Ранее мы рассмотрели разделение и срыв воздушных потоков на морском парусе в яхтинге. Определили распределение давления в зависимости от кривизны морского паруса. Другим фактором, который необходимо учитывать при яхтинге, является порожденное сопротивление. Это сопротивление, порождаемое крылом при создании подъемной силы.Для большинства типов крыльев низкое давление сверху крыла удерживается изолированным от высокого давления с нижней стороны присутствием самого крыла. На краях крыла, где оно физически заканчивается, ничто не препятствует высокому давлению проникать в расположенную выше зону низкого давления. Это приводит к образованию концевых завихрений, часто наблюдаемых вблизи концов крыльев и закрылков самолетов.
Когда поток выбирает альтернативный путь вокруг края вместо движения по поверхности крыла, энергия начинает расходоваться не на создание подъемной силы, а на образование сопротивления, называемое порожденным. Оно растет в экспоненциальной зависимости от подъемной силы, поэтому морской парус в качестве крыла, создающий устойчивую подъемную силу, испытывает гораздо большее порожденное сопротивление по сравнению с крылом, производящим меньше подъемной силы.
Наиболее эффективный путь минимизировать порожденное сопротивление — увеличить размах крыла, поскольку интенсивность сопротивления обратно пропорциональна квадрату размаха крыла. Высокоэффективные крылья, как, например, у планеров имеют очень большой размах крыльев для производства нужного количества подъемной силы. Наличие концевиков у крыльев является другим способом увеличить их размах без фактического удлинения крыла. Они полезны, когда существуют ограничения на физические размеры крыла морского паруса, как, например, глубина осадки киля лодки.
Продольная нагрузка морского паруса в яхтинге.
Будучи в значительной степени зависимым от размаха крыла морского паруса в яхтинге, порожденное сопротивление также зависит от того, как образуется подъемная сила. Ранее уже объяснялось, как стреловидность и клиновидность влияют на образования восходящего потока в направлении размаха крыла, что меняет параметры восходящего потока от сечения к сечению. Аналогично, изменение кривизны контура и угла атаки в направлении размаха крыла морского паруса будет влиять на количество подъемной силы, образующейся в этом направлении в различных сечениях.
Распределение подъемной силы вдоль крыла называется продольной нагрузкой. Установлено, что для изолированного крыла в незакрученном потоке и минимальном порожденном сопротивлении подъемная сила имеет эллиптическую зависимость от расстояния. Это достигается на незакрученном крыле с нулевой стреловидностью при эллиптической зависимости площади сечения неизменной формы в направлении размаха крыла.
Продольная нагрузка может изменяться разными способами. Придание крылу клиновидной формы приводит к снижению подъемной силы в удаленных от основания сечениях, поскольку, несмотря на увеличение интенсивности и угла восходящего потока, количество подъемной силы снижается из за уменьшения площади крыла в концевых сечениях. Придание крылу морского паруса стреловидности увеличит восходящий поток и подъемную силу в удаленных сечениях, поскольку форма контура остается неизменной, но растет угол атаки.
Закручивание удаленных сечений на больший или меньший угол также будет соответственно увеличивать или уменьшать подъемную силу. И наконец, рост кривизны контура в удаленных сечениях увеличит количество производимой в них подъемной силы морского паруса в яхтинге.
Все эти особенности можно использовать как для изменения количества самой продольной нагрузки, так и для изменения объема порожденного ею сопротивления, сохраняя постоянное значение подъемной силы. Это происходит по той причине, что порожденное сопротивление является следствием формы, в которой производимая крылом подъемная сила нарушается на конце крыла. Поскольку за концом крыла более ничего нет, то он не может создавать устойчивую подъемную силу из-за неспособности поддерживать разницу давлений.
Таким образом, подъемная сила на самом конце крыла должна быть равно нулю. Внутренние зоны морского паруса производят значительное количество подъемной силы, которая должна стремиться к нулю по мере приближения к его концу. Форма, в которой подъемная сила меняется к концу крыла, определяет как форму самой продольной нагрузки, так и количество порожденного сопротивления.
Конкретная оптимальная форма продольной нагрузки для морских парусов в закрученном воздушном пространстве колеблется около простой эллиптической зависимости продольной нагрузки от размаха крыла. Поскольку воздушное пространство закручено с тем результатом, что подъемная сила ближе к топу морского паруса ориентирована более в направлении движения лодки, нежели в нижней части паруса, то идеальная продольная нагрузка в закрученном воздушном потоке должна ближе к краю крыла несколько отличаться от идеальной эллиптической зависимости, являющейся оптимальной в отсутствие закручивания.
Предельно клиновидная форма типичных морских парусов создает продольную нагрузку, порождающую значительно меньше подъемной силы к топу паруса, чем эллиптическая нагрузка, что не является оптимальным. Хотя генуя обладает значительной стреловидностью, что догружает верхние сечения, но площадь верхней части настолько мала, что не может создавать сколько-нибудь значительную подъемную силу.
Грот без стреловидности, в частности на дробном вооружении, где топ грота не подвержен влиянию переднего морского паруса, не создает в верхней части достаточной подъемной силы, соответствующей эллиптической форме продольной нагрузки. Увеличение длины хорды в верхней части парусов является эффективным способом создания дополнительной подъемной силы в верхней части паруса и приближения формы продольной нагрузки к оптимальной. Выгода такого решения, например, за счет использования полноразмерных лат, была неоднократно доказана, но это не всегда разрешено.
Другим способом в яхтинге увеличить подъемную силу в верхней части морского паруса является увеличение кривизны контура сечения. Увеличение угла атаки за счет снижения закручивания также увеличит нагрузку в верхней части, но в этом случае приходится постоянно помнить о возможности срыва потока в верхних сечениях, кроме того, паруса нуждаются в определенной степени закручивания, поскольку работают в закрученном воздушном пространстве.
В завершении с уверенностью нужно констатировать, что добиться в яхтинге оптимального распределения подъемной силы с минимизированным порожденным сопротивлением на морских парусах традиционной формы невозможно. Но стремиться к этому можно и нужно. И в дальнейшем рассмотрим особенности настройки морского паруса, с учетом информации, изложенной в этой серии статей теории паруса как крыла.