Дата публикации: Nov 09, 2014 5:12:51 PM

Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.

Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней — пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.

Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии — яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.

Лавирование навстречу ветру

Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) — правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.

Самое быстрое парусное вооружение?

Оригинальное название статьи «The fastest Rig?». В ней описываются результаты сравнительных испытаний бермудского, шпринтового, гафельного и латинского вооружения. Свое личное мнение выскажу в послесловии.

Адрес источника: http://bateaubois.free.fr/file/rigs.pdf

Похоже, что указанный выше сайт «умирает». Поэтому для сохранности переношу скан статьи на мой сайт.

Скачать оригинал статьи (на английском языке):

Я не нашел точную дату публикации этой статьи. Вероятно, это было в 80-х годах. На странице https://www.christinedemerchant.com/sail_sprit_sail.html сказано, что результаты были подтверждены новой серией тестов в 1990-м году.

Перевод с английского мой (Максим Мурадьян). В квадратных скобках размещены мои примечания в тексте.

Недавние исследования различных парусных вооружений, используемых на небольших рыболовных судах в странах третьего мира, дали неожиданные результаты, пишет Колин Палмер (Colin Palmer) из Gifford Technology.

Судя по подавляющему большинству современных яхт, будь то гоночные или крейсерские конструкции, бермудское парусное вооружение должно быть лучшим из существующих. Разумеется, есть некоторое несогласие со стороны тех, кто утверждает, что их живописные «старые гафели» лучше работают на попутных курсах и проще управляются, но их немного, и их почему-то считают консерваторами, которые не хотят меняться. Любой современный, дальновидный яхтсмен знает, что бермудское парусное вооружение — это то, к чему надо стремиться. В конце концов, гоночные правила в последнее время стимулировали его развитие.

Но почему? В чем заключается основание для этого предполагаемого превосходства? Посмотрите внимательнее, и вы обнаружите, что корректные сравнения не производятся на подобной основе. Бермудское вооружение, как правило, устанавливается на лодки с легкими обтекаемыми корпусами, тогда как традиционные вооружения обычно появляются на более солидных лодках. В таких условиях невозможно сделать правильные выводы об эффективности парусного вооружения.

Многие тысячи рыбаков стран третьего мира по-прежнему полагаются на использование силы паруса для ежедневной жизни, и для помощи им существует множество проектов развития. Одно из предполагаемых будущих улучшений — это традиционное парусное вооружение, которую они используют. Говорят, что оно должен быть модернизировано, и часто считается что оно должно быть изменено на бермудское парусное вооружение, следуя примеру развитого мира.

Чтобы сделать действительно полезные рекомендации, необходимо установить достоинства различных парусных вооружениях. Единственный способ сделать это — сравнить в справедливых и контролируемых условиях. Возьмите две одинаковые лодки, одну с бермудским парусом, а другую с альтернативным. Отправляйте их соревноваться друг против друга и измеряйте разницу в скорости. Это кажется очевидным, но, как ни удивительно, это, кажется, никогда не было сделано раньше. Мнение о превосходстве одного паруса над другим основано, главным образом, на слухах и результатах очень субъективных сравнений.

В рамках исследования мер по энергосбережению в промышленном рыболовстве стран третьего мира, финансируемых CEC, Gifford Technology из Саутгемптона провела то, что, вероятно, является первым действительно сравнительным испытанием. Используя два идентичных катамарана, мы оснастили один «родным» бермудским парусным вооружением и запустили его соревноваться с другой лодкой, оснащенной в свою очередь латинским, шпринтовым и гафельным парусным вооружением.

Шпринтовое парусное вооружение

Латинское парусное вооружение

Гафельное парусное вооружение

Бермудское парусное вооружение

Результаты были неожиданными и перевернули общие представления о бермудском вооружении. Лучшим вооружением, со всех точек зрения на парус, был шпринтовый парус. Его превосходство было особенно заметно при движении острыми курсами. Гафельный парус занял второе место, а затем бермудский и латинский.

На первый взгляд эти результаты почти невероятны. Шпринтовый парус лучше на острых курсах, чем бермудский? Как это могло произойти? В поисках причин мы должны рассмотреть основы аэродинамики.

Уже давно признано, что аэродинамически треугольник является очень плохой формой в плане. Паруса должны стремиться к классическому эллипсу, хотя на практике прямоугольник к этому очень близок; намного лучше, чем треугольник. Так что нужен прямоугольный парус, и шпринтовый парус в этом смысле подходит.

