Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» – или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал – около четверти прямого угла, – и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q , перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q , которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q , которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R , перпендикулярную к килю, и силу S , направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S , которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова.
Однажды, сидя у костра, два моих знакомых ученых - физика заспорили об утверждении одного из них, что буер (это такая доска с парусом на коньках) способен двигаться со скоростью до 100км/час, что значительно быстрее ветра, который дует в тот момент. Чтобы подтвердить или опровергнуть это утверждение, они пару часов выводили разные формулы, выпили пол-литра и пришли к выводу, что это невозможно. А я сделал вывод, что мало кто толком понимает, как работают паруса , поскольку это не просто невозможно, а вполне реальный факт, и я вам сейчас открою секрет , которого не знают даже кандидаты наук.
Сначала представим, что мы на свою лодку поставили мачту, сверху прикрепили горизонтальную палку – рею, на нее привяжем квадратное полотнище, за нижние углы полотнища привяжем веревочки и закрепим их на палубе, тогда получим самое древнее парусное вооружение, типа всем известного золоторунного «Арго». Направим лодку так, чтобы ветер дул в корму, парус поставим перпендикулярно ветру и линии движения. Тогда ветер будет давить на парус с силой СВ (сила ветра), лодка, особенно ее подводная часть, будет сопротивляться движению с силой ЛС (лобовое сопротивление), а сила тяги Т при этом, безусловно, будет равна СВ - ЛС. (рис. 1а). Стоит ли разъяснять, что лодка с таким парусом действительно никогда не сможет плыть быстрее ветра.
Тут вдруг мы увидели слева по-борту удобную бухту с пивной у причала и повернули влево на 45 градусов. Что произойдет? Надо вспомнить про вектора – кто не помнит – это такие отрезки со стрелками на схематическом чертеже, длина отрезка выражает величину силы, стрелочка – направление действия этой силы, а выходит этот отрезок из усредненной точки приложения этой силы (из центра тяжести или из центра парусности). Если парус оставить по-прежнему перпендикулярно ветру (так эффективнее – будет больше ветра ловить), то сила СВ будет прежней (рис.1б) .
Предположим, что сила ветра, действующая на парус нашей площадью равна 10 кг., тогда наш вектор будет направлен перпендикулярно парусу (вправо на 45градусов от линии движения) и длина вектора тогда будет 10 мм. И тащить нас будет туда-же, а не в бухту. Но нам-то нужно в бухту, что делать?
Попробуем разложить наш 10мм-вый вектор на два – один направлен в сторону бухты, другой перпендикулярно ему вправо. Геометрическим способом (можно на листочке в клеточку) определяем, что вектор в бухту будет 7,5мм.. значит сила прямо (СП) равна 7,5 кг. и вектор вправо тоже 7,5мм., а сила вбок (СБ) тоже 7,5кг. Вектор СВ исчезнет – мы его заменили на два других. Чтобы идти в бухту, надо вектор СБ «убить». Это просто – засунуть в воду киль, тогда сила бокового сопротивления (БС) скомпенсирует силу вбок, и останется одна – сила прямо. Если из нее вычесть силу лобового сопротивления ЛС то останется сила тяги Т. (Очевидно, что в этом случае она будет еще меньше, чем в первом случае, поскольку там мы вычитали ЛС из 10кг, а тут из 7,5кг.)
А если мы увидели, что поворота на 45 градусов для попадания в бухту мало, начинаем доворачивать еще левее. Чем больше мы доворачиваем, тем длиннее будет становиться вектор СБ и короче СП, а когда угол поворота достигнет 90 градусов, СБ станет 10мм, а СП – 0мм. И лодка остановиться. Если будем поворачивать дальше, то вектор СП поменяет направление назад. Выводы: Прямое парусное вооружение годится только для ветров попутных направлений . Сила, которая движет судно в выбранном направлении, всегда будет меньше давления ветра на такой парус, а значит и скорость судна будет всегда меньше скорости ветра.
