäß wird die Energie der Wellen vom Medium absorbiert und sie klingen allmählich ab.

Die Größe des Wellenwiderstandes ändert sich je nach Geschwindigkeit der Yacht. Aus der Schwingungstheorie ist bekannt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen mit ihrer Länge zusammenhängt l Verhältnis

wo P = 3,14; v- Yachtgeschwindigkeit, m / s; g = 9,81 m / s 2 - Erdbeschleunigung.

Da sich das Wellensystem mit der Yacht bewegt, ist die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung gleich der Geschwindigkeit der Yacht.

Wenn wir zum Beispiel von einer Yacht mit einer Wasserlinienlänge von 8 m sprechen, dann treten bei einer Geschwindigkeit von 4 Knoten etwa drei Scherwellen entlang der Rumpflänge auf, bei einer Geschwindigkeit von 6 Knoten - eine und a halb. Abhängigkeit zwischen der Länge der Scherwelle X, erzeugt durch den Körper der Länge Lkvl! mit Geschwindigkeit bewegen v, bestimmt maßgeblich die Größe des Wellenwiderstandes.

Die Winde, die im südlichen Teil sind Der Pazifik nach Westen weht. Deshalb wurde unsere Route so konzipiert, dass auf Segelyacht"Juliet" bewegt sich von Ost nach West, das heißt, so dass der Wind hinten bläst.

Wenn Sie sich unsere Route anschauen, werden Sie jedoch feststellen, dass wir oft, zum Beispiel bei der Fahrt von Süd nach Nord von Samoa nach Tokelau, senkrecht zum Wind fahren mussten. Und manchmal änderte sich die Windrichtung ganz und musste gegen den Wind gehen.

Julias Route

Was ist in diesem Fall zu tun?

Segelschiffe können seit langem gegen den Wind segeln. Der Klassiker Yakov Perelman hat darüber lange Zeit gut und einfach in seinem zweiten Buch aus dem Zyklus Entertaining Physics geschrieben. Ich zitiere dieses Stück hier wörtlich mit Bildern.

"Segeln gegen den Wind

Es ist schwer vorstellbar, wie Segelschiffe "gegen den Wind" fahren können - oder in den Worten von Seglern "Seitenwind". Der Segler wird Ihnen zwar sagen, dass Sie unter Segeln nicht direkt gegen den Wind fahren können, sondern sich nur in einem spitzen Winkel zur Windrichtung bewegen können. Aber dieser Winkel ist klein - etwa ein Viertel des rechten Winkels - und er scheint vielleicht ebenso unverständlich: ob man direkt gegen den Wind oder in einem Winkel von 22° dazu schwimmt.

In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht gleichgültig, und wir werden jetzt erklären, wie die Kraft des Windes in einem leichten Winkel darauf zusteuern kann. Überlegen Sie zunächst, wie der Wind im Allgemeinen auf das Segel einwirkt, d. h. wohin er das Segel schiebt, wenn er darauf bläst. Sie denken wahrscheinlich, dass der Wind das Segel immer in die Richtung drückt, in die es bläst. Aber dem ist nicht so: Wo immer der Wind weht, schiebt er das Segel senkrecht zur Segelebene. In der Tat: Lassen Sie den Wind in die Richtung wehen, die durch die Pfeile in der Abbildung unten angezeigt wird; Linie AB repräsentiert das Segel.

Der Wind schiebt das Segel immer im rechten Winkel zu seiner Ebene.

Da der Wind gleichmäßig auf die gesamte Segelfläche drückt, ersetzen wir den Winddruck durch die auf die Segelmitte aufgebrachte Kraft R. Wir zerlegen diese Kraft in zwei: die Kraft Q senkrecht zum Segel und die Kraft P, die daran entlang gerichtet ist (siehe Abbildung oben rechts). Die letzte Kraft drückt das Segel nirgendwo hin, da die Reibung des Windes gegen die Leinwand vernachlässigbar ist. Es bleibt die Kraft Q, die das Segel rechtwinklig dazu schiebt.

