Ветродвижение транспортных средств: история и принципы

Введение

Движение транспортного средства ветровой энергией.

Парусный спорт использует ветер, действующий на паруса, крылья или воздушные змеи, для приведения в движение судна по поверхности воды (парусник, яхта, плот, виндсерфер или кайтсерфер), по льду (ледоход) или по суше (сухопутная яхта) по выбранному курсу, который часто является частью более широкого плана навигации. С доисторических времен и до второй половины XIX века парусные суда были основным средством морской торговли и транспортировки; исследование морей и океанов зависело от парусов на любых расстояниях, кроме самых коротких. В этот период военно-морская мощь в различной степени использовала паруса, в зависимости от текущих технологий, что достигло своего пика в вооруженных парусных военных кораблях эпохи парусного флота. Парус постепенно уступал место пару как способу приведения судов в движение во второй половине XIX века, наблюдая постепенное улучшение паровых технологий благодаря ряду последовательных разработок. Пароходы обеспечивали регулярное расписание и более высокую среднюю скорость, чем парусные суда. Значительное повышение экономичности топлива позволило пару постепенно обогнать парус во всех коммерческих ситуациях, обеспечив владельцам судов более высокую отдачу от капитала. В XXI веке парусный спорт в основном представляет собой форму отдыха или спорта. Рекреационный парусный спорт или яхтинг можно разделить на гонки и круизы. Круизы могут включать длительные морские и океанские путешествия, прибрежное плавание в пределах видимости берега и дневные прогулки под парусом. Парусный спорт опирается на физику парусов, которые получают энергию от ветра, создавая как подъемную силу, так и сопротивление. На заданном курсе паруса устанавливаются под углом, который оптимизирует использование энергии ветра, определяемой кажущимся ветром – ветром, ощущаемым с движущегося судна. Силам, передаваемым через паруса, противостоят силы корпуса, киля и руля парусного судна, силы полозьев ледохода или силы колес сухопутной яхты, которые управляют курсом. Эта комбинация сил позволяет идти курсом как против ветра, так и по ветру. Курс относительно направления истинного ветра (как это покажет неподвижный флаг) называется углом крена. Обычные парусные суда не могут использовать энергию ветра на курсе, угол крена которого слишком близок к ветру.

Sailing employs the wind—acting on sails, wingsails or kites—to propel a craft on the surface of the water (sailing ship, sailboat, raft, windsurfer, or kitesurfer), on ice (iceboat) or on land (land yacht) over a chosen course, which is often part of a larger plan of navigation. From prehistory until the second half of the 19th century, sailing craft were the primary means of maritime trade and transportation; exploration across the seas and oceans was reliant on sail for anything other than the shortest distances. Naval power in this period used sail to varying degrees depending on the current technology, culminating in the gun armed sailing warships of the Age of Sail. Sail was slowly replaced by steam as the method of propulsion for ships over the latter part of the 19th century – seeing a gradual improvement in the technology of steam through a number of stepwise developments. Steam allowed scheduled services that ran at higher average speeds than sailing vessels. Large improvements in fuel economy allowed steam to progressively outcompete sail in, ultimately, all commercial situations, giving ship owning investors a better return on capital. In the 21st century, most sailing represents a form of recreation or sport. Recreational sailing or yachting can be divided into racing and cruising. Cruising can include extended offshore and ocean crossing trips, coastal sailing within sight of land, and daysailing. Sailing relies on the physics of sails as they derive power from the wind, generating both lift and drag. On a given course, the sails are set to an angle that optimizes the development of wind power, as determined by the apparent wind, which is the wind as sensed from a moving vessel. The forces transmitted via the sails are resisted by forces from the hull, keel, and rudder of a sailing craft, by forces from skate runners of an iceboat, or by forces from wheels of a land sailing craft which are steering the course. This combination of forces means that it is possible to sail an upwind course as well as downwind. The course with respect to the true wind direction (as would be indicated by a stationary flag) is called a point of sail. Conventional sailing craft cannot derive wind power on a course with a point of sail that is too close into the wind.

