После того, как направления воздушных потоков на паруса в яхтинге установлены, полезно рассмотреть варианты состояний и форм, в которых должны находиться паруса на яхте. Прежде всего, очевидно, что в яхтинге сечение паруса на яхте должно иметь форму искривленного контура. Затем будет интересно рассмотреть возможные различия в форме контура, и установить, какие из них будут наиболее выигрышными. Поскольку парус на яхте изготавливается из гибкого материала, то его форма в виде устойчивого изогнутого контура должна обеспечиваться разностью давлений на его сторонах. Из этого следует, что угол переднего края паруса на яхте (входящий угол) должен быть в разумных пределах сопоставим с углом восходящего потока. Если входящий угол окажется слишком велик, то парус на яхте начнет заполаскивать, а если — слишком мал, то он начнет “вставать”, срывая нисходящий поток. Также очевидно в яхтинге, что входящий угол должен расти с высотой, чтобы соответствовать закручивающемуся ветровому потоку.
Существует в яхтинге два возможных решения. В каком положении должен находиться задний край паруса (задняя шкаторина), чтобы на каждой высоте устанавливался нужный угол атаки (обеспечивалось необходимое закручивание)? Каким путем достичь этого, и какой при этом должна быть форма изогнутого контура паруса на яхте?
Положение задней шкаторины по отношению к положению передней шкаторины задает угол атаки в конкретном сечении. Подъемная сила растет пропорционально углу атаки, следовательно, если целью является получение от ветра максимального толкающего усилия для движения парусной яхты, то наилучшим положением задней шкаторины будет ее размещение как можно ближе к осевой линии яхты. Это позволило бы задать наивысший угол атаки и, возможно, получить наибольшую подъемную силу, но, к сожалению, надо помнить, что добирая парус на яхте, нельзя до бесконечности увеличивать угол атаки.
Разделение и срыв потока с паруса на яхте.
В определенных условиях при некотором угле атаки сечения паруса (или крыла) испытывают срыв потока. Это происходит, когда поток воздуха на подветренной стороне отрывается от его поверхности. Поток и парус разделяются, что приводит к значительному снижению подъемной силы. В зависимости от формы паруса на яхте, срыв может произойти внезапно при небольшом увеличении угла атаки, или постепенно, с некоторыми свидетельствами того, что поток отделился от поверхности, в первую очередь, в заданных зонах паруса. Там это может быть легко зафиксировано при помощи колдунчиков (пучков нитей), летящих назад вместе с правильно движущимся потоком и начинающих беспорядочно сворачиваться и опадать при отклонении или исчезновении потока.
Разделение происходит, когда градиент давления, который поток пытается преодолеть, оказывается слишком высоким. Вспомним, что подъемная сила в яхтинге образуется при ускорении потока вокруг изогнутой подветренной стороны паруса на яхте за счет образования зоны низкого давления. В конечном итоге по мере того, как поток достигает задней шкаторины, он должен замедляться до первоначальных значений скорости и давления, поскольку, покинув парус, он должен вернуться к своему первоначальному состоянию, и парус на яхте более на него не воздействует. Это состояние носит название “восстановление давления”.
Другой способ объяснения заключается в том, что в момент, когда воздушные потоки по обеим сторонам паруса на яхте достигают края задней шкаторины, они обязаны иметь равное давление, поскольку между ними не существует более ничего, что могло бы обеспечить им поддержку разности давлений. Это вовсе не значит, что две частицы воздуха, стартующие одновременно у переднего края и проходящие по разным сторонам должны одновременно прибыть на задний край (общепринятое заблуждение). На деле это просто означает, что давление в воздушном потоке, пришедшем к заднему краю поверху паруса на яхте, должно быть равно давлению в потоке, пришедшему понизу. Это обязано иметь место, поскольку оба потока на выходе объединяются.
В целом, давление на выходе должно быть близко к значению давления в восходящем потоке до его возмущения парусом на яхте. Таким образом, поток вдоль подветренной стороны должен замедляться к задней шкаторине, чтобы обеспечить за задним краем условие возвращения потока в первоначальное состояние. В общем и целом, воздушный поток вдоль подветренной стороны паруса на яхте перемещается гораздо быстрее, чем вдоль наветренной.
