Исследование поведения воздушных потоков, с которыми взаимодействуют треугольные паруса, очень полезно для понимания условий их работы в яхтинге. Ветры, дующие вдоль земной и водной поверхности, испытывают силы трения при взаимодействии с неподвижной поверхностью. Трение существенно замедляет движение слоя воздуха, непосредственно соприкасающегося с поверхностью.Этот слой, в свою очередь, за счет сдвигового сцепления со следующим воздушным слоем также замедляет движение последнего, но в несколько меньшей степени. Эффект повторяется по мере удаления от поверхности до определенной высоты, за которой все последующие слои воздуха движутся с одинаковой скоростью. Такое явление в яхтинге называется эффектом граничного слоя.
Если данный эффект лишь в небольшой степени проявляется в водной среде при взаимодействии с корпусами и килями лодок, то в гораздо большем масштабе он наблюдается при соприкосновении воздуха с водной поверхностью. Это означает, что скорость истинного ветра может существенно возрастать от низа парусного вооружения к топу мачты.
Вымпельный и истинный ветер.
Вымпельный ветер в яхтинге является ветром, произведенным при участии треугольных парусов движущейся лодки. Его скорость и направление могут быть прямо измерены приборами на яхте в процессе ее движения. Они является комбинацией истинного ветра и ветра, порожденного движением лодки.
На рисунке показано, как эти два векторных ветровых компонента, складываясь, формируют вымпельный ветер. Следует отметить, что вектор вымпельного ветра в нижней части треугольного паруса, где истинный ветер слабее, короче и более отклонен от истинного направления, чем в верхней части такелажа, поскольку на высоте истинный ветер сильнее. В данном примере истинный ветер сохраняет направление, но меняет скорость по высоте треугольного паруса из-за эффекта граничного слоя. При этом рост скорости истинного ветра вызывает не только изменение скорости вымпельного ветра, но и его угла.
Таким образом в яхтинге, вымпельный ветер закручивается от низа до верха такелажа, что является следствием изменения истинного ветра по высоте треугольного паруса при постоянной скорости движения лодки.
В то время, как в данном примере по высоте треугольного паруса меняется только скорость истинного ветра, в действительности она может меняться также и по направлению. В таких ситуациях для разных курсов движения лодки степень закручивания вымпельного ветра также будет изменяться.
Закручивание треугольного паруса в яхтинге.
Поскольку воздушное пространство при яхтинге, воздействующее на паруса, закручивается вследствие движения лодки в земном граничном слое, треугольные паруса также нуждаются в определенном закручивании, чтобы правильно работать в окружающем воздушном пространстве.
Изменение угла вымпельного ветра с ростом высоты является фактором, заставляющим треугольный парус работать в закрученном состоянии, при котором его верхняя часть располагается под большим углом к осевой линии лодки, чем нижняя.
Другими факторами в яхтинге, определяющими необходимую степень закручивания треугольного паруса, являются его стреловидность и клиновидность , поскольку они меняют параметры восходящего потока по высоте.
Изолированные треугольные паруса.
Изолированный грот сам по себе (без такелажа) имеет треугольную форму, но если мачта близка к вертикальному положению, то грот закручивается вперед. Напомним, что стреловидность в яхтинге измеряется по отношению к 25% хордной линии, которая в случае треугольного паруса и вертикальной мачты наклонена вперед. Эта фактически отрицательная стреловидность оказывает сдерживающий эффект на рост восходящего потока, вызываемого клиновидной формой треугольного паруса. Реальная степень увеличения интенсивности восходящего потока будет зависеть от фактических значений клиновидности, стреловидности и относительного удлинения (высота/ширина) паруса. Поскольку треугольный парус работает в закрученном воздушном пространстве, образованном движением лодки в земном граничном слое, то ему необходимо соответствующая степень собственного закручивания.
Наклон мачты назад увеличивает стреловидность и вызывает рост восходящего потока к вершине треугольного паруса, заставляя его быть более закрученным. Стреловидность и клиновидность генуй и стакселей по определению очень высоки. Оба эти фактора в сочетании с закручиванием вымпельного ветра вызывают значительный рост восходящего потока в верхней части.
Треугольные паруса в комбинации.
Работа каждого треугольного паруса самого по себе гораздо более проста, чем в комбинации передний парус-грот парусного вооружения шлюпа. Паруса работают настолько близко между собой, что оказывают существенное влияние друг на друга. Наиболее интересной особенностью совместной работы двух треугольных парусов является способность совместно производить большее двигающее усилие на лодку, чем сумма усилий, производимых каждым в отдельности.
Раньше восходящий поток определялся как увеличение угла потока непосредственно над крылом. Однако также существует соответствующее изменение угла так называемого нисходящего потока сразу позади крыла. Данный поток, сходя с крыла, отклоняется на угол, меньший, чем у исходного потока. Это является причиной хорошо известного под названием “испорченного ветра” (“badair”) эффекта, который испытывают оказавшиеся позади других идущие в бейдевинд лодки.
