В парусном спорте ветер, действующий на паруса , крылья или воздушные змеи , приводит в движение судно по поверхности воды ( парусное судно , парусная лодка , плот , виндсерфер или кайтсерфер ), по льду ( ледяная лодка ) или по суше ( сухопутная яхта ). выбранный курс , который часто является частью более крупного плана навигации .
С доисторических времен до второй половины XIX века парусные суда были основным средством морской торговли и транспорта; исследования морей и океанов зависели от парусного спорта на любых дистанциях, кроме кратчайших. Военно-морская держава в этот период использовала парус в разной степени в зависимости от современных технологий, кульминацией которых стали парусные военные корабли с артиллерийским вооружением в эпоху парусного спорта . Во второй половине XIX века парус постепенно заменялся паром в качестве метода движения кораблей, что привело к постепенному совершенствованию технологии использования пара посредством ряда поэтапных разработок. Пар позволял осуществлять регулярные перевозки с более высокой средней скоростью, чем парусные суда. Значительное улучшение экономии топлива позволило пару постепенно вытеснить парусное судно, в конечном итоге, во всех коммерческих ситуациях, обеспечив инвесторам-судовладельцам более высокую прибыль на капитал. [1] : 9, 16
В 21 веке парусный спорт в большинстве случаев представляет собой форму отдыха или спорта . Прогулочный парусный спорт или яхтинг можно разделить на гоночный и круизный . Круиз может включать в себя длительные морские и океанские путешествия, прибрежное плавание в пределах видимости суши и однодневное плавание.
Парусный спорт основан на физике парусов , поскольку они получают энергию от ветра, создавая как подъемную силу, так и сопротивление. На заданном курсе паруса устанавливаются под углом, который оптимизирует развитие силы ветра, определяемой вымпельным ветром , который представляет собой ветер, воспринимаемый движущимся судном. Силам, передаваемым через паруса, противостоят силы корпуса , киля и руля парусного судна, силы коньковых полозьев ледохода или силы колес сухопутного парусного судна, управляющие курсом. Такое сочетание сил означает, что можно плыть как против ветра, так и против ветра. Курс относительно истинного направления ветра (указанного неподвижным флажком) называется точкой паруса . Обычные парусные суда не могут использовать энергию ветра на курсе, точка паруса которого находится слишком близко к ветру.
На протяжении всей истории парусный спорт был ключевым видом движения, обеспечивающим большую мобильность, чем путешествие по суше. Эта большая мобильность увеличила возможности для разведки, торговли, транспорта, ведения войны и рыболовства, особенно по сравнению с наземными вариантами. [ нужна цитата ]
До значительных улучшений наземного транспорта, произошедших в XIX веке, если водный транспорт и был вариантом, он был быстрее, дешевле и безопаснее, чем совершить то же путешествие по суше. Это в равной степени относилось и к морским переправам, и к каботажным плаваниям, и к использованию рек и озер. Примеры последствий этого включают крупную торговлю зерном в Средиземноморье в классический период . Такие города, как Рим, полностью зависели от доставки парусными кораблями большого количества необходимого зерна. Подсчитано, что парусному кораблю Римской империи было дешевле перевезти зерно через Средиземное море, чем перевезти то же количество зерна на 15 миль по дороге. Рим потреблял около 150 000 тонн египетского зерна каждый год в течение первых трех столетий нашей эры. [2] : 297 [3] : гл. 2 [4] : 147 [а]