В наших испытаниях он использовался с небольшим стакселем, чтобы сгладить поток вокруг мачты и дать дополнительную тягу, возникающую из-за щелевого эффекта [Наличие «щелевого эффекта» из-за взаимодействия грота и стакселя до сих пор вызывает споры и не доказано. — прим. переводчика]. Поскольку общая площадь парусов ограничена, была выбрана комбинация большого грота / малого стакселя. Это может показаться странным в свете гоночных яхт с огромными перекрывающими генуями [генуэзскими стакселями — прим. переводчика], но это вызвано правилами гонок, а не аэродинамикой.

Область перекрытия генуи является «свободной» зоной для гоночных лодок [не входит в обмер — прим. переводчика], поэтому чем больше, тем лучше. Напротив, коммерческий моряк должен заплатить за каждый квадратный метр паруса. Он совершенно не захочет размещать его в больших перекрывающихся парусах; площадь, закрытая другой площадью менее эффективна.

Для тех, кто хочет продолжить эти рассуждения, имеется много соответствующей информации в прекрасной книге C.A. Marchaj «Aero-Hydrodynamics of Sailing» [Ч. Мархай «Теория плавания под парусами» — прим. переводчика]. В самом деле, он посвящает некоторые из тридцати четырех страниц Раздела 2D ясному обсуждению влияния формы паруса и завершает, критикуя ограничительные эффекты гоночных правил на разработку неортодоксальных и потенциально превосходных парусных вооружений [в издании на русском языке это по-видимому «Часть1. Глава 11 Форма паруса» — прим. переводчика]. Все это было написано задолго до наших испытаний и основано на мысленном обзоре известных характеристик парусов и аэродинамической теории. Теперь у нас есть результаты испытаний, которые подтверждают его рассуждения.

Парусные вооружения, используемые в сравнительных испытаниях, были выбраны как подходящие для рабочих судов. Таким образом, бермудский парус не имеет чрезвычайно высокого соотношения сторон [небольшое удлинение — прим. переводчика], и он не снабжен элементами управления для выдавливания последнего маленького прироста скорости. Вместо этого это было простое вооружение, какое можно найти на современной, быстрой крейсерской лодке. Использовался алюминиевый рангоут, такелаж из нержавеющей стали и паруса из терилена (Terylene).

Другие парусные вооружения были более простыми по концепции, использовались деревянный рангоут и шнуровка для крепления паруса. Однако паруса были сделаны из терилена (Terylene).

Для испытаний мы использовали два идентичных шестиметровых катамарана. Они были выбраны, так как катамаран менее чувствителен к кренам и поэтому менее требователен к навыкам рулевого; целью испытаний было сравнение парусного вооружения, а не рулевых. Кроме того, уменьшение качки дало более устойчивый поток воздуха над парусом, поэтому упростилось прямое сравнение.

Другим преимуществом катамарана является то, что, будучи остойчивым, он также имеет малый вес. Это приводит к относительно равномерному повышению сопротивления при росте скорости (по сравнению с более тяжелой водоизмещающей лодкой), это означает, что скорость изменяется быстрее с изменением тяги парусов, что дает более точное измерение различий в производительности парусного вооружения.

Самое быстрое парусное вооружение (слева) — разве это мог быть простой шпринтовый парус, движущая сила баржи на Темзе? Испытания показывают, что это не латинский парус египетского доу (справа).

Проигравший гафельный парус (слева) хорошо проявил себя против бермудского (справа), который стал третьим из четырех претендентов

Во время испытаний были приняты два разных подхода. Вначале бермудская лодка и латинская лодка шли индивидуально разными курсами мимо пришвартованной лодки, на которой записывалась скорость и направление ветра на магнитной ленте. Скорость лодок измерялась с берега путем триангуляции с теодолитами. Использовался компьютер для записи и анализа данных, и после большого количества прогонов был получен график скорости лодки в зависимости от курса относительно ветра.

Результат показал значительный разброс, и из них было трудно вывести истинную картину разницы между парусными вооружениями.

В качестве альтернативы был проведен еще один ряд испытаний, в ходе которых лодки соревновались друг против друга на заранее определенных курсах. Большое количество фиксированных свай и навигационных знаков вокруг опытной акватории (Calshot около Саутгемптона) дали широкий выбор ориентиров, соответствующих всем условиям ветра.

В кубке Америки модные лодки соревновались друг против друга. Как и в случае с Кубком Америки, экипажам было предложено выжать максимум из своих лодок, экспериментируя со шкотами и техникой парусного спорта, но были и отличия от Кубка Америки. Вместо того, чтобы прикрывать ветер друг другу, они старались держаться подальше друг от друга. Если лодка была перегружена ветром на полном курсе, это было сделано как можно проще [If the boat was overtacking on a down-wind leg this was made as easy as possible. — Не совсем понял эту фразу — прим. переводчика]. Это было совместное соревнование, каждая лодка должна была идти наилучшим образом; сложная дисциплина для моряков-спортсменов, но вскоре они стали привыкать к ней и обеспечили измерение истинной относительной скорости лодок.