Однажды какой-то древний безумный изобретатель, имя которого история не сохранила, взял и привязал один край полотнища не к горизонтальной рее, а прямо к вертикальной мачте (наверное, рея потерялась). Тогда веревочку наверху оказалось невозможно достать, он взял и отрезал кусок полотнища по диагонали, чтобы можно было прикрепить его к палубе одной веревочкой и парус превратился из квадратного в треугольный (косой) . Потом, нечаянно, заметил, что если повернуть парус не традиционно перпендикулярно к ветру, а ребром (мачтой) к ветру (а, вернее, наоборот – шкотовый угол отвести вправо, если ветер дует слева), то получается гораздо эффективнее. Тогда, очевидно, все это получилось случайно, но теперь мы стали умнее, поэтому сможем это объяснить и в этом, как раз и состоит вышеупомянутый великий секрет:
Если ветер дует не в полотнище, а в ребро паруса с определенным, небольшим углом (углом атаки), и если парус пошит соответствующим образом, то на парусе образуется «пузо» и профиль паруса станет похож на профиль самолетного крыла . При обтекании воздухом самолетного крыла, в результате возникновения давления снизу и разрежения сверху возникает подъемная сила . Все тоже происходит при обтекании ветром паруса вдоль полотнища, только подъемная сила направлена не вверх-вертикально, а вперед-горизонтально и больше реальной силы ветра в шесть! раз . Дальше по аналогии (рис.2) раскладываем силы на вектора, только вектор СВ будет уже не 10мм., а 60мм. И это в корне меняет картину. Становится понятно, что если убрать силу лобового сопротивления (как у буера), то скорость судна может быть в шесть раз быстрее ветра, если ветер дует сбоку.
На деле, конечно, такого усиления не происходит, потому, что на этот процесс влияет еще куча разных тормозящих явлений, но это уже целая наука, кому интересно, изучайте соответствующую литературу.
Сами треугольные паруса имеют тоже немало разновидностей. Связано это, как все в жизни, с законом – чем лучше одни качества, тем хуже другие. Точнее, чем парус и весь такелаж легче в изготовлении и проще в эксплуатации, тем он менее эффективен, и наоборот.
Во многом из-за этого, на небольших парусных судах применяют одновременно два основных треугольных паруса: грот - который крепиться своим передним краем (передней шкаториной) к мачте, а нижней шкаториной к гику; стаксель – который крепиться передней шкаториной к переднему тросу – растяжке мачты (штагу), гика не имеет, а натягивается веревкой от заднего угла (шкотом) к корпусу лодки. В чем разница?
Грот жестко растянут между мачтой и гиком, поэтому сохраняет свою форму даже при сильных ветрах. Но ветер, попадая на парус, огибает сначала мачту, где возникают тормозящие завихрения, к тому же не всегда может быть отпущен во флюгерное положение, поскольку ляжет гиком на ванты. Это может привести к неконтролируемому движению в узостях или у причала и является основной причиной переворота или поломки такелажа. Стаксель, не имея гика, наоборот, может быть всегда отпущен во флюгерное положение и даже использоваться для заднего хода, но подходящее растянутое положение ограничивается шириной корпуса. Не имея мачты на переднем ребре, гораздо более эффективен, но до некоторого предела – пока усилия не растянут трос-ванту в передней шкаторине или не согнут мачту – тогда «пузо» изменится и парус превратиться из движителя в тормоз. Вот и получается, что применяя два паруса, мы в зависимости от ветровых условий можем идти или на одном из них или на обоих сразу.
В заключение хочу посвятить несколько строк тем, кто хотел бы ходить под парусом, но кого останавливает неуверенность в том, что он сможет управлять парусным судном. Я сам через это прошел, заявляю, что бояться нечего. Если вы начнете где-то обучаться, или попробуете изучать яхтенное дело по литературе, то первое впечатление будет, что это целая наука, которую непросто освоить. Действительно, на первый взгляд это так, но это для тех, кто хочет выигрывать соревнования, ставить рекорды или путешествовать на крейсерской яхте по Средиземному морю. Вам, которым хочется походить под парусом на своем туристском, разборном судне по Днепру или какой-нибудь другой не очень экстремальной акватории, для начала достаточно нескольких простых правил , а дальше руководствуйтесь своим опытом, который наберется уже в первый день плавания.
Правило первое: парус всегда должен быть наполнен и не должен «полоскаться». Полоскающийся парус тормозит.
Правило второе: пузо паруса всегда должно торчать хоть немного, но вперед, чтобы равнодействующая всех сил была направлена в сторону движения.