Wenn wir dies wissen, können wir leicht verstehen, wie ein Segelschiff in einem spitzen Winkel gegen den Wind fahren kann. Lassen Sie die KK-Linie die Kiellinie des Schiffes darstellen.

Wie kann man gegen den Wind segeln.

Der Wind bläst spitzwinklig zu dieser Linie in die durch die Pfeilreihe angezeigte Richtung. Linie AB stellt das Segel dar; Es ist so platziert, dass seine Ebene den Winkel zwischen der Kielrichtung und der Windrichtung halbiert. Folgen Sie der Zerlegung der Kräfte in der Abbildung. Den Winddruck auf das Segel stellen wir durch die Kraft Q dar, die, wie wir wissen, senkrecht zum Segel stehen muss. Wir zerlegen diese Kraft in zwei: die Kraft R, senkrecht zum Kiel, und die Kraft S, die nach vorne entlang der Kiellinie des Schiffes gerichtet ist. Da die Bewegung des Schiffes in Richtung R auf starken Wasserwiderstand trifft (Kiel in Segelschiffe wird sehr tief), dann wird die Kraft R fast vollständig durch den Widerstand des Wassers ausgeglichen. Es gibt nur eine Kraft S, die, wie Sie sehen, nach vorne gerichtet ist und das Schiff daher schräg wie gegen den Wind bewegt. [Es kann gezeigt werden, dass die Kraft S am meisten wird sehr wichtig wenn die Segelebene den Winkel zwischen Kiel und Windrichtung halbiert.]. Normalerweise wird diese Bewegung im Zickzack ausgeführt, wie in der Abbildung unten gezeigt. In der Sprache der Matrosen wird diese Bewegung des Schiffes im engeren Sinne „Tacking“ genannt.“

Betrachten wir nun alle möglichen Windrichtungen relativ zum Bootskurs.

Das Diagramm des Schiffskurses relativ zum Wind, dh der Winkel zwischen der Windrichtung und dem Vektor vom Heck zum Bug (Kurs).

Wenn der Wind ins Gesicht bläst (leventik), baumeln die Segel hin und her und es ist unmöglich sich mit dem Segel zu bewegen. Natürlich können Sie jederzeit die Segel senken und den Motor einschalten, aber das hat mit Segeln nichts zu tun.

Wenn der Wind ganz hinten bläst (Vorwind, Rückenwind), drücken die verteilten Luftmoleküle von einer Seite auf das Segel und das Boot bewegt sich. In diesem Fall kann sich das Schiff nur langsamer als die Windgeschwindigkeit bewegen. Die Analogie zum Radfahren im Wind funktioniert hier - der Wind bläst nach hinten und es ist einfacher zu treten.

Bei Bewegung gegen den Wind (Beydewind) bewegt sich das Segel nicht durch den Druck von Luftmolekülen auf das Segel von hinten wie beim Vorwind, sondern durch den Auftrieb, der durch unterschiedliche Luftgeschwindigkeiten von beiden entsteht Seiten entlang des Segels. Gleichzeitig bewegt sich das Boot aufgrund des Kiels nicht senkrecht zum Bootskurs, sondern nur nach vorne. Das heißt, das Segel ist in diesem Fall kein Regenschirm wie bei einem Seitenzug, sondern ein Flugzeugflügel.

Bei unseren Überfahrten liefen wir hauptsächlich Achterstag und Golfwind mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 7-8 Knoten bei einer Windgeschwindigkeit von 15 Knoten. Manchmal fuhren wir gegen den Wind, Gulfwind und Beydewind. Und als der Wind nachließ, schalteten sie den Motor ein.

Im Allgemeinen ist ein Boot mit einem Segel gegen den Wind kein Wunder, sondern Realität.

Das Interessanteste ist, dass Boote nicht nur gegen den Wind laufen können, sondern sogar schneller als der Wind. Dies geschieht, wenn das Boot im Achterstag liegt und "seinen eigenen Wind" erzeugt.