Подобная, но более поздняя торговля углем велась из шахт, расположенных недалеко от реки Тайн , в Лондон , которая велась уже в 14 веке и росла по мере увеличения города. В 1795 году в Лондон было доставлено 4395 грузов угля. Для этого потребовался бы флот из примерно 500 парусных угольщиков (совершающих 8 или 9 рейсов в год). К 1839 году это количество увеличилось вдвое. ( Первая угольная машина с паровым приводом была спущена на воду только в 1852 году, а парусные угольщики продолжали работать и в 20 веке.) [6] [b]
Самое раннее изображение, предполагающее использование паруса на лодке, возможно, находится на керамике из Месопотамии , датируемой 6-м тысячелетием до нашей эры. Предполагается, что на изображении изображена сошка-мачта, установленная на корпусе тростниковой лодки, парус не изображен. [8] Самое раннее изображение паруса из Египта датируется примерно 3100 годом до нашей эры. [2] : рисунок 6 Нил считается подходящим местом для раннего использования паруса в качестве двигателя. Это связано с тем, что течение реки течет с юга на север, а преобладающее направление ветра - с севера на юг. Таким образом, лодка того времени могла использовать течение, чтобы идти на север (беспрепятственно пройти 750 миль) и плыть обратно. [2] : 11 Свидетельства существования первых мореплавателей также были обнаружены в других местах, таких как Кувейт, Турция, Сирия, Миной, Бахрейн и Индия, среди других. [9]
Австронезийские народы использовали паруса где-то до 2000 года до нашей эры. [10] : 144 Их экспансия из нынешнего Южного Китая и Тайваня началась в 3000 г. до н.э. Их технологии включали в себя выносные опоры , катамараны , [11] и паруса с крабовыми когтями , [ 12] , что позволило австронезийской экспансии примерно в 3000–1500 гг . Мадагаскар . Поскольку между лодочной технологией Китая и австронезийцев нет ничего общего, эти отличительные характеристики, должно быть, возникли в начале экспансии или через некоторое время после него. [13] Они путешествовали на огромные расстояния в открытом океане на каноэ с выносными опорами, используя такие методы навигации, как палочные карты . [14] [15] Способность австронезийских лодок плавать с наветренной стороны позволила использовать стратегию плавания с наветренной стороны в исследовательском путешествии с возвращением по ветру либо для сообщения об открытии, либо в случае, если земля не была найдена. Это хорошо подходило для преобладающих ветров, поскольку острова Тихого океана постоянно колонизировались. [13]
Ко времени эпохи Великих географических открытий , начиная с 15 века, многомачтовые суда с квадратным вооружением были нормой и управлялись навигационными методами, которые включали магнитный компас и наблюдения за солнцем и звездами, что позволяло совершать трансокеанские путешествия. [16]
В эпоху Великих географических открытий парусные корабли участвовали в европейских путешествиях вокруг Африки в Китай и Японию; и через Атлантический океан в Северную и Южную Америку. Позже парусники отправились в Арктику для исследования северных морских путей и оценки природных ресурсов. В 18 и 19 веках парусные суда проводили гидрографические исследования для разработки навигационных карт и иногда перевозили на борт ученых, как, например, во время путешествий Джеймса Кука и второго путешествия HMS Beagle с натуралистом Чарльзом Дарвином .