Правило третье: чем меньше угол к ветру, тем больше подъемная сила, а силы, бесполезно перегружающие конструкцию меньше.
Правило четвертое: прежде, чем поднимать паруса, не забудьте опустить шверт и руль (если они подъемные).
Правило пятое: Никогда не забывайте о мерах безопасности (спасжилет в первую очередь). Помните – тонут чаще те, кто хорошо умеет плавать.
Теперь предлагаю алгоритм действий тем, кто первый раз вышел на воду с парусом, не имея никакого практического и теоретического опыта:
Убедитесь, что ветер не очень сильный (по крайней мере, для первого раза пусть на волнах не будет барашков), наденьте спасжилеты, определите направление движения для первого раза лучше примерно под 90 градусов к ветру (вопреки пословицам, с боковым ветром ходить легче, чем с попутным). Отгребите на веслах подальше от берега, хотя-бы метров на 50-100.
Опустите шверт (подветренный шверц) и руль. Выставьте судно носом к ветру и поднимите грот (при подъеме на ветру, грот будет затирать по мачте, бывает так сильно, что поднять невозможно). Грота-шкот при этом пусть висит свободно. Теперь веслом разверните судно в сторону выбранного направления движения. Грот при этом развернется по ветру, как флюгер (Опытные яхтсмены отходят от причала и разворачиваются с помощью стакселя). Возьмите в правую руку румпель руля, а в левую конец грота-шкота. Потяните за этот конец, лучше предварительно перехлестнув его через какую- нибудь подходящую часть судна, если специальные устройства не предусмотрены, пока парус не надуется. Тут вы почувствуете усилия на шкоте и на румпеле, судно приобретет ход. Скорректируйте рулем выбранный курс, лучше взяв в «прицел» какой – нибудь железяки на носу подходящий ориентир. Подтягивая и отпуская шкот, расположите грот так, как, по вашему мнению, быстрее идет судно. Закрепите шкот на ту же часть конструкции легкосбрасывающимся узлом (шкотовым или просто на бантик).
Двигайтесь прямо, пока не осмелеете. Потом попробуйте несильно поворачивать рулем влево-вправо. Видите – судно маневрирует, даже если парус закреплен в одном положении? Теперь отпустите узел шкота, возьмите шкот в руку и попробуйте поворачивать рулем более круто, отпуская или подтягивая шкот для корректировки положения паруса. Теперь снова закрепите грота-шкот и поднимите стаксель. Это можно делать и на ветру, поскольку стаксель ползет не по мачте, а по штагу и не затирает. Правда, если у вас нет устройств, позволяющих сделать это не вставая с места, придется попросить матроса. Когда стаксель поднят, так-же потяните стаксель-шкот, пока парус не надуется и не установиться в устойчивом положении – примерно параллельно гроту, и тогда стаксель можно тоже закрепить.
Чтобы затормозить, надо обезветрить паруса. Со стакселем это просто – отпустить шкот, он и заполощет. С гротом сложнее – он может лечь гиком на ванту и не обезветрится. Поэтому, отпустив узел, возьмите грота-шкот в руку и постепенно отпускайте. Если видите, что гик ложиться на ванту – подверните носом против ветра.
В результате этих нехитрых действий, вы научитесь трогаться с места, поворачивать и тормозить . Дальше, как и в любом транспортном средстве – дело техники.
Не менее важное значение, чем сопротивление корпуса, имеет сила тяги, развиваемая парусами. Чтобы яснее представить себе работу парусов, познакомимся с основными понятиями теории паруса.
Мы уже говорили об основных силах, действующих на паруса яхты, идущей с попутным (курсом фордевинд) и со встречным ветром (курсом бейдевинд). Выяснили, что сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер,-силу дрейфа и силу тяги (см. рис. 2 и 3).
Теперь посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса я от чего зависят силы тяги и дрейфа.
Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус (рис. 94), который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.
Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.
Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Именно она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.
Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х (рис. 95) подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.
Подобное построение позволяет легко убедиться, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.
Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.
В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью» (рис. 96): размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге.
Рис. 96. Профиль паруса
Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.