Ebenso wichtig wie der Widerstand des Rumpfes ist der von den Segeln erzeugte Schub. Um eine klarere Vorstellung davon zu bekommen, wie Segel funktionieren, machen wir uns mit den Grundkonzepten der Segeltheorie vertraut.

Wir haben bereits über die Hauptkräfte gesprochen, die auf die Segel einer Yacht wirken, die mit Rückenwind (Vorwindkurs) und mit Gegenwind (Gegenwindkurs) fährt. Wir haben herausgefunden, dass die auf die Segel wirkende Kraft zerlegt werden kann in die Kraft, die die Yacht zum Rollen und Abdriften in den Wind bringt, die Driftkraft und die Schubkraft (siehe Abb. 2 und 3).

Sehen wir uns nun an, wie die Gesamtkraft des Winddrucks auf die Segel bestimmt wird und wovon die Schub- und Driftkräfte abhängen.

Um die Funktionsweise des Segels auf scharfen Kursen zu veranschaulichen, ist es zweckmäßig, zunächst ein Flachsegel (Abb. 94) zu betrachten, das bei einem bestimmten Anstellwinkel Winddruck erfährt. In diesem Fall bilden sich Wirbel hinter dem Segel, Druckkräfte treten auf der Luvseite auf und Verdünnungskräfte auf der Leeseite. Ihr resultierendes R steht ungefähr senkrecht zur Segelebene. Um die Arbeit des Segels richtig zu verstehen, ist es zweckmäßig, es in Form der Resultierenden zweier Kraftkomponenten darzustellen: X-parallel zur Luftströmung (Wind) und Y-senkrecht dazu.

Die Kraft X parallel zum Luftstrom wird Widerstandskraft genannt; es wird neben dem Segel auch von Rumpf, Takelage, Spieren und Besatzung der Yacht geschaffen.

Die senkrecht zur Luftströmung gerichtete Kraft Y wird in der Aerodynamik Auftrieb genannt. Sie ist es, die bei scharfen Kursen Schub in die Bewegungsrichtung der Yacht erzeugt.

Steigt bei gleichem Widerstand des Segels X (Abb. 95) der Auftrieb beispielsweise auf den Wert Y1, dann ändert sich, wie in der Abbildung dargestellt, die Resultierende aus Auftrieb und Widerstand um R und dementsprechend der Schub T wird auf T1 ansteigen.

Durch eine solche Konstruktion lässt sich leicht nachweisen, dass mit zunehmendem Widerstand X (bei gleicher Auftriebskraft) der Schub T abnimmt.

Somit gibt es zwei Möglichkeiten, die Zugkraft und damit die Kursgeschwindigkeit auf scharfen Kursen zu erhöhen: Erhöhung des Segelauftriebs und Reduzierung des Widerstands von Segel und Yacht.

Beim modernen Segeln wird die Auftriebskraft der Segel erhöht, indem man ihnen eine konkave Form mit einem gewissen "Bauch" verleiht (Abb. 96): die Größe vom Mast bis zum größten tiefer Ort Der „Bauch“ beträgt normalerweise 0,3–0,4 der Segelbreite und die „Bauch“-Tiefe beträgt etwa 6-10% der Breite. Die Auftriebskraft eines solchen Segels ist 20-25% höher als die eines völlig flachen Segels bei fast gleichem Widerstand. Es stimmt, eine Yacht mit flachen Segeln geht etwas steiler gegen den Wind. Allerdings ist bei „bauchigen“ Segeln die Wendegeschwindigkeit aufgrund des größeren Schubs höher.

Reis. 96. Segelprofil

Beachten Sie, dass bei dickbäuchigen Segeln nicht nur der Schub zunimmt, sondern auch die Driftkraft, was bedeutet, dass das Rollen und Driften von Yachten mit dickbäuchigen Segeln größer ist als mit relativ flachen Segeln. Daher beträgt der "Schlagbauch" des Segels mehr als 6-7% bei starker Wind unrentabel, da eine Zunahme von Krängung und Drift zu einer deutlichen Erhöhung des Rumpfwiderstandes und einer Abnahme der Effizienz der Segel führt, die den Effekt der Schuberhöhung "auffressen". Bei leichtem Wind ziehen Segel mit einem "Bauch" von 9-10% besser, da die Rollbewegung durch den geringen Gesamtwinddruck auf das Segel gering ist.