В начале 1800-х годов быстроходные шхуны и бригантины для преодоления блокады — «Балтимор Клипперс» — превратились в трехмачтовые парусные суда с корабельным вооружением и тонкими обводами, которые увеличивали скорость, но уменьшали вместимость для дорогостоящих грузов, таких как чай из Китая. [17] Мачты были высотой до 100 футов (30 м) и могли развивать скорость 19 узлов (35 км/ч), что позволяло преодолевать расстояние до 465 морских миль (861 км) за 24 часа. Клиперы уступили место более громоздким и медленным судам, которые стали экономически конкурентоспособными в середине 19 века. [18] Появились планы парусного вооружения только с носовыми и кормовыми парусами ( шхуны ) или их смесью ( бригантины , барки и баркентины ). [16] Прибрежные марсельные шхуны с командой всего из двух человек, управляющей погрузочно-разгрузочными работами, стали эффективным способом перевозки сыпучих грузов, поскольку ухода требовали только передние паруса, а для подъема парусов часто были доступны лавировочные и паровые машины. и якорь. [19]
Парусные корабли с железным корпусом представляли собой последнюю эволюцию парусных кораблей конца эпохи парусного спорта. Они были построены для перевозки сыпучих грузов на большие расстояния в девятнадцатом и начале двадцатого веков. [20] Это были самые большие торговые парусные суда, с тремя-пятью мачтами и квадратными парусами, а также с другими планами парусов . Они перевозили массовые грузы между континентами. Парусные суда с железным корпусом строились в основном с 1870-х по 1900-е годы, когда пароходы стали их опережать в экономическом отношении из-за способности держать график независимо от ветра. Примерно в то же время стальные корпуса заменили железные. Даже в двадцатом веке парусные корабли могли выдерживать трансокеанские рейсы, такие как из Австралии в Европу, поскольку им не требовались бункеры для угля или пресная вода для пара, и они были быстрее, чем первые пароходы, которые обычно едва могли совершать 8 узлов (15 км/ч). [21] В конечном счете, независимость пароходов от ветра и их способность выбирать более короткие маршруты, проходя через Суэцкий и Панамский каналы , сделали парусные суда неэкономичными. [22]
До повсеместного принятия на вооружение кораблей, построенных из резного материала, которые опирались на внутреннюю каркасную конструкцию, способную выдерживать вес корабля, и с прорезанными в бортах артиллерийскими портами, парусные корабли были просто транспортными средствами для доставки истребителей противнику для боя. [23] Ранние финикийские, греческие и римские галеры таранили друг друга, затем выливались на палубы противостоящих сил и продолжали бой вручную, а это означало, что эти галеры требовали скорости и маневренности. [24] Эта потребность в скорости выражалась в более длинных кораблях с несколькими рядами весел по бокам, известных как биремы и триеры . [25] Как правило, парусные суда в этот период времени были торговыми судами. [26]
К 1500 году орудийные порты позволяли парусным судам плыть рядом с вражеским судном и вести залп из нескольких пушек. [27] Это развитие позволило военно-морским флотам выстроиться в боевую линию , при этом военные корабли сохраняли свое место в линии, чтобы вступить в бой с противником по параллельной или перпендикулярной линии. [28]
Хотя использование парусных судов для торговли или военно-морского флота было вытеснено судами с моторным приводом, продолжают осуществляться коммерческие перевозки, которые доставляют пассажиров в парусные круизы. [29] [30] Современные военно-морские силы также используют парусные суда для обучения курсантов морскому делу . [31] Отдых или спорт составляют основную часть плавания на современных лодках.
Рекреационное плавание можно разделить на две категории: дневное плавание, когда человек выходит из лодки на ночь, и круизное плавание, когда человек остается на борту.
Дневной парусный спорт в первую очередь дает удовольствие от управления лодкой. Пункт назначения не требуется. Это возможность поделиться опытом с другими. [32] Различные лодки без ночлега размером от 10 футов (3,0 м) до более 30 футов (9,1 м) могут рассматриваться как дневные моряки. [33]
Плавание на парусной яхте может осуществляться как у берега, так и в переходе вне видимости суши, и влечет за собой использование парусных лодок, обеспечивающих длительное использование в ночное время. [34] Районы прибрежного плавания включают районы Средиземного и Черного морей, Северной Европы, Западной Европы и острова Северной Атлантики, Западной Африки и островов Южной Атлантики, Карибского бассейна, а также регионы Северной и Центральной Америки. [35] Переходы под парусом встречаются на маршрутах через океаны по всему миру. Круговые маршруты существуют между Америкой и Европой, а также между Южной Африкой и Южной Америкой. Есть множество маршрутов из Америки, Австралии, Новой Зеландии и Азии на острова в южной части Тихого океана. Некоторые крейсеры совершают кругосветное плавание. [36]