История

На протяжении всей истории парусный транспорт был ключевой формой передвижения, обеспечивавшей большую мобильность, чем путешествия по суше. Эта большая мобильность расширяла возможности для исследований, торговли, транспортировки, ведения войны и рыболовства, особенно в сравнении с наземными вариантами. До значительных улучшений в наземном транспорте, произошедших в XIX веке, водный транспорт, если он был возможен, был быстрее, дешевле и безопаснее, чем аналогичное путешествие по суше. Это относилось как к морским переходам, прибрежным плаваниям, так и к использованию рек и озер. Примером последствий этого является масштабная торговля зерном в Средиземноморье в классический период. Города, такие как Рим, полностью зависели от доставки больших объемов зерна парусными судами. По оценкам, перевозка зерна по всему Средиземному морю парусным кораблем Римской империи обходилась дешевле, чем транспортировка того же количества зерна по суше на расстояние в 15 миль. Рим потреблял около 150 000 тонн египетского зерна ежегодно в течение первых трех столетий нашей эры. Схожая, но более поздняя торговля велась углем из шахт, расположенных вблизи реки Тайн, в Лондон – она началась еще в XIV веке и росла по мере увеличения города. В 1795 году в Лондон было доставлено 4395 партий угля. Для этого потребовался флот примерно из 500 парусных угольщиков (совершавших 8 или 9 рейсов в год). К 1839 году этот объем удвоился. (Первый паровой угольщик был спущен на воду только в 1852 году, а парусные угольщики продолжали работать вплоть до XX века.)

Разведка и исследования

Самый ранний образ, намекающий на использование паруса на лодке, может быть изображен на фрагменте керамики из Месопотамии, датированной VI тысячелетием до нашей эры. Считается, что на изображении показана двуногая мачта, установленная на корпусе лодки из тростника – сам парус не изображен. Самое раннее изображение паруса, найденное в Египте, датируется приблизительно 3100 годом до нашей эры. Австронезийские народы использовали паруса задолго до 2000 года до нашей эры. Их экспансия из территорий, соответствующих современному Южному Китаю и Тайваню, началась в 3000 году до нашей эры. Их технологии включали аутригеры, катамараны и паруса типа «крабья клешня», что позволило австронезийской экспансии в период примерно с 3000 по 1500 год до нашей эры охватить острова Юго-Восточной Азии, а затем Микронезию, островную Меланезию, Полинезию и Мадагаскар. Поскольку технология судостроения Китая и австронезийцев не имеет общих черт, эти отличительные особенности должны были быть разработаны либо в начале, либо в какой-то момент после начала экспансии. Они совершали длительные переходы по открытому океану на каноэ с аутригерами, используя методы навигации, такие как схемы из палочек. Способность австронезийских судов ходить против ветра позволяла применять стратегию плавания к ветру во время разведывательных путешествий, с последующим возвращением по ветру для сообщения об открытии или в случае, если земля не была найдена. Это хорошо соответствовало преобладающим ветрам, поскольку острова Тихого океана постепенно колонизировались. К эпохе Великих географических открытий, начавшейся в XV веке, суда с квадратными парусами и несколькими мачтами стали нормой и ориентировались с помощью навигационных методов, включавших магнитный компас и определение местоположения по солнцу и звездам, что позволяло совершать трансокеанские плавания. В эпоху Великих географических открытий парусные корабли использовались в европейских экспедициях вокруг Африки в Китай и Японию, а также через Атлантический океан в Северную и Южную Америку. Позднее парусные суда отправлялись в Арктику для исследования северных морских путей и оценки природных ресурсов. В XVIII и XIX веках парусные суда проводили гидрографические исследования для создания навигационных карт и иногда перевозили на борту ученых, как, например, в путешествиях Джеймса Кука и во втором плавании HMS Beagle с натуралистом Чарльзом Дарвином.