Любой парус при углах атаки больше 15-20°, то есть при курсах яхты 40-50° к ветру и больше, позволяет уменьшить подъемную силу и увеличить лобовое сопротивление, поскольку на подветренной стороне образуются значительные завихрения. А так как основную часть подъемной силы создает плавное, без завихрений, обтекание подветренной стороны паруса, то уничтожение этих завихрений должно дать большой эффект.
Уничтожают завихрения, образующиеся за гротом, постановкой стакселя (рис. 97). Поток воздуха, попадающий в щель между гротом и стакселем, увеличивает свою скорость (так называемый эффект сопла) и при правильной регулировке стакселя «слизывает» вихри с грота.
Рис. 97. Работа стакселя
Профиль мягкого паруса трудно сохранить неизменным при различных углах атаки. Раньше на швертботах ставили сквозные латы, проходящие через весь парус, - их делали более тонкими в пределах «пуза» и более толстыми к задней шкаторине, где парус гораздо площе. Сейчас сквозные латы ставят главным образом на буерах и катамаранах, где особенно важно сохранить профиль и жесткость паруса при малых углах атаки, когда обычный парус уже полощет по передней шкаторине.
Если источником подъемной силы является только парус, то лобовое сопротивление создает все, что оказывается в потоке воздуха, обтекающем яхту. Поэтому улучшение тяговых свойств паруса может быть достигнуто также и за счет снижения лобового сопротивления корпуса яхты, рангоута, такелажа и экипажа. Для этой цели используют различного рода обтекатели на рангоуте и такелаже.
Величина лобового сопротивления паруса зависит от его очертаний. По законам аэродинамики лобовое сопротивление крыла самолета тем меньше, чем оно уже и длиннее при той же площади. Вот почему парус (по существу то же крыло, но поставленное вертикально) стараются делать высоким и узким. Это позволяет также использовать верховой ветер.
Лобовое сопротивление паруса в очень большой степени зависит от состояния его передней кромки. Передние шкаторины всех парусов должны быть туго обтянуты, чтобы не допускать возможности вибраций.
Необходимо упомянуть еще об одном весьма важном обстоятельстве - так называемой центровке парусов.
Из механики известно, что всякая сила определяется ее величиной, направлением и точкой приложения. До сих пор мы говорили только о величине и направлении сил, приложенных к парусу. Как мы увидим дальше, знание точек приложения имеет большое значение для понимания работы парусов.
Давление ветра распределяется по поверхности паруса неравномерно (большее давление испытывает его передняя часть), однако для упрощения сравнительных расчетов считают, что оно распределяется равномерно. Для приближенных расчетов равнодействующую силу давления ветра на паруса полагают приложенной к одной точке; за нее принимают центр тяжести поверхности парусов, когда они помещены в диаметральной плоскости яхты. Эту точку называют центром парусности (ЦП).
Остановимся на самом простом графическом способе определения положения ЦП (рис. 98). Вычерчивают парусность яхты в нужном масштабе. Затем на пересечении медиан - линий, соединяющих вершины треугольника с серединами противоположных сторон, - находят центр каждого паруса. Получив таким образом на чертеже центры О и O1 двух треугольников, составляющих грот и стаксель, проводят через эти центры две параллельные линии ОА и O1Б и на них откладывают в противоположных направлениях в любом, но одинаковом масштабе столько линейных единиц, сколько квадратных метров в треугольнике; от центра грота откладывают площадь стакселя, а от центра стакселя - площадь грота. Концевые точки А и В соединяют прямой АБ. Другой прямой - O1O соединяют центры треугольников. На пересечении прямых А Б и O1O будет находиться общий центр.
Рис. 98. Графический способ нахождения центра парусности
Как мы уже говорили, силе дрейфа (будем считать ее приложенной в центре парусности) противодействует сила бокового сопротивления корпуса яхты. Силу бокового сопротивления считают приложенной в центре бокового сопротивления (ЦБС). Центром бокового сопротивления называется центр тяжести проекции подводной части яхты на диаметральную плоскость.
Центр бокового сопротивления можно найти, вырезав контур подводной части яхты из плотной бумаги и поместив эту модель на лезвие ножа. Когда модель уравновесится, легко нажимают на нее, затем поворачивают на 90° и снова уравновешивают. Пересечение этих линий дает нам центр бокового сопротивления.