Парусный спорт как вид спорта организован на иерархической основе, начиная с уровня яхт-клубов и заканчивая национальными и международными федерациями; это могут быть гоночные яхты , парусные лодки или другие небольшие открытые парусные суда, включая ледовые катера и сухопутные яхты. Гонки на парусных лодках регулируются World Sailing , при этом большинство форматов гонок используют Правила парусных гонок . [37] Это влечет за собой множество различных дисциплин, в том числе:
Парусный дрон — это тип беспилотного надводного транспортного средства, используемого в основном в океанах для сбора данных. [44] Парусные дроны работают на энергии ветра и солнца и оснащены набором научных датчиков и навигационных инструментов. Они могут следовать по набору удаленно заданных путевых точек. [45] Парусный дрон был изобретен Ричардом Дженкинсом , британским инженером, [46] основателем и генеральным директором Saildrone, Inc. Парусные дроны использовались учеными и исследовательскими организациями, такими как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), для исследования морской экосистемы. , рыболовство и погода. [47] [48] В январе 2019 года был запущен небольшой флот парусных дронов для попытки первого автономного кругосветного плавания над Антарктидой. [49] Один из парусных дронов завершил миссию, преодолев 12 500 миль (20 100 км) за семь месяцев путешествия, одновременно собирая подробный набор данных с помощью бортовых приборов для мониторинга окружающей среды. [50]
В августе 2019 года SD 1021 совершил самый быстрый беспилотный перелет через Атлантику от Бермудских островов до Великобритании, [51] а в октябре совершил обратный путь, став первым автономным транспортным средством, пересекшим Атлантику в обоих направлениях. [52] В 2019 году Вашингтонский университет и компания Saildrone создали совместное предприятие под названием The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, в ходе которого шесть парусных дронов разместились вдоль западного побережья США для сбора данных об атмосфере и океане. [53] [54]
Saildrone и NOAA разместили пять модифицированных судов класса «Ураганы» в ключевых точках Атлантического океана перед началом сезона ураганов в июне 2021 года . В сентябре SD 1045 находился на месте, чтобы получить видео и данные изнутри урагана Сэм . Это было первое исследовательское судно, когда-либо оказавшееся в центре сильного урагана . [55] [56]
Способность парусного судна получать энергию от ветра зависит от того, в какой точке паруса оно находится — направления движения под парусом относительно истинного направления ветра над поверхностью. Основные точки парусности примерно соответствуют сегментам окружности по 45°, начиная с 0° прямо против ветра. Для многих парусных судов дуга, охватывающая 45 ° по обе стороны от ветра, является «запретной» зоной [57] , где парус не может мобилизовать энергию ветра. [58] Плавание курсом как можно ближе к ветру — примерно 45° — называется «брейдингом». Под углом 90° к ветру судно находится на «луче досягаемости». Под углом 135° от ветра судно находится на «широком расстоянии». Под углом 180° к ветру (плывя в том же направлении, что и ветер) судно «движется по ветру».
В точках парусности, варьирующихся от крутого бейдевинда до широкого, паруса действуют по существу как крыло, при этом подъемная сила преимущественно приводит в движение судно. В точках движения от широкого радиуса действия до попутного ветра паруса действуют по существу как парашют, причем судно преимущественно движется с сопротивлением. Для судов с небольшим сопротивлением вперед, таких как ледовые лодки и сухопутные яхты , этот переход происходит дальше от ветра, чем для парусных лодок и парусных судов . [58]
Направление ветра для точек парусности всегда относится к истинному ветру — ветру, ощущаемому неподвижным наблюдателем. Вымпельный ветер — ветер, ощущаемый наблюдателем на движущемся паруснике, — определяет движущую силу парусника.
Волны указывают истинное направление ветра . Флаг указывает видимое направление ветра .
Истинная скорость ветра ( V T ) в сочетании со скоростью парусного судна ( V B ) дает скорость вымпельного ветра ( V A ), скорость воздуха, которую испытывают приборы или экипаж на движущемся парусном судне. Кажущаяся скорость ветра обеспечивает движущую силу парусов в любой заданной точке паруса. Она варьируется от истинной скорости ветра остановленного судна в запретной зоне до скорости, превышающей истинную скорость ветра, поскольку скорость парусного судна добавляется к истинной скорости ветра на расстоянии. Оно уменьшается до нуля для судна, идущего по ветру. [59]
Парусное судно А идет крутой бейдевинд. Парусное судно B находится на расстоянии луча. Парусное судно C широко распространено.