Был выбран широкий диапазон курсов от левентика до фордевинда. На каждом курсе было замечено время прохождения двух лодок между фиксированными отметками. Поскольку они плавали вместе, насколько это возможно, эффект прилива и ветра испытывался одинаково на каждой лодке. Испытания проводились на ветрах от 5 до 10 узлов, в зоне защищенной воды.

В отличие от прямых измерений эти сравнительные испытания дали очень последовательные и повторяющиеся результаты. Используя оснащенную бермудским парусом лодку в качестве пробной лошади для каждого из других вооружений, была установлена достоверная картина относительной производительности. Измерения времени, затрачиваемого на покрытие известных расстояний, позволяли измерять разницу скоростей.

Шпринтовое парусное вооружение доказало, что имеет лучшую общую производительность. Оно шло острее и быстрее, давая скорость на остром курсе на 30% быстрее, чем бермудский парус. На полном курсе шпринтовый парус в среднем на 5-10 процентов быстрее. Прямо по ветру (фордевинд) два вооружения дали очень похожие скорости.

Гафельное вооружение также превосходило бермудское на острых курсах, но с меньшим отрывом около 15 процентов. На полном бейдевинде, гафельный парус не быстрее бермудского, но на полных курсах он был на 5-10 процентов быстрее. На фордевинде, опять же, между ними было мало различий.

На очень слабых ветрах латинское вооружение работает очень похоже на бермудское, но по мере того как сила ветра увеличивалась до 8 узлов или более, его производительность снижалась на всех курсах, кроме полных. На бейдевинде оно было на 30 процентов медленнее, чем бермудское вооружение.

Полярная диаграмма скоростей, которая доказывает, что для всех курсов лучшим является шпринтовый парус

Точные измеренные пределы скорости, очевидно, применимы только к конкретным испытаниям, но они, без сомнения, отражают общие тенденции, которые справедливы для относительно легких ветров, обычно встречающихся в тропических странах.

Они также применяются только для шпринтовых, гафельных и латинских парусов, оснащенных эренс-бакштагами — линями, прикрепленным к рейкам, и используемых для удержания их на ветер. Это уменьшает скручивание паруса, что оказывает существенное влияние на производительность на острых курсах. Плохую работу нашего латинского паруса можно отнести частично к трудностям, связанным с управлением его реем.

Послесловие переводчика и, по совместительству, автора блога

При всей моей любви к классическим парусам, столь оптимистические результаты этого эксперимента вызывают большие сомнения – 30% процентов превышения скорости шпринтового паруса по сравнению с бермудским на курсе 40° к ветру, это явная ошибка в методике испытаний или анализе результатов.

Когда я изучал книгу Мархая, запомнился один из выводов: на острых курсах паруса с малым удлинением (низкие и широкие, типа шпринтового) действительно имеют подъемную силу (силу тяги) на 30-50% большую, чем паруса большого удлинения (типа бермудских). Но эти результаты были получены при обдувании жестких пластин. Реальные паруса сильно скручиваются по высоте и их сила тяги падает. Поэтому очень интересно замечание в статье о применении эренс-бакштагов – снастей, позволяющих регулировать закрутку гафельных и шпринтовых парусов по высоте. Это действительно должно повысить их качество.

Но у парусов малого удлинения на острых курсах резко возрастает (в 2-3 раза) сила бокового сопротивления, вызывающая крен и дрейф. Крен резко снижает эффективность любого паруса. Возможно, высокие результаты отчасти объясняются применением катамарана в качестве базового судна, его высокая начальная остойчивость позволила идти с минимальным креном.

Дрейф резко снижает скорость судна по генеральному курсу. Этим, возможно, и объясняются объявленные результаты. Яхта под шпринтовым и гафельным парусом действительно имела высокую скорость на галсе (что и было измерено «путем триангуляции с теодолитами»), но из-за большого дрейфа «полезная» скорость по генеральному курсу наверняка была намного ниже.

Тем не менее, мое мнение неизменно – потенциал «устаревших» парусных вооружений еще явно не раскрыт.

И в заключении фото яхты с вполне себе современным вооружением. Вот только чем является верхняя лата этого великолепного грота, как не гибким шпринтовом?

Современный грот со сквозными латами

Высказывайте свое мнение в комментариях. Подписывайтесь на рассылку, чтобы не пропустить новые публикации.

Самое быстрое парусное вооружение?

Метки:Парусное вооружение Шпринтовый парус