Когда яхта идет без крена, ЦП должен лежать на одной вертикальной прямой с ЦБС (рис. 99). Если ЦП лежит впереди ЦБС (рис. 99, б), то сила дрейфа, смещенная вперед относительно силы бокового сопротивления, поворачивает нос судна под ветер - яхта уваливается. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта станет поворачиваться носом к ветру, или приводиться (рис. 99, в).
Рис. 99. Центровка яхты
И чрезмерное приведение к ветру, и в особенности уваливание (неправильная центровка) вредны для хода яхты, так как заставляют рулевого все время работать рулем, чтобы сохранить прямолинейность движения, а это увеличивает сопротивление корпуса и снижает скорость судна. Кроме того, неправильная центровка приводит к ухудшению управляемости, а в некоторых случаях - к ее полной потере.
Если мы отцентруем яхту так, как показано на рис. 99, а, то есть ЦП и ЦБС окажутся на одной вертикали, то судно будет очень сильно приводиться и управлять им станет весьма трудно. В чем дело? Здесь две главные причины. Во-первых, истинное расположение ЦП и ЦБС не совпадает с теоретическим (оба центра сдвинуты вперед, но неодинаково).
Во-вторых, и это главное, при крене сила тяги парусов и сила продольного сопротивления корпуса оказываются лежащими в разных вертикальных плоскостях (рис. 100), получается как бы рычаг, заставляющий яхту приводиться. Чем больше крен, тем больше склонность судна приводиться.
Чтобы ликвидировать такое приведение, ЦП помещают впереди ЦБС. Возникающий с креном момент силы тяги и продольного сопротивления, заставляющий яхту приводиться, компенсируется улавливающим моментом сил дрейфа и бокового сопротивления при переднем расположении ЦП. Для хорошей центровки приходится ЦП помещать впереди ЦБС на расстоянии, равном 10-18% длины яхты по ватерлинии. Чем менее остойчива яхта и чем выше поднят ЦП над ЦБС, тем больше в нос надо его передвигать.
Чтобы яхта имела хороший ход, ее надо отцентровать, то есть поставить ЦП и ЦБС в такое положение, при котором судно на курсе бейдевинд в слабый ветер было полностью уравновешено парусами, иными словами - было устойчиво на курсе с брошенным или закрепленным в ДП рулем (допускается легкая склонность к уваливанию при совсем слабом ветре), а при более сильном ветре имело склонность приводиться. Каждый рулевой должен уметь правильно центровать яхту. На большинстве яхт склонность приводиться увеличивается, если перебраны задние паруса и потравлены передние. Если же перебраны передние и перетравлены задние паруса, судно будет уваливаться. При увеличении «пузатости» грота, а также плохо стоящих парусах яхта склонна приводиться в большей степени.
Рис. 100. Влияние крена на приведение яхты к ветру
§ 61. Использование паруса.
В практике управления маломерными моторными судами па море и реке известно много примеров, когда даже самый примитивный парус, сделанный из имеющихся на судне «подручных» средств, позволял небольшому самоходному судну, потерявшему возможность самостоятельно передвигаться, успешно окончить плавание без посторонней помощи.
Судоводителю-любителю надо хорошо знать, как действует парус и как сделать простое парусное оборудование на случай, если механический двигатель судна окажется неисправным, без топлива или за борт упадет подвесной мотор, а также на случай повреждения или потери гребного винта.
Соединение парусного вооружения с мотором увеличивает туристические возможности судна. С помощью паруса аварийное судно можно довести до базы или до ближайшего населенного пункта.
1. Действие паруса.
Давление воздушного потока на поверхность паруса движет судно. Направление этого движения зависит от положения паруса относительно направления ветра. Точка приложения равнодействующей всех сил давления ветра на парус называется центром парусности - ЦП.
Рис. 137. Силы, действующие на парус и судно при ветре с носовых углов
Если бы парус был вытянут вдоль диаметральной плоскости судна, то сила давления ветра А (рис. 137) кренила бы судно, но не двигала его вперед. Но если плоскость паруса поставлена под некоторым углом к направлению ветра, то сила А может быть разложена на две составляющие Б и В. Первая «работает», а вторая «скользит» вдоль паруса (см. рис. 137, а и 138, а).