Jedes Segel mit Anstellwinkeln von mehr als 15-20 °, dh wenn die Yacht 40-50 ° zum Wind und mehr steuert, ermöglicht es Ihnen, die Auftriebskraft zu reduzieren und den Widerstand zu erhöhen, da sich auf der Leeseite. Und da der Hauptteil des Auftriebs durch eine glatte, wirbelfreie Umströmung der Leeseite des Segels erzeugt wird, sollte die Zerstörung dieser Wirbel eine große Wirkung haben.

Die sich hinter dem Großsegel gebildeten Wirbel werden durch das Setzen des Stagsegels zerstört (Abb. 97). Der Luftstrom, der in den Spalt zwischen Großsegel und Stagsegel eindringt, erhöht dessen Geschwindigkeit (sogenannter Düseneffekt) und "leckt" bei richtiger Einstellung des Stagsegels die Wirbel vom Großsegel.

Reis. 97. Die Arbeit des Stagsegels

Das weiche Segelprofil ist schwer über verschiedene Anstellwinkel hinweg konstant zu halten. Früher wurden bei Jollen Latten durchgezogen, die durch das gesamte Segel gingen - sie wurden im "Bauch" dünner und zum Achterliek hin dicker gemacht, wo das Segel viel flacher ist. Heutzutage werden durchgehende Latten hauptsächlich auf Rinnen und Katamaranen installiert, wo es besonders wichtig ist, das Profil und die Steifigkeit des Segels bei niedrigen Anstellwinkeln zu erhalten, wenn ein normales Segel bereits im Vorliek paddelt.

Wenn nur das Segel die Quelle des Auftriebs ist, erzeugt der Luftwiderstand alles, was sich in der Luftströmung um die Yacht herum befindet. Daher kann eine Verbesserung der Traktionseigenschaften des Segels auch durch die Reduzierung des Widerstands von Yachtrumpf, Spieren, Takelage und Crew erreicht werden. Zu diesem Zweck werden an den Holmen und Takelagen verschiedene Arten von Verkleidungen verwendet.

Der Widerstand des Segels hängt von seiner Form ab. Nach den Gesetzen der Aerodynamik gilt: Je schmaler und länger der Widerstand eines Flugzeugflügels ist, desto geringer ist er bei gleicher Fläche. Aus diesem Grund wird versucht, das Segel (im Wesentlichen der gleiche Flügel, aber vertikal aufgestellt) hoch und schmal zu machen. Dies ermöglicht auch die Nutzung eines Aufwärtswinds.

Der Widerstand eines Segels hängt sehr stark von der Beschaffenheit seiner Vorderkante ab. Die Vorliekse aller Segel sollten fest sein, um Vibrationen zu vermeiden.

Es ist noch ein sehr wichtiger Umstand zu erwähnen - die sogenannte Zentrierung der Segel.

Aus der Mechanik ist bekannt, dass jede Kraft durch ihre Größe, Richtung und ihren Angriffspunkt bestimmt wird. Bisher haben wir nur über die Größe und Richtung der auf das Segel ausgeübten Kräfte gesprochen. Wie wir später sehen werden, ist es wichtig, die Anwendungspunkte zu kennen, um zu verstehen, wie Segel funktionieren.

Der Winddruck ist ungleichmäßig über die Segelfläche verteilt (der vordere Teil erfährt mehr Druck), wird jedoch zur Vereinfachung von Vergleichsrechnungen als gleichmäßig verteilt angesehen. Für Näherungsrechnungen wird angenommen, dass die resultierende Winddruckkraft auf die Segel auf einen Punkt aufgebracht wird; er gilt als Schwerpunkt der Segeloberfläche, wenn diese in der Mittelebene der Yacht platziert sind. Dieser Punkt wird Segelmitte (CP) genannt.