The earliest image suggesting the use of sail on a boat may be on a piece of pottery from Mesopotamia, dated to the 6th millennium BCE. The image is thought to show a bipod mast mounted on the hull of a reed boat – no sail is depicted. The earliest representation of a sail, from Egypt, is dated to circa 3100 BCE. Austronesian peoples used sails from some time before 2000 BCE. Their expansion from what is now Southern China and Taiwan started in 3000 BCE. Their technology came to include outriggers, catamarans, and crab claw sails, which enabled the Austronesian Expansion at around 3000 to 1500 BCE into the islands of Maritime Southeast Asia, and thence to Micronesia, Island Melanesia, Polynesia, and Madagascar. Since there is no commonality between the boat technology of China and the Austronesians, these distinctive characteristics must have been developed at or some time after the beginning of the expansion. They traveled vast distances of open ocean in outrigger canoes using navigation methods such as stick charts. The windward sailing capability of Austronesian boats allowed a strategy of sailing to windward on a voyage of exploration, with a return downwind either to report a discovery or if no land was found. This was well suited to the prevailing winds as Pacific islands were steadily colonized. By the time of the Age of Discovery—starting in the 15th century—square rigged, multi masted vessels were the norm and were guided by navigation techniques that included the magnetic compass and making sightings of the sun and stars that allowed transoceanic voyages. During the Age of Discovery, sailing ships figured in European voyages around Africa to China and Japan; and across the Atlantic Ocean to North and South America. Later, sailing ships ventured into the Arctic to explore northern sea routes and assess natural resources. In the 18th and 19th centuries sailing vessels made Hydrographic surveys to develop charts for navigation and, at times, carried scientists aboard as with the voyages of James Cook and the Second voyage of HMS Beagle with naturalist Charles Darwin.

Торговля

В начале 1800-х годов быстрые шхуны и бригантины, использовавшиеся для прорыва блокады, – Балтиморские клиперы – эволюционировали в трехмачтовые парусники с корабельным вооружением, отличавшиеся изящными обводами, которые увеличивали скорость, но уменьшали вместимость для высокоценных грузов, таких как чай из Китая. Мачты достигали высоты 30 метров и позволяли развивать скорость, обеспечивая прохождение до 24 морских миль в сутки. Клиперы уступили место более крупным и медленным судам, которые стали экономически конкурентоспособными в середине XIX века. Появились схемы вооружения, включавшие только передние и задние паруса (шхуны) или их сочетание (бригантины, барки и баркентины). Парусники с железным корпусом представляли собой заключительный этап эволюции парусного флота в конце эпохи парусного судоходства. Они строились для перевозки навалочных грузов на большие расстояния в XIX и начале XX веков. Это были крупнейшие торговые парусники, с тремя-пятью мачтами и прямыми парусами, а также другими схемами вооружения. Они перевозили навалочные грузы между континентами. Парусники с железным корпусом строились преимущественно с 1870-х по 1900 год, когда пароходы стали экономически превосходить их благодаря способности соблюдать расписание независимо от ветра. Приблизительно в то же время железные корпуса стали заменять стальные. Даже в XX веке парусные суда могли успешно конкурировать на трансокеанских маршрутах, таких как Австралия – Европа, поскольку им не требовалось бункеровать уголь или запасать пресную воду для паровых машин, и они были быстрее ранних пароходов, которые обычно едва могли развивать скорость… В конечном итоге, независимость пароходов от ветра и их способность использовать более короткие маршруты через Суэцкий и Панамский каналы сделали парусные суда нерентабельными.

Морская мощь

До широкого распространения кораблей, построенных по карвельному методу, использующих внутренний каркас для поддержания веса и позволяющих прорубать орудийные порты в борту, парусные корабли служили лишь для доставки воинов к врагу для абордажного боя. Ранние финикийские, греческие и римские галеры таранили друг друга, а затем перебрасывались на палубу противника для продолжения рукопашной схватки, что требовало от них скорости и маневренности. Эта потребность в скорости привела к созданию более длинных кораблей с несколькими ярусами весел по бокам – бирем и трирем. В этот период парусные суда обычно использовались в качестве торговых. К 1500 году орудийные порты позволили парусникам подходить к вражескому кораблю и вести огонь с борта несколькими пушками. Это развитие позволило военно-морским флотам выстраиваться в боевую линию, где военные корабли сохраняли свое место для ведения боя с противником параллельным курсом или под прямым углом.

Современные приложения

Хотя использование парусных судов в торговле или для военных целей уступило место судам с двигателями, коммерческие операции, предлагающие пассажирам парусные круизы, продолжают существовать. Современные военно-морские флоты также используют парусные суда для обучения курсантов морскому делу. Большая часть современных парусных судов используется для отдыха и спорта.