Всякое судно обладает способностью сопротивляться боковому сдвигу в воде - оно имеет так называемое боковое сопротивление и центр его - ЦБС - располагается обычно близко от миделя судна в его подводной части и приблизительно на одной отвесной линии с ЦП (рис. 139). Перенося силу Б в ЦБС, пренебрегая креном и считая ЦБС неподвижной точкой, можно разложить Б на две составляющие Т и Д. Первая тянет судно вперед вдоль диаметральной плоскости, а вторая стремится сместить судно в бок, создавая ему дрейф (см. рис. 137, б). Величина дрейфа зависит от формы подводной части судна и угла между направлениями диаметральной плоскости ДП судна и ветра. В этом можно убедиться, построив схему сил для нескольких положений. Чем меньше угол между ДП и направлением ветра, тем больше сила А и меньше сила Т (см. рис. 138, а и б).
Рис. 138. Силы, действующие на парус и судно при ветре с кормовых углов
Если судно имеет сильно развитые продольные плоскости под водой (борта, угловатые скулы, киль, руль), то смещение судна в бок незначительно. Если же судно плоскодонное, незагруженное и широкое, то его БС ничтожно и дрейф велик. Поэтому суда первого рода, например, яхты или килевые шлюпки, способны двигаться вперед под углом до 40-30° к направлению ветра, считая от носа, а плоскодонные катера и лодки только при ветре с кормы, т. е. под углами ветра не менее 120° к диаметральной плоскости.
Рис. 139.
Положение центра парусности относительно центра
бокового сопротивления
Наивыгоднейшее положение паруса при любом направлении ветра такое, при котором плоскость паруса делит пополам угол между ДП и ветром (см. рис. 137, а, 138, а). Практически парус следует ставить так, чтобы угол I был немного меньше угла II .
Если ЦП по вертикали совпадает с ЦБС, то судно движется вперед без помощи руля. Однако на ходу ЦБС несколько смещается в нос или в корму, и поэтому судно на ходу будет всегда уклоняться от курса носом на ветер или под ветер. Обычно считается, что парусное судно под действием шквала или без управления рулем должно само под действием паруса «зарыскнуть» или «прийти к ветру», т. е. повернуть носом против него. Тогда само собой прекратится кренящее действие ветра. Поэтому мачту и парус на судне размещают так, чтобы ЦП был всегда несколько в корму (по вертикали) от ЦБС. Этого достигают при расчете на чертеже или же опытным путем на воде (см. рис. 139). Однако для судов, способных ходить под парусом только с попутными ветрами, ЦП должен быть расположен в нос от ЦБС. Тогда при шквале судно будет само уходить от него, т. е. стремиться «уваливаться под ветер». Это безопаснее и облегчает в случае усиления ветра быструю уборку паруса, если даже для этого будет брошено управление рулем.
2. Основные термины.
В зависимости от направления ветра относительно ДП и борта судна приняты следующие термины правил управления судна под парусами.
Борт, обращенный к ветру, называется наветренным. Борт, обращенный от ветра, называется подветренным. Ход с ветром, дующим в правый борт, называют правым галсом, в левый борт - левым галсом. Прямой отрезок пути под парусами называется галсом.
Двигаться к наветренной цели, расположенной в стороне, откуда дует ветер, значит подыматься; двигаться к подветренной цели - спускаться; парусное судно не может идти прямо против ветра, оно должно идти зигзагами, ложась то на правый, то на левый галс. Такое движение называется лавировкой.
Ветер, дующий с носовых курсовых углов в секторе 0-85°, называется бейдевинд; говорят: «Судно идет в бейдевинд» (правого или левого галса). Ветер, дующий в борт (85-95°), называется галфвинд; говорят: «Судно идет в галфвинд или в полветра» (правого или левого галса). Ветер, дующий с кормовых курсовых углов (95-170°), называется бакштаг; говорят: «Судно идет в бакштаг» (правого или левого галса). Ветер, дующий прямо в корму (175° левый борт- 175° правый борт), называется фордевинд; говорят: «Судно идет на фордевинд». Галс при этом не отмечается. Чем больше становится угол между направлением ветра и ДП, тем ветер делается «полнее», чем меньше, тем ветер и курс «круче».