Lassen Sie uns auf die einfachste grafische Methode zur Bestimmung der Position der CPU eingehen (Abb. 98). Zeichnen Sie das Segel der Yacht im richtigen Maßstab. Dann wird am Schnittpunkt der Mittellinien - den Linien, die die Eckpunkte des Dreiecks mit den Mittelpunkten der gegenüberliegenden Seiten verbinden - die Mitte jedes Segels gefunden. Nachdem man in der Zeichnung die Mittelpunkte O und O1 der beiden Dreiecke erhalten hat, die das Großsegel und das Stagsegel bilden, werden zwei parallele Linien OA und O1B durch diese Mittelpunkte gezogen und auf ihnen in entgegengesetzten Richtungen in einem beliebigen, aber gleichen Maßstab gelegt , so viele lineare Einheiten wie Quadratmeter im Dreieck; Von der Mitte des Großsegels liegt der Bereich des Focks und von der Mitte des Focks - der Bereich des Großsegels. Die Endpunkte A und B sind durch eine Gerade AB verbunden. Eine weitere gerade Linie - O1O verbindet die Mittelpunkte der Dreiecke. Am Schnittpunkt der Linien A B und O1O entsteht ein gemeinsames Zentrum.

Reis. 98. Grafische Methode zum Auffinden des Segelmittelpunkts

Wie bereits erwähnt, wird der Driftkraft (wir betrachten sie in der Mitte des Segels aufgebracht) durch die seitliche Widerstandskraft des Yachtrumpfes entgegengewirkt. Es wird davon ausgegangen, dass die seitliche Widerstandskraft im Zentrum des seitlichen Widerstands (CLS) aufgebracht wird. Das Zentrum des seitlichen Widerstands ist der Schwerpunkt der Projektion des Unterwasserteils der Yacht auf die Mittelebene.

Das Zentrum des seitlichen Widerstands kann gefunden werden, indem man den Umriss des Unterwasserteils der Yacht aus dickem Papier ausschneidet und dieses Modell auf die Klinge eines Messers legt. Wenn das Modell ausbalanciert ist, drücken Sie es leicht, drehen Sie es dann um 90 ° und balancieren Sie es erneut aus. Der Schnittpunkt dieser Linien gibt uns das Zentrum des seitlichen Widerstands.

Wenn das Boot ohne Krängung fährt, sollte sich die CPU auf derselben vertikalen Linie mit dem CLS befinden (Abbildung 99). Liegt der CP vor dem CLS (Abb. 99, b), dann dreht die relativ zur seitlichen Widerstandskraft nach vorne verlagerte Driftkraft den Bug des Schiffes in den Wind – die Yacht rollt weg. Befindet sich die CPU hinter dem CLS, dreht sich die Yacht mit dem Bug zum Wind, bzw. wird gebracht (Abb. 99, c).

Reis. 99. Zentrieren der Yacht

Übermäßiges Winden und insbesondere Wegrollen (Fehlausrichtung) beeinträchtigen die Fahrt der Yacht, da sie den Rudergänger zwingen, ständig am Ruder zu arbeiten, um die Geradheit der Bewegung zu erhalten, und dies erhöht den Widerstand des Rumpfes und verlangsamt die Geschwindigkeit des Bootes. Darüber hinaus führt eine Fehlausrichtung zu einer Verschlechterung der Kontrollierbarkeit und in einigen Fällen zu ihrem vollständigen Verlust.

Zentrieren wir die Yacht wie in Abb. 99, das heißt, CPU und CLS befinden sich auf derselben Vertikalen, dann wird das Schiff sehr stark angetrieben und es wird sehr schwierig, es zu kontrollieren. Was ist los? Hier gibt es zwei Hauptgründe. Erstens stimmt die wahre Position von CPU und CLS nicht mit der theoretischen überein (beide Zentren sind nach vorne verschoben, aber nicht gleich).