Отдых

Рекреационное парусное плавание можно разделить на две категории: дневное плавание, когда ночуют на берегу, и круизное плавание, когда остаются на борту. Дневное плавание позволяет прежде всего насладиться удовольствием от управления парусником. Определенного пункта назначения не требуется. Это возможность разделить этот опыт с другими. Различные лодки без кают для ночлега, размером от 3 до более 9 метров, можно отнести к лодкам для дневного плавания. Круиз на парусной яхте может быть прибрежным или океанским, предполагающим выход в открытое море и использование парусников, пригодных для длительного пребывания на борту. Популярные прибрежные районы для круизов включают Средиземное и Черное моря, Северную и Западную Европу, острова Северной Атлантики, Западную Африку и острова Южной Атлантики, Карибский бассейн, а также регионы Северной и Центральной Америки. Океанские переходы на парусных судах совершаются по маршрутам через океаны по всему миру. Существуют круговые маршруты между Америкой и Европой, а также между Южной Африкой и Южной Америкой. Множество маршрутов пролегают из Америки, Австралии, Новой Зеландии и Азии к островным государствам в южной части Тихого океана. Некоторые яхтсмены совершают кругосветные путешествия.

Спорт

Парусный спорт организован иерархически, начиная с уровня яхт-клуба и достигая национальных и международных федераций; он может включать в себя гонки на яхтах, парусных дингиях или других небольших открытых парусных судах, включая ледовые яхты и наземные парусные суда. Гонками на парусниках управляет World Sailing, при этом большинство форматов гонок используют Правила гонок на парусниках. Парусный спорт включает в себя множество различных дисциплин, таких как:
Океанские гонки, проводимые на большие расстояния в открытом море, часто длящиеся несколько дней и включающие кругосветные плавания, например Vendée Globe и The Ocean Race. Гонки флота, в которых участвуют несколько лодок в регате, состоящей из нескольких гонок или заездов. Матч-рейс – это соревнование между двумя лодками, как, например, в Кубке Америки, где соперники стремятся первыми пересечь финишную черту. Командный рейc – соревнование между двумя командами по три лодки в каждой, формат которого аналогичен матч-рейсу. Скоростной парусный спорт – установление новых рекордов для различных категорий судов под контролем Всемирного совета по скоростным рекордам парусного спорта. В виндсерфинге существует множество дисциплин, специфичных для этого вида спорта.

Точка паруса

Способность парусного судна извлекать энергию из ветра зависит от курса, на котором оно идет – направления движения под парусом относительно истинного направления ветра над поверхностью. Основные курсы примерно соответствуют 45° секторам круга, начиная с 0° прямо против ветра. Для многих парусных судов сектор в 45° по обе стороны от ветра является "запретной зоной", где парус не может использовать энергию ветра. На ледовых яхтах боковые силы уравновешиваются боковым сопротивлением полозьев и расстоянием между ними, что обычно предотвращает крен.

Курс под парусом

Ветер и течения – важные факторы, которые необходимо учитывать при планировании как морского, так и прибрежного плавания. Прогнозирование наличия, силы и направления ветра – ключ к использованию его энергии для движения по желаемому курсу. Океанские течения, приливы и речные течения могут сбивать парусное судно с намеченного курса. Если желаемый курс попадает в зону недостижимости, судно должно следовать зигзагообразным маршрутом против ветра, чтобы достичь своей точки маршрута или пункта назначения. При попутном ветре некоторые высокоскоростные парусные суда могут быстрее достичь пункта назначения, двигаясь зигзагом, используя широкие галсы. Для обхода препятствий или прохождения по каналу также может потребоваться изменение направления относительно ветра, что влечет за собой смену галса, когда ветер оказывается с противоположной стороны судна по сравнению с предыдущим положением. Смена галса называется "оверштаг", когда ветер пересекает нос судна при повороте, и "переклад руля" (или "гибинг"), если ветер проходит по корме.