3. Постановка парусов и управление парусным судном.
Постановку парусов следует сообразовать с направлением ветра. Как правило, косые паруса поднимают, поставив судно носом против ветра («на ветер», «к ветру»). Прямой же парус поднимают, поставив судно по ветру. Если ветер препятствует постановке паруса у берега, следует развернуть судно или отойти от берега. Первым ставят грот, ослабив шкот. Когда фал вытянут до места, обтягивают шкот и начинают править рулем, ложась на нужный курс. После этого ставят стаксель и обтягивают его подветренный шкот.
Грот и стаксель под действием ветра давят на соответствующую оконечность судна. Если эти силы неравны, то судно стремится вращаться вокруг своего ЦБС, зарыскивая или уваливаясь. При движении на прямом курсе при боковом ветре необходимо отрегулировать натяжением шкотов оба паруса так, чтобы судно при прямом руле шло прямо. Если сохраняется все же стремление увалиться или зарыскнуть, но необходимо выровнять судно на курсе рулем. Можно, однако, добиться уравновешенности действия парусов перемещением грузов или людей вдоль шлюпки. Если нос идет под ветер, загружают нос, если идет на ветер, загружают корму.
На ходу под парусами в шлюпке нельзя стоять. Все должны сидеть на сиденьях наветренного борта, а при сильном ветре - на дне лицом к парусу (т. е. с наветренной стороны). При движении под парусом судоводитель-любитель должен поддерживать на судне дисциплину, и только по его команде разрешается перемещаться на судне или выполнять ту или иную работу. Снасти не должны быть разбросаны в беспорядке внутри судна, их следует уложить в бухточки. Шкоты должны быть чисто расправлены; грота-шкот и стаксель-шкот следует держать на руках; запрещается завертывать их взахлест на утках.
В крайнем случае делают один-два оборота и ходовой конец держат на руках.
Грузы, инструменты и другие вещи должны быть уложены так, чтобы при крене судна они не могли сместиться и не препятствовали действиям с парусами, наблюдению вперед и откачиванию воды. Фалы должны быть завернуты так, чтобы в случае сильного шквала их можно было мгновенно отдать.
Если судно сильно кренит ветром, то при ветре с борта или с носа следует потравить шкоты, а затем «привести к ветру», для чего рулем поставить судно почти против ветра, раздернув стаксель-шкоты. При ходе с попутным ветром «приводить к ветру" при сильном шквале опасно, поэтому лучше убрать грот и продолжать движение под стакселем. При ходе в бейдевинд полезно несколько загрузить нос, при этом судно лучше слушает руля и парусов. Если нужно держать круче к ветру, то следует подобрать грота-шкот и несколько потравить стаксель-шкот. Однако нельзя при этом допускать, чтобы паруса «полоскали» (хлопали) по ветру.
Как уже было сказано, угол между ветром и ДП должен делиться парусом пополам. Поставив судно на курс и расположив соответственно парус, следует затем слегка подобрать грота-шкот так, чтобы передняя шкаторина его начала мелко дрожать. Это значит, что парус работает хорошо. Чрезмерное выбирание шкота только валит судно, убавляя ход и увеличивая дрейф (снос под ветер). Чем круче к ветру идет судно, тем ход меньше, а дрейф больше. При ходе в бакштаг дрейфа практически нет, а на фордевинде он отсутствует совершенно.
Управление рулем на фордевинде самое трудное. Судно стремится развернуться бортом к ветру, причем оно может броситься на любой галс. Парус стоит поперек судна и его наружная шкаторина все время рискует быть отдутой с подветра, т. е. с носа, когда ветер после порыва спадает. Тогда парус может стремительно переброситься с одного борта на другой с резким ударом, могут быть порваны ванты, шкот или опрокинуто судно.
Поэтому, идя на фордевинд, следует загрузить больше корму, а во избежание перебрасывания грота на другой галс полезно тонким шестом (багром, веслом) распереть шкотовый угол паруса. Для этого тонкий конец шеста вставляют в шкотовый кренгельс паруса, а толстый упирают во что-нибудь внутри судна - в борт, кильсон. У распорного шеста должен сидеть человек и придерживать его руками.