Zweitens, und das ist die Hauptsache, wenn Krängung, Schubkraft der Segel und Längswiderstandskraft des Rumpfes unterschiedlich ausfallen vertikale Ebenen(Abb. 100), es entpuppt sich wie ein Hebel, der die Yacht zum Heranholen zwingt. Je mehr die Krängung, desto stärker die Neigung des Bootes, gefahren zu werden.

Um diese Besetzung zu eliminieren, wird die CPU vor dem CLS platziert. Das beim Rollen entstehende Schub- und Längswiderstandsmoment, das die Yacht zum Fahren zwingt, wird durch das Fangmoment der Drift- und Querwiderstandskräfte an der vorderen Position der CPU kompensiert. Für eine gute Zentrierung muss die CPU in einem Abstand von 10-18% der Wasserlinienlänge der Yacht vor dem CLS platziert werden. Je weniger stabil die Yacht ist und je höher die CPU über dem CLS angehoben wird, desto mehr muss sie in den Bug verschoben werden.

Damit die Yacht einen guten Kurs hat, muss sie zentriert sein, d. h. CPU und CLS müssen in eine solche Position gebracht werden, in der das Schiff auf Seitenwindkurs bei schwachem Wind vollständig von den Segeln ausbalanciert wurde d.h. es war stabil auf dem Kurs mit eingeworfenem oder im Lenkrad fixiertem Ruder (erlaubte bei sehr schwachem Wind eine leichte Abrollneigung), und bei stärkerem Wind neigte es zum Führen. Jeder Steuermann muss die Yacht richtig zentrieren können. Bei den meisten Yachten steigt die Flugneigung, wenn die Hintersegel bewegt und die Vordersegel abgesenkt werden. Werden die vorderen Segel bewegt und die hinteren Segel überätzt, rollt das Schiff weg. Mit einer Zunahme des „Schlagbauchs“ des Großsegels sowie schlecht stehenden Segeln wird die Yacht tendenziell stärker angetrieben.

Reis. 100. Einfluss des Rollens auf das Winden der Yacht

"Leichter Wind!" - sie wünschen allen Seglern, und es ist völlig umsonst: Wenn der Wind vom Heck bläst, kann sich die Yacht nicht entwickeln maximale Geschwindigkeit... Dieses Vorhaben wurde von Vadim Zhdan, einem professionellen Skipper, Rennfahrer, Organisator und Gastgeber von Segelregatten, unterstützt. Lesen Sie die Tooltips im Diagramm, um es herauszufinden.

2. Der Schub des Segels ist auf zwei Faktoren zurückzuführen. Zunächst drückt der Wind nur auf die Segel. Zweitens funktionieren die schrägen Segel, die auf den meisten modernen Yachten installiert sind, wenn sie mit Luft strömen, wie ein Flugzeugflügel und sind nur nicht nach oben, sondern nach vorne gerichtet. Aufgrund der Aerodynamik bewegt sich die Luft auf der konvexen Seite des Segels schneller als auf der konkaven Seite und der Druck auf der Außenseite des Segels ist geringer als auf der Innenseite.

3. Die vom Segel erzeugte Gesamtkraft ist senkrecht zum Segel. Nach der Vektoradditionsregel kann man darin die Driftkraft (roter Pfeil) und die Schubkraft (grüner Pfeil) unterscheiden.

5. Um strikt gegen den Wind zu segeln, manövriert die Yacht: dreht sich mit der einen oder anderen Seite zum Wind, bewegt sich in Segmenten vorwärts - Wenden. Wie lang die Wende sein soll und in welchem ​​Winkel zum Wind, sind wichtige Fragen der Skippertaktik.