Скорость лодки (черным цветом) создает равную и противоположную составляющую вымпельного ветра (не показана), которая в сочетании с истинным ветром становится вымпельным ветром.
Скорость парусников в воде ограничена сопротивлением, возникающим в результате сопротивления корпуса в воде. Ледяные лодки обычно имеют наименьшее сопротивление движению вперед среди всех парусных судов. [58] Следовательно, парусная лодка испытывает более широкий диапазон углов вымпельного ветра, чем ледяная лодка, скорость которой обычно достаточно велика, чтобы вымпельный ветер дул от нескольких градусов в одну сторону от ее курса, что требует плавания с парусом, покрытым парусом. в большинстве точек плавания. На обычных парусных лодках паруса настроены так, чтобы создавать подъемную силу в тех точках паруса, где можно совместить переднюю кромку паруса с вымпельным ветром. [59]
Для парусной лодки точка паруса существенно влияет на боковую силу. Чем выше лодка направлена против ветра под парусом, тем сильнее боковая сила, которая требует сопротивления со стороны киля или других подводных крыльев, включая шверт, шверт, скег и руль направления. Боковая сила также вызывает кренение парусной лодки, что требует сопротивления веса балласта со стороны экипажа или самой лодки, а также формы лодки, особенно с катамараном. Когда лодка направлена против ветра, боковая сила и силы, необходимые для сопротивления ей, становятся менее важными. [60] На ледовых лодках боковым силам противодействует боковое сопротивление лопастей на льду и их расстояние друг от друга, что обычно предотвращает крен. [61]
Ветер и течения являются важными факторами, которые следует учитывать при плавании как в открытом, так и в прибрежном море. Прогнозирование наличия, силы и направления ветра является ключом к использованию его силы по желаемому курсу. Океанские течения, приливы и речные течения могут отклонить парусное судно от желаемого курса. [62]
Если желаемый курс находится в запретной зоне, то парусное судно должно следовать зигзагообразным маршрутом против ветра, чтобы достичь своей маршрутной точки или пункта назначения. С подветренной стороны некоторые высокопроизводительные парусные суда могут достичь пункта назначения быстрее, следуя зигзагообразным маршрутом по ряду широких участков.
Преодоление препятствий или фарватера может также потребовать изменения направления относительно ветра, что потребует изменения галса при ветре на противоположной стороне судна, чем раньше.
Изменение галса называется поворотом , когда ветер пересекает носовую часть судна при его повороте и повороте (или повороте ), если ветер проходит через корму.
Парусное судно может идти курсом в любом месте за пределами запретной зоны. [63] Если следующая путевая точка или пункт назначения находится в пределах дуги, определяемой запретной зоной от текущего положения корабля, то он должен выполнить серию лавирующих маневров , чтобы добраться туда по извилистому маршруту, что называется движением на ветер . [64] Прогресс по этому пути называется пройденным курсом ; Скорость между начальной и конечной точками маршрута называется достигнутой скоростью и рассчитывается как расстояние между двумя точками, разделенное на время в пути. [65] Ограничивающая линия маршрутной точки, позволяющая парусному судну покинуть ее с подветренной стороны, называется лейлайном . [66] В то время как некоторые парусные яхты с бермудским оснащением могут плыть под углом до 30° к ветру, [65] большинство квадратных такелажников 20-го века ограничены отклонением до 60° от ветра. [67] Продольное вооружение спроектировано так, чтобы работать при ветре с обеих сторон, тогда как квадратное вооружение и кайты рассчитаны на то, чтобы ветер дул только с одной стороны паруса.