Вверх по ветру

Парусник может идти курсом в любом направлении за пределами своей зоны недостижимости. Если следующая точка маршрута или пункт назначения находится в пределах дуги, определяемой зоной недостижимости от текущего положения судна, то ему необходимо выполнить серию поворотов (оверштагов) для достижения цели ломаным курсом, называемым ходом против ветра. Прогресс по этому маршруту называется курсом, сделанным по отношению к цели; скорость между начальной и конечной точками маршрута называется скоростью, сделанной по отношению к цели, и рассчитывается как расстояние между двумя точками, деленное на время в пути. Линия, ограничивающая подход к точке, позволяющая паруснику покинуть её с подветренного борта, называется ватерлинией. В то время как некоторые яхты с бермудским вооружением могут идти под углом до 30° к ветру, шлюповые и кетчевые оснастки предназначены для работы с ветром с любого борта, в то время как квадратные и воздушные змеи рассчитаны на то, чтобы ветер дул только с одной стороны паруса. Поскольку боковые силы ветра максимальны на парусном судне, идущем бакштагами и ходящем против ветра, сопротивление воды вокруг киля, центрального киля, руля и других подводных плавников также максимально, чтобы уменьшить снос – скольжение судна под ветром от заданного курса. Ледовые яхты и наземные яхты минимизируют боковое скольжение за счет бокового сопротивления, создаваемого их полозьями или колесами.

Смена рейса по ходу

Оборачивание или поворот фордевинд — это маневр, при котором парусное судно поворачивает нос в ветер и через него (так называемый «глаз ветра»), так что кажущийся ветер меняет направление с одного борта на другой, позволяя двигаться на противоположном галсе. Тип парусного вооружения определяет процедуры и ограничения при выполнении поворота. Парусные суда с передне-задним вооружением позволяют парусам свободно трепетать во время поворота; суда с квадратным вооружением должны представлять ветру всю площадь паруса при переходе с одного борта на другой; а виндсерферы используют гибко поворачивающиеся и полностью вращающиеся мачты, которые перебрасываются с борта на борт.

Подветренный

Парусник может двигаться прямо по ветру только со скоростью, меньшей скорости ветра. Однако различные парусные суда могут достигать большей эффективной скорости при попутном ветре, двигаясь серией галсов, прерываемых поворотами через корму. Это справедливо для ледовых яхт и песчаных яхт. На воде это было исследовано парусными судами, начиная с 1975 года, и теперь распространяется на высокоскоростные шлюпы, катамараны и парусники на гидрокрыльях. Плавание по каналу или попутному курсу среди препятствий может потребовать изменения направления, что влечет за собой смену галса, выполняемую поворотом через корму.

Смена курса по поводу

Джибинг или гибинг – это парусный маневр, при котором парусное судно поворачивает кормой через ветер, так что кажущийся ветер меняет направление с одной стороны на другую, позволяя двигаться на противоположном галсе. Этот маневр можно выполнять на небольших лодках, тянув руль к себе (на противоположную от паруса сторону). Моряки предсказывают направление и силу ветра, опираясь на знания о зонах высокого и низкого давления, а также о связанных с ними погодных фронтах. В прибрежных районах моряки учитывают суточные изменения направления ветра – ночью ветер дует с берега, а днем – на берег. Местные временные изменения ветра называются попутным ветром (лифтом), когда они улучшают способность судна двигаться по курсу к следующей точке маршрута. Неблагоприятные изменения ветра называются встречным ветром (хедером).

Jibing or gybing is a sailing maneuver by which a sailing craft turns its stern past the eye of the wind so that the apparent wind changes from one side to the other, allowing progress on the opposite tack. This maneuver can be done on smaller boats by pulling the tiller towards yourself (the opposite side of the sail). Sailors predict wind direction and strength with knowledge of high and low pressure areas, and the weather fronts that accompany them. Along coastal areas, sailors contend with diurnal changes in wind direction—flowing off the shore at night and onto the shore during the day. Local temporary wind shifts are called lifts, when they improve the sailing craft's ability travel along its rhumb line in the direction of the next waypoint. Unfavorable wind shifts are called headers. Currents – On a global scale, vessels making long voyages must take major ocean current circulation into account. Major oceanic currents, like the Gulf Stream in the Atlantic Ocean and the Kuroshio Current in the Pacific Ocean require planning for the effect that they will have on a transiting vessel's track. Likewise, tides affect a vessel's track, especially in areas with large tidal ranges, Mariners use tide and current tables to inform their navigation. Towards the end of the Age of Sail, steam powered machinery reduced the number of crew required to trim sail. Adjustment of the angle of a fore and aft sail with respect to the apparent wind is controlled with a line, called a "sheet". On points of sail between close hauled and a broad reach, the goal is typically to create flow along the sail to maximize power through lift. Streamers placed on the surface of the sail, called tell tales, indicate whether that flow is smooth or turbulent. Smooth flow on both sides indicates proper trim. A jib and mainsail are typically configured to be adjusted to create a smooth laminar flow, leading from one to the other in what is called the "slot effect". On downwind points of sail, power is achieved primarily with the wind pushing on the sail, as indicated by drooping tell tales. Spinnakers are light weight, large area, highly curved sails that are adapted to sailing off the wind.