Грот в парусном вооружении шлюпа работает под воздействием нисходящего потока от носового треугольного паруса (стакселя или генуи), что существенно уменьшает угол воздушного потока, попадающего на грот, по сравнению с углом потока, падающим на геную. Это снижает толкающее усилие, производимое гротом.
Наблюдаемый эффект, известный под названием “отбор ветра”, частично является результатом нисходящего потока от генуи, а частично — влиянием повышенного давления на наветренной стороне носового треугольного паруса, когда он излишне близко установлен к передней части подветренной стороны грота. При этом мягкий материал грота выталкивается давлением в наветренную сторону, образуя продольную складку вдоль перестающей работать передней шкаторины грота.
Генуя в парусном вооружении шлюпа, напротив, работает в условиях восходящего потока от грота. Ветер в виде потока, направленного на переднюю шкаторину генуи, оказывается под влиянием восходящего потока от грота. Следовательно, носовой треугольный парус, помещенный перед гротом, получает больший угол потока, чем он мог бы иметь в отсутствие грота, что приводит к увеличению толкающего усилия, который производит, собственно, сама генуя. Таким образом, в то время как грот фактически испытывает неблагоприятное влияние со стороны носового треугольного паруса, то последний, наоборот, выигрывает от присутствия грота, получая более интенсивный поток на своей подветренной стороне. Скорость потока при этом увеличивается, давление снижается и толкающее усилие растет. Окончательным результатом является общее увеличение суммарного толкающего усилия от обоих за счет того, что рост эффективности работы генуи превышает потери, понесенные гротом.
Этот эффект яхтинга обратный тому, что происходит с лодкой в бейдевинде, когда она получает “испорченный ветер” (нисходящий поток) от лодок, идущих впереди с подветренной стороны. И наоборот, лодки, находящиеся под ветром впереди, получают дополнительный набегающий поток (“хороший ветер”) и оказываются в выигрыше по сравнению с расположенными на ветру и несколько позади лодками, создающими в результате эффект подъема ветра идущим впереди лодкам. Это тот же самый феномен яхтинга, который происходит с носовым треугольным парусом, когда он выигрывает от совместной работы с гротом в составе парусного вооружения шлюпа.
Другим следствием разницы в углах потока, которые треугольные паруса испытывают от взаимного присутствия, является необходимость подбирать грот под более острым углом к оси лодки, чем геную, которую часто достаточно оставлять в положении за бортом. Этот угол равен разнице углов восходящего потока на носовой треугольный парус и нисходящего потока с грота.
Топовое парусное вооружение.
На топовом парусном вооружении, где штаг крепится к топу мачты и клиновидность обоих парусов по определению нулевая из-за их треугольной формы, эффект взаимного влияния треугольных парусов остается сопоставимым по всей высоте мачты. При этом грот должен подбираться сильнее из-за возможности попадания на него нисходящего потока от носового треугольного паруса, которая постоянно находится в преимущественном положении из-за наличия стабильного восходящего потока.
Дробное парусное вооружение.
Дробное парусное вооружение имеет в яхтинге более сложные характеристики из-за того, что топы грота и стакселя находятся на разных уровнях. Это означает, что топ носового треугольного паруса расположен в непосредственной близости от передней шкаторины грота, уже обладающего на данной высоте хордой существенной длины.
Так как передняя шкаторина стакселя находится в верхней зоне в непосредственной близости от передней шкаторины грота, то восходящий поток на носовой треугольный парус усиливается за счет влияния грота, низкое давление позади которого оказывает тем большее влияние, чем ближе расположен к нему поток. Это вызывает еще большее воздействие восходящего потока на носовой треугольный парус и заставляет на дробном вооружении держать ее в более закрученном состоянии по сравнению с топовым вооружением.
Топ грота на дробном вооружении располагается существенно выше топа стакселя, оставляя верхнюю часть грота свободной для воздействия вымпельного ветра без влияния нисходящего потока от стакселя. Вымпельный ветер в уровне топа мачты дует под существенно большим углом, поэтому угол действующего на верхнюю часть грота ветра значительно отличается от углов ветра, воздействующего на нижние части грота, где носовой треугольный парус оказывает значительное влияние своим нисходящим потоком. Радикальное изменение угла воздушного потока по высоте грота на дробном вооружении заставляет поддерживать грот в более закрученном состоянии, чем на топовом вооружении.
Направления действующих воздушных потоков треугольных парусов.
Анализ всех воздействий показывает, что оба треугольных паруса испытывают воздействие ветрового потока, угол которого увеличивается с высотой.
Носовой треугольный парус работает в условиях закручивающегося потока вымпельного ветра и порожденного его собственным контуром, стреловидностью и клиновидностью восходящего потока, а также дополнительного восходящего потока со стороны грота.
Грот работает в условиях того же закрученного вымпельного ветра и восходящего потока от собственного контура и клиновидности, но несколько уменьшенного отрицательной стреловидностью. Кроме того, на него воздействует нисходящий поток от генуи, и возможно, тоже закрученного, поскольку сам носовой треугольный парус работает в закрученном состоянии.
После того, как направления потоков установлены, полезно рассмотреть варианты состояний и форм , в которых должны находиться паруса. Но об этом в следующей статье.