Паруса — это крылья, только гибкие, использующие ветер для создания силы, двигающей лодку в яхтинге. Понимание того, как это происходит, поможет получать от парусов максимальную производительность.
Полезно разобраться в том, что представляет собой типичный парус. Обычно он изготовлен из гибкого материала, чтобы позволить ему работать под действием ветра поочередно с обеих сторон — это дает возможность при яхтинге лавировать лодку. Гибкость материала типичного паруса является значительным конструктивным ограничением, не позволяющим существовать многим потенциальным формам паруса из-за неспособности под действием ветра поддерживать нужное состояние.
Это привело к традиционной треугольной форме типичного паруса, поскольку материал в нижней части как бы подвешен к верхней части, которая в конечном итоге уменьшается до точки на топе мачты. Таким образом, проблемой становится, как изготовить, а затем управлять в яхтинге гибким парусом под действием ветра таким образом, чтобы порождать устойчивую силу, способную перемещать лодку.
Работа современного паруса как крыла.
Поскольку ограничение, не позволяющее парусам как крыльям самолетов самим себя поддерживать, в значительной степени снято, например, за счет использования полно размерных лат или жестких материалов, то паруса развиваются в сторону достижения все большей эффективности. Это проявляется в том, что все больше паруса становятся похожими на крылья и все меньше — на треугольный парус. Анализ того, как парус работает в качестве крыла, будет полезным не только для современного паруса, похожего на крыло, но и для традиционного паруса, который выглядит, как обычный парус, но работает практически так же, как крыло.
Скорость движения потока на верхней поверхности крыла увеличивается как за счет угла восходящего потока, так и за счет большей кривизны верхней поверхности по сравнению с нижней. Когда движущаяся среда (воздух или вода) ускоряется, ее давление на прилегающую поверхность падает. Образовавшаяся разность давлений на верхней и нижней поверхностях крыла порождает направленную вверх подъемную силу.
Контур типичного паруса.
Если игнорировать толщину крыла, то оно может быть представлено тонкой кривой, представляющей его контур. Форма контура определяется количеством подъемной силы при заданном угле атаки. Поскольку типичный парус по определению не имеет толщины, он существует только как контур. Поток на выпуклой подветренной стороне паруса как и на крыле имеет меньшее давление за счет ускорения потока, в то время как поток на вогнутой наветренной стороне находится в зоне более высокого давления за счет замедления потока. Разница давлений на поверхностях паруса крыла удерживает гибкий парус в форме устойчивого изогнутого контура и порождает силу, движущую лодку.
Восходящий поток обычного паруса.
Обычный парус как крыло, осуществляющее подъем, заставляет набегающий воздушный поток отклоняться верх. Это происходит из-за более низкого давления на подветренной поверхности обычного паруса, затягивающего воздух в зону над крылом. Такой искривившийся воздушный поток носит название “восходящий поток”.
Влияние формы современного паруса как крыла в плане.
Форма современного паруса как крыла в плане определяется конфигурацией ведущего (переднего) и ведомого (заднего) краев . В дополнение к восходящему потоку, вызванному профилем паруса как крыла из-за более низкого давления на подветренной поверхности, также имеет место образование дополнительного восходящего потока, порожденного изменением формы паруса как крыла в плане. Это происходит вследствие более низкого давления в удаленных частях крыла, заставляющего воздух в прилегающих зонах отклоняться в направлении размаха крыла к его краю, вызывая изменение параметров восходящего потока по длине паруса.
Стреловидность современного паруса как крыла.
Стреловидность современного паруса как крыла.Стреловидность паруса крыла определяется как угол между перпендикуляром к потоку и линией (называемой четверть хордной — “quarter chorde”), проводимой на расстоянии 25% от ширины хорды (расстояния между передней и задней шкаторинами) в направлении размаха крыла. Положение на расстоянии 25% от ширины хорды выбрано по причине того, что точка приложения ветровой нагрузки в сечении обычно и располагается приблизительно на таком расстоянии. Это вызвано тем, что наибольшее количество подъемной силы паруса крыла порождается в его передней части, поэтому положение четверть хордной линии в достаточно объективной форме характеризует стреловидность крыла .
Стреловидность приводит к эффекту увеличения восходящего потока по мере перемещения от основания к концу паруса крыла. Поскольку крыло наклонено назад, то воздушный поток в удаленных сечениях испытывает дополнительное влияние от зон низкого давления в сечениях, расположенных ближе к основанию и смещенных вперед.
Нарастающее влияние дополнительного низкого давления заставляет набегающий поток все сильнее отклоняться вверх, постоянно усиливая тем самым восходящий поток по мере приближения к концу паруса крыла.
Клиновидность паруса крыла.
Клиновидность паруса крыла.Клиновидность определяется как соотношение длин хорд на конце паруса крыла и у его основания. Для парусов, где крайнее сечение сводится к точке, клиновидность имеет предельное значение (ноль), что является следствием их треугольной формы. Поток, набегающий на удаленные части крыла, отклоняется зоной низкого давления над более широкими частями крыла, которые порождают значительную часть подъемной силы. По мере удаления от основания паруса влияние дополнительного низкого давления нарастает и заставляет набегающий поток все более отклоняться вверх. Таким образом, меньшие по размеру крайние сечения подвергаются воздействию более сильного восходящего потока. Это увеличивает количество подъемной силы, которую они производят, хотя не компенсирует уменьшения их площади.
На этом вступление в теорию паруса как крыла закончим. А в следующих статьях рассмотрим поведение воздушных потоков, с которыми взаимодействуют паруса.