Если все же парус бросился на другой борт, то следует руками как можно быстрее подобрать слабину шкота, а телом нажать на румпель и вывести судно на курс бакштаг того галса, на который бросился парус. Иначе переброс может повториться. Это означает, что если, например, парус стоял на левый галс (был вывален на правый борт) и его бросило на правый галс, то при переходе паруса на левый борт следует привести судно в полный бакштаг правого галса (взять правее) и так править.
Если при ходе на фордевинд при крепком ветре волнение начинает заливать судно с кормы, а изменить курс почему-либо невозможно, то нельзя загружать корму для улучшения управляемости; вместо этого нужно выпустить с кормы на прочном конце длиной 5-8 м драгу (волокушу). Драгой может служить обвязанная прочная корзинка, загруженная так, чтобы она едва плавала, а также связка любых предметов, имеющих минимальную плавучесть и оказывающих значительное сопротивление. На неглубоком месте можно спустить с кормы небольшую гладкую балластину, волочащуюся по грунту за судном.
Прямой парус, как уже было сказано, непригоден для лавирования, но может все же работать и при боковых ветрах. По общим правилам оттяжками и шкотами его поворачивают в требуемое положение и рулем удерживают судно на нужном курсе или возможно ближе к нему. В этих случаях наветренные шкот и оттяжку реи заносят вперед, а подветренные - на корму.
4. Повороты.
Под парусами для перемены галса делаются повороты двух видов: поворот оверштаг делают, приводя судно к ветру и переходя носом через линию ветра; поворот через фордевинд делают, уваливая нос судна под ветер и переходя линию ветра кормой.
Рис 140. Поворот оверштаг
Поворот оверштаг (рис. 140) удобнее и безопаснее, чем через фордевинд, так как судно не разгоняется, а наоборот, почти останавливается, проходя носом линию ветра. Перед поворотом подают команду: «К повороту оверштаг готовиться», берут несколько полнее, чтобы увеличить ход, затем подбирают грота-шкот, кладут руль на ветер и травят стаксель-шкот. Судно пойдет носом к ветру, стаксель заполощет. В момент, когда судно стало носом на ветер и заполоскал грот, полезно снова подобрать стак сель-шкот, чтобы он помог перевалить через линию ветра, для этого командуют: «Стаксель на ветер». Затем травят грота-шкот, переводят шкотами стаксель на новый галс, командуя: «Стаксель на правый (или левый) борт», и дают судну под его действием увалиться под ветер на новом галсе, после чего выбирают грота-шкот и ложатся на нужный курс.
Рис. 141. Поворот через фордевинд
Для облегчения поворота оверштаг полезно перед его началом пересадить одного-двух человек в нос. Может случиться, что судно, придя носом к ветру, остановится и пойдет задним ходом. За этим надо следить и сразу же переложить руль. Тогда на заднем ходу рулем можно развернуть корму в нужном направлении и поворот удастся. Если же поворот совсем не удался, то следует быстрее лечь на прежний галс и повторить маневр.
Поворот через фордевинд (рис. 141) делается тогда, когда это требуется по форме фарватера или когда благоприятствуют погода и местность. Этот поворот требует простора, так как судно получает большой ход. Для поворота через фордевинд, после предупредительной команды, начинают уваливаться под ветер, постепенно потравливая грота-шкот. Придя в бакштаг, кладут постепенно руль еще больше под ветер, одновременно быстро выбирают грота-шкот, чтобы при перебрасывании паруса он был выбран, а парус вытянут посреди судна.
Тогда переход грота на другой борт произойдет без рывка. Судно перейдет кормой линию ветра, паруса перейдут на другой галс и «заберут» ветер. Стаксель-шкот травят, чтобы он не препятствовал судну идти носом к ветру. Как только судно пришло на новый галс, грота-шкотом и рулем приводятся на требуемый курс и правят им, подобрав соответственно шкоты стакселя и грота.
При сильном ветре поворот через фордевинд делают, убрав грот или прихватив его к мачте.
Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.
Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.
Маршрут "Джульетты"
Что делать в таком случае?
Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.
"Под парусами против ветра
Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» - или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал - около четверти прямого угла, - и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.
На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.
Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.
Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему.
Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.
Как можно идти на парусах против ветра.
Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."
Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.
Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).
Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.
Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.
При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.
Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.
В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.
Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.