Течения – В глобальном масштабе суда, совершающие дальние плавания, должны учитывать основные океанические течения. Крупные океанические течения, такие как Гольфстрим в Атлантическом океане и Куросио в Тихом океане, требуют планирования с учетом их влияния на траекторию судна. Аналогично, приливы и отливы влияют на траекторию судна, особенно в районах с большими амплитудами приливов. Моряки используют таблицы приливов и течений для навигации. К концу эпохи парусного флота паровые машины уменьшили численность экипажа, необходимого для управления парусами. Угол переднего и заднего паруса относительно кажущегося ветра регулируется с помощью шкота. При курсах между бакштагом и оверштагом обычно стремятся создать обтекание паруса для максимальной подъемной силы. На поверхности паруса расположены индикаторы воздушного потока (флюгерные ленты), которые показывают, является ли обтекание плавным или турбулентным. Плавное обтекание с обеих сторон указывает на правильную настройку паруса. Обычно джиб и грот настраиваются для создания плавного ламинарного потока, переходящего от одного паруса к другому, создавая так называемый "щелевой эффект". При попутных курсах сила достигается в основном за счет давления ветра на парус, что проявляется в отклонении флюгерных лент. Спиннакеры – это легкие, большие по площади, сильно изогнутые паруса, предназначенные для плавания с попутным ветром.

Снижение паруса

Уменьшение площади парусов на судах с прямыми парусами достигалось за счет уменьшения видимой части каждого паруса, поджимая его с помощью рифовых узлов.

Морские термины

Морские термины для элементов судна: правый борт (starboard), левый борт (port или larboard), вперёд (forward или fore), назад (aft или abaft), нос (передняя часть корпуса), корма (задняя часть корпуса), ширина (beam – самая широкая часть). К снастям, поддерживающим паруса, относятся мачты, бумы, реи, гафель и рангоуты. Подвижные снасти, управляющие парусами или другим оборудованием, в совокупности называются бегучим такелажем судна. Снасти, поднимающие паруса, называются гальсами, а те, что их спускают – шкотами. Снасти, регулирующие (подтягивающие) паруса, называются листами. Их часто называют по имени паруса, которым они управляют (например, шкот главного паруса или шкот стакселя). Усы используются для управления концами других рангоутов, таких как спинкерный рангоут. Снасти, используемые для привязывания лодки к причалу, называются швартовыми, швартовыми тросами или швартовыми. Род – это снасть, соединяющая якорь с лодкой.

Физика парусов

Физика парусного спорта обусловлена балансом сил между ветром, приводящим в движение парусное судно при обтекании парусов, и сопротивлением судна отклонению от курса, которое обеспечивается в воде килем, рулем, подводными крыльями и другими элементами подводной части парусника, на льду – полозьями ледохода, а на суше – колесами парусного наземного транспортного средства. Силы, действующие на паруса, зависят от скорости и направления ветра, а также от скорости и направления движения судна. Скорость судна в определенной точке хода влияет на "кажущийся ветер" – скорость и направление ветра, измеренные на движущемся судне. Кажущийся ветер, воздействуя на парус, создает общую аэродинамическую силу, которую можно разложить на силу сопротивления – составляющую, направленную по направлению кажущегося ветра, – и силу подъема – составляющую, перпендикулярную (под углом 90°) к кажущемуся ветру. В зависимости от угла атаки паруса относительно кажущегося ветра, преобладающей движущей силой может быть либо подъемная сила, либо сила сопротивления. В зависимости от угла атаки паруса относительно кажущегося ветра, каждый парус обеспечивает движущую силу судна либо за счет ламинарного потока с преобладанием подъемной силы, либо за счет турбулентного потока с преобладанием силы сопротивления. Кроме того, паруса могут взаимодействовать друг с другом, создавая силы, отличные от суммы индивидуальных вкладов каждого паруса при их использовании по отдельности.