9. Golfwind- der Wind bläst quer zur Fahrtrichtung.

11. Vorwind- der gleiche Rückenwind weht vom Heck. Wider Erwarten nicht der schnellste Kurs: Der Auftrieb des Segels wird hier nicht genutzt und die theoretische Geschwindigkeitsbegrenzung überschreitet nicht die Windgeschwindigkeit. Ein erfahrener Skipper weiß, wie man unsichtbare Luftströmungen genauso vorhersagt wie

Wir setzen eine Reihe von Publikationen des interaktiven populärwissenschaftlichen Blogs "I'll Explain in Two Minutes" fort. Der Blog spricht über einfache und komplexe Dinge, die uns tagtäglich umgeben und genau so lange keine Fragen aufwerfen, wie wir nicht daran denken. Dort erfahren Sie zum Beispiel, wie Raumschiffe die ISS beim Andocken nicht verfehlen und nicht kollidieren.

1. Es ist unmöglich, unter Segel streng gegen den Wind zu segeln. Wenn der Wind jedoch von vorne weht, aber leicht schräg, kann die Yacht durchaus in Bewegung sein. In solchen Fällen soll sich das Schiff auf scharfem Kurs befinden.

2. Der Schub des Segels kommt von zwei Faktoren. Erstens drückt der Wind einfach auf die Segel. Zweitens wirken die schrägen Segel, die auf den meisten modernen Yachten installiert sind, wenn sie mit Luft strömen, wie ein Flugzeugflügel und erzeugen einen "Auftrieb", nur dass er nicht nach oben, sondern nach vorne gerichtet ist. Aufgrund der Aerodynamik bewegt sich die Luft auf der konvexen Seite des Segels schneller als auf der konkaven Seite und der Druck auf der Außenseite des Segels ist geringer als auf der Innenseite.

3. Die vom Segel erzeugte Gesamtkraft ist senkrecht zum Segel. Nach der Vektoradditionsregel kann man darin die Driftkraft (roter Pfeil) und die Schubkraft (grüner Pfeil) unterscheiden.

4. Auf scharfen Kursen ist die Drift stark, aber die Form von Rumpf, Kiel und Ruder wirkt dem entgegen: Die Yacht kann aufgrund des Wasserwiderstands nicht seitwärts gehen. Andererseits gleitet es auch bei geringer Traktion leicht nach vorne.

5. Um strikt gegen den Wind zu gehen, manövriert die Yacht: dreht sich mit der einen oder anderen Seite zum Wind, bewegt sich in Segmenten vorwärts - Wenden. Wie lang die Wende sein soll und in welchem ​​Winkel zum Wind, sind wichtige Fragen der Skippertaktik.

6. Es gibt fünf Hauptkurse des Schiffes relativ zum Wind. Dank Peter I. hat die niederländische Seefahrtsterminologie in Russland Fuß gefasst.

7. Leventic- der Wind bläst direkt in den Bug des Schiffes. Unter Segel kann man auf einem solchen Kurs nicht segeln, aber die Drehung zum Wind wird genutzt, um die Yacht anzuhalten.

8. Beidewind- der sehr scharfe Kurs. Wenn Sie seitwärts segeln, weht Ihnen der Wind ins Gesicht, so dass es scheint, als würde die Yacht eine sehr hohe Geschwindigkeit entwickeln. Tatsächlich täuscht dieses Gefühl.

9. Golfwind- der Wind bläst quer zur Fahrtrichtung.

10. Backstage- der Wind weht vom Heck und von der Seite. Dies ist der schnellste Kurs. Schnelle Rennboote mit Achterstag können aufgrund der Auftriebskraft des Segels auf Geschwindigkeiten über der Windgeschwindigkeit beschleunigen.

11. Vorwind- der gleiche Rückenwind weht vom Heck. Wider Erwarten nicht der schnellste Kurs: Der Auftrieb des Segels wird hier nicht genutzt und die theoretische Geschwindigkeitsbegrenzung überschreitet nicht die Windgeschwindigkeit. Ein erfahrener Skipper ist in der Lage, unsichtbare Luftströmungen vorherzusagen, so wie ein Flugzeugpilot Auf- und Abwinde vorhersagen kann.

Eine interaktive Version des Diagramms finden Sie im Blog "Ich erkläre in zwei Minuten".