Поскольку поток замедляется после ускорения на подветренной стороне, то это образует градиент давления вдоль задней части сечения паруса на яхте, который возрастает от очень низкого давления (чтобы произвести нужную подъемную силу) до гораздо большего давления у задней шкаторины. Количество начального ускорения (в зависимости от угла атаки и формы сечения) и длина зоны восстановления давления определяют крутизну градиента. Когда рост давления, которое испытывает поток, превышает предельно допустимое значение, поток более не в состоянии удерживаться у поверхности, оказываясь вытолкнутым более высоким давлением. Это и есть срыв потока с паруса на яхте, сопровождающийся резким снижением подъемной силы в яхтинге. Срыв происходит, когда угол атаки становится слишком велик, и/или контур сечения имеет избыточную кривизну, вызывающую очень высокую скорость, требующую настолько быстрого замедления потока, что соответствующий рост давления приводит к разделению потока и паруса на яхте. Поэтому предпочтительно, чтобы поток замедлялся не столь ускоренным темпом и на большей дистанции, не создавая резкого роста давления. Такая ситуация наиболее эффективно реализуется на длинной, спрямленной задней части сечения, что будет способствовать не очень резкому снижению скорости потока.
Распределение давления и кривизна в парусе на яхте.
Поскольку воздушные потоки проходят с обеих сторон паруса на яхте, давление в них меняется в зависимости от локальной скорости, определяемой кривизной контура. При том, что угол переднего края регулируется направлением входящего потока и углом атаки, выбираемым таким образом, чтобы избежать срыва потока, существует достаточно большое число вариантов формы контура, обеспечивающих движение потоков от передней к задней шкаторине. Поскольку задачей паруса на яхте является создания силы для движения яхты, то наиболее эффективным было бы иметь как можно большее число парусов, позволяющее охватить широкий спектр возможных разностей давлений по сечению.
Такой путь решения заключается в выборе паруса, позволяющего образовать зону с наиболее низким давлением на подветренной стороне как можно ближе к передней шкаторине и затем поддерживать плавный рост давления на возможно большем расстоянии к задней шкаторине. Этого можно достигнуть, размещая максимальную кривизну контура в передней части. Как только поток ускорен, далее кривизна может быть плавно уменьшена и поток с высокой скоростью пройдет по подветренной стороне паруса на яхте. Задняя часть паруса на яхте должна быть более плоской, чтобы позволить потоку плавно замедлиться и избежать возможности срыва, как описано выше. Эти детали представляют собой базовые факторы в яхтинге, определяющие как оптимальную, форму контура с закругленным входом, точкой максимального прогиба паруса, смещенной вперед, и спрямленным к задней шкаторине выходом. Такая форма контура неоднократно подтверждала свою эффективность во многих парусных приложениях.
Очевидно, что профиль сечения с кривизной, смещенной назад, будет дольше поддерживать поток в ускоренном состоянии, что позволяет вырабатывать большее количество движущей силы да счет большей зоны пониженного давления. Однако проблемой явится то, что вектора отрицательного давления в задней части паруса на яхте больше направлены назад, чем вектора в передней части, что в результате дает общее движущее усилие, более ориентированное в боковую сторону и приводящее к крену яхты, нежели вперед, в направлении ее движения. Также очевидно, что профиль со смещенной назад кривизной имеет более короткую и крутую зону восстановления давления, что может привести к разделению и срыву потока.
Еще одним фактором, требующим рассмотрения является то, что контур с более закругленным передним краем или большим прогибом, производя большее двигающее усилие, делает это за счет более крутого входного угла, что в свою очередь, во избежание заполаскивания передней шкаторины паруса на яхте, требует наличия вымпельного ветра, действующего под большим углом к направлению движения. Это означает, что яхта не может идти непосредственно против ветра, и объясняет, почему спинакеры, которые могут быть очень полными и глубокими, становятся бесполезными при хождении в бейдевинд.
Увеличение толкающего усилия при стремлении идти под более острым углом против ветра является проблемой тонкой оптимизации. Она требует правильного баланса между полным, закругленным входным углом паруса на яхте для ускорения потока и более плоским, слегка закругленным выходным углом, чтобы вырабатывать усилие, меньше отклоняющее яхту, больше толкающее ее вперед и позволяющее идти максимально остро к ветру. Скоростные лодки, несущие большую площадь парусов, выигрывают от использования более плоских парусов, в то время, как медленные лодки с меньшей парусностью нуждаются в более полных парусах, чтобы развивать необходимые усилия для своего движения.
Другим фактором, который необходимо учитывать, является порожденное сопротивление паруса на яхте. Но об этом в следующей статье.