Видимое сопротивление ветра

Термин "скорость" относится как к величине скорости, так и к направлению. Применительно к ветру, кажущаяся скорость ветра (VA) – это скорость воздушного потока, воздействующего на переднюю кромку самого переднего паруса или ощущаемая приборами или экипажем движущегося парусного судна. В морской терминологии скорость ветра обычно выражается в узлах, а углы ветра – в градусах. Все парусные суда достигают постоянной скорости движения вперед (VB) при заданной истинной скорости ветра (VT) и курсе. Курс судна влияет на его скорость при заданной истинной скорости ветра. Обычные парусные суда не могут извлекать энергию из ветра в зоне "недостижимости", которая находится примерно на 40°–50° от направления истинного ветра, в зависимости от типа судна. Аналогично, скорость движения непосредственно по ветру для всех обычных парусных судов ограничена истинной скоростью ветра. По мере удаления парусника от ветра кажущаяся скорость ветра уменьшается, а поперечная составляющая – снижается; максимальная скорость лодки достигается при курсе бакштаг. Для обеспечения аэродинамического эффекта парус на паруснике убирается дальше, когда курс отклоняется от ветра. По мере удаления ледохода от ветра кажущаяся скорость ветра незначительно увеличивается, а максимальная скорость лодки достигается при широком бакштаге. Для обеспечения аэродинамического эффекта парус на ледоходе подбирается для всех трех курсов.

Подъем и тяга парусов

Подъемная сила на парусе, действующем как профиль, возникает в направлении, перпендикулярном набегающему потоку воздуха (кажущемуся ветру для переднего паруса) и является результатом разницы давлений между наветренной и подветренной сторонами паруса, зависящей от угла атаки, формы паруса, плотности воздуха и скорости кажущегося ветра. Подъемная сила возникает из-за того, что среднее давление на наветренной поверхности паруса выше, чем среднее давление на подветренной стороне. Эти различия в давлении возникают в сочетании с изогнутым обтеканием. Когда воздух следует по изогнутой траектории вдоль наветренной стороны паруса, возникает градиент давления, перпендикулярный направлению потока, с более высоким давлением на внешней стороне кривизны и более низким давлением на внутренней. Для создания подъемной силы парус должен быть ориентирован под "углом атаки" между хордой паруса и скоростью кажущегося ветра. Угол атаки зависит как от курса судна, так и от настройки паруса относительно кажущегося ветра. С увеличением подъемной силы, создаваемой парусом, увеличивается и индуктивное сопротивление, которое вместе с паразитным сопротивлением составляет общее сопротивление, действующее в направлении, параллельном набегающему потоку воздуха. Это происходит при увеличении угла атаки за счет регулировки паруса или изменения курса, что приводит к увеличению коэффициента подъемной силы до точки срыва потока, а также коэффициента индуктивного сопротивления. При начале срыва потока подъемная сила и индуктивное сопротивление резко уменьшаются. Паруса, на которые направлен кажущийся ветер сзади (особенно при спуске по ветру), работают в режиме срыва потока. Подъемная сила и сопротивление являются составляющими общей аэродинамической силы, действующей на парус, которой противодействуют силы в воде (для лодки) или на опорной поверхности (для ледохода или сухопутного парусного судна). Паруса работают в двух основных режимах: в режиме преобладания подъемной силы парус ведет себя аналогично крылу с обтеканием обеих поверхностей; в режиме преобладания сопротивления парус ведет себя аналогично парашюту с отрывным обтеканием и образованием вихрей вокруг паруса.

Lift on a sail, acting as an airfoil, occurs in a direction perpendicular to the incident airstream (the apparent wind velocity for the headsail) and is a result of pressure differences between the windward and leeward surfaces and depends on the angle of attack, sail shape, air density, and speed of the apparent wind. The lift force results from the average pressure on the windward surface of the sail being higher than the average pressure on the leeward side. These pressure differences arise in conjunction with the curved airflow. As air follows a curved path along the windward side of a sail, there is a pressure gradient perpendicular to the flow direction with higher pressure on the outside of the curve and lower pressure on the inside. To generate lift, a sail must present an "angle of attack" between the chord line of the sail and the apparent wind velocity. The angle of attack is a function of both the craft's point of sail and how the sail is adjusted with respect to the apparent wind. As the lift generated by a sail increases, so does lift induced drag, which together with parasitic drag constitute total drag, which acts in a direction parallel to the incident airstream. This occurs as the angle of attack increases with sail trim or change of course and causes the lift coefficient to increase up to the point of aerodynamic stall along with the lift induced drag coefficient. At the onset of stall, lift is abruptly decreased, as is lift induced drag. Sails with the apparent wind behind them (especially going downwind) operate in a stalled condition. Lift and drag are components of the total aerodynamic force on sail, which are resisted by forces in the water (for a boat) or on the traveled surface (for an iceboat or land sailing craft). Sails act in two basic modes; under the lift predominant mode, the sail behaves in a manner analogous to a wing with airflow attached to both surfaces; under the drag predominant mode, the sail acts in a manner analogous to a parachute with airflow in detached flow, eddying around the sail.

Преобладание подъема (режим "крыло")

Паруса позволяют судну идти против ветра благодаря их способности создавать подъемную силу (и способности судна противодействовать возникающим боковым силам). Каждая конфигурация паруса характеризуется своим коэффициентом подъемной силы и соответствующим коэффициентом сопротивления, которые можно определить экспериментально и рассчитать теоретически. Парусные суда ориентируют паруса под выгодным углом атаки между передней кромкой паруса и кажущимся ветром, даже при изменении курса. Способность создавать подъемную силу ограничена слишком близким ходом к ветру, когда эффективный угол атаки для создания подъемной силы отсутствует (что вызывает срыв потока), и ходом в достаточном отстое от ветра, когда парус не может быть ориентирован под выгодным углом атаки, чтобы предотвратить сваливание паруса из-за отрыва потока.

Изменение ветра с высотой и временем

Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью; при этом скорость ветра может меняться на протяжении коротких промежутков времени в виде порывов. Ветровой сдвиг влияет на движущееся парусное судно, создавая разную скорость и направление ветра на разных высотах вдоль мачты. Ветровой сдвиг возникает из-за трения над водной поверхностью, замедляющего воздушный поток. Отношение скорости ветра у поверхности к скорости ветра на высоте над поверхностью изменяется по степенному закону с показателем 0,11–0,13 над океаном. Это означает, что ветер на высоте 3 м над водой будет примерно на уровне над водой. Следовательно, паруса, достигающие большей высоты над поверхностью, могут испытывать более сильное воздействие ветра, что смещает центр давления вверх и увеличивает момент крена. Кроме того, кажущееся направление ветра смещается в корму с увеличением высоты над водой, что может потребовать соответствующего изменения формы паруса для обеспечения обтекаемого потока на всей его высоте. Порывы ветра можно предсказать, используя тот же показатель, который применяется для ветрового сдвига, выступая в качестве коэффициента порывов. Таким образом, можно ожидать, что порывы будут примерно в 1,5 раза сильнее преобладающей скорости ветра (например, ветер в 10 узлов может достигать 15 узлов). Это, в сочетании с изменениями направления ветра, определяет, насколько сильно паруснику необходимо корректировать угол атаки паруса при порывах ветра на заданном курсе.

Физика корпуса

Водные парусные суда полагаются на конструкцию корпуса и киля для обеспечения минимального сопротивления движению вперед, противодействующего тяге парусов, и максимального сопротивления боковым силам, создаваемым ими. В современных парусниках сопротивление снижается за счет контроля формы корпуса (острого или тупого), надстроек и гладкости поверхности. Киль или другие подводные плавники обеспечивают боковое сопротивление силам, действующим на паруса. Крен увеличивает как сопротивление, так и способность судна удерживать заданный курс. Образование волн для судна с вытеснительным корпусом является еще одним важным фактором, ограничивающим скорость.

Перетащить

Сопротивление формы описывается призматическим коэффициентом, Cp = вытесненный объем судна, разделенный на длину по ватерлинии, умноженную на максимальную площадь мидель-сечения – максимальное значение Cp = 1,0 достигается при постоянной площади поперечного сечения, как, например, у баржи. Для современных парусных яхт значения 0,53 ≤ Cp ≤ 0,6 наиболее вероятны из-за сужающейся формы подводной части корпуса к носу и корме. Уменьшение внутреннего объема позволяет создать более изящный корпус с меньшим сопротивлением. Поскольку киль или другой подводный элемент создает подъемную силу, он также создает сопротивление, которое возрастает при крене судна. Смочиваемая поверхность корпуса влияет на общую величину трения между водой и поверхностью корпуса, создавая дополнительную составляющую сопротивления.