Поскольку боковые силы ветра максимальны на парусном судне, идущем при крутом бейдевинде и движущемся с наветренной стороны, силы сопротивления воды вокруг киля, шверта, руля направления и других крыльев судна также максимальны, что уменьшает дрейф - судно скользит с подветренной стороны от своего курса. . Ледяные лодки и сухопутные яхты сводят к минимуму боковое движение за счет бокового сопротивления лопастей или колес. [68]
Поворот или поворот — это маневр, при котором парусное судно поворачивает нос по ветру и сквозь него (так называемый «глаз ветра» [69] ) так, что вымпельный ветер меняется с одной стороны на другую, позволяя продвигаться вперед. на противоположном галсе. [70] Тип парусного вооружения диктует процедуры и ограничения на выполнение маневра лавирования. Переднее и кормовое оснащение позволяет парусам безвольно висеть при повороте; квадратные оснастки должны представлять ветру всю лобовую площадь паруса при переворачивании его с борта на борт; а у виндсерферов есть гибко поворачивающиеся и полностью вращающиеся мачты, которые можно переворачивать из стороны в сторону.
.png/1280px-Wende_(Segeln).png)
Парусное судно может двигаться прямо по ветру только со скоростью, меньшей скорости ветра. Тем не менее, различные парусные суда могут достичь более высокой скорости по ветру, что достигается за счет движения по серии широких участков, перемежающихся поворотами между ними. Это справедливо для ледяных лодок и песчаных яхт. На воде оно исследовалось парусными судами, начиная с 1975 года, а теперь распространяется на высокопроизводительные лодки, катамараны и парусники на подводных крыльях. [71]
Навигация по каналу или по подветренному курсу среди препятствий может потребовать изменения направления, что потребует изменения галса, выполняемого с помощью поворота.
Джибинг или джибинг - это маневр под парусом, при котором парусное судно поворачивает корму мимо центра ветра так, что вымпельный ветер меняется с одной стороны на другую, позволяя двигаться на противоположном галсе. Этот маневр можно выполнить на лодках меньшего размера, потянув румпель на себя (противоположную сторону паруса). [70] Как и в случае с лавированием, тип парусного вооружения диктует процедуры и ограничения для поворота. Передние и кормовые паруса с гиком, багром или шпритом нестабильны, когда свободный конец направлен в сторону ветра, и их необходимо контролировать, чтобы избежать резкого изменения направления в другую сторону; квадратные оснастки, поскольку они представляют всю площадь паруса ветру сзади, практически не меняют работу при переходе с одного галса на другой; а у виндсерферов снова есть гибко поворачивающиеся и полностью вращающиеся мачты, которые можно переворачивать из стороны в сторону.
Ветры и океанические течения являются результатом того, что солнце приводит в действие соответствующую жидкую среду. Ветер приводит в движение парусное судно, и океан несет его по курсу, поскольку течения могут изменить курс парусного судна в океане или реке.
Под триммингом понимается регулировка строп, управляющих парусами, включая шкоты, контролирующие угол наклона парусов по отношению к ветру, фалы, поднимающие и натягивающие парус, а также регулировка сопротивления корпуса крену, рысканию или движению по воде.
.jpg/1280px-Tempest_(keelboat).jpg)
В своей наиболее развитой версии квадратные паруса управляются двумя шкотами, раскосами, шкотовыми стропами и рифовыми снастями, а также четырьмя стропами , каждый из которых может управляться членом экипажа при регулировке паруса. [77] К концу эпохи парусного спорта паровая техника сократила количество экипажа, необходимого для обрезки парусов. [78]
Регулировка угла продольного паруса относительно вымпельного ветра контролируется линией, называемой «шкотом». В точках парусности между крутым бейдевиндом и широким вылетом цель обычно состоит в том, чтобы создать поток вдоль паруса, чтобы максимизировать мощность за счет подъемной силы. Стримеры, размещенные на поверхности паруса, называемые контрольными , указывают, является ли поток плавным или турбулентным. Плавный поток с обеих сторон указывает на правильную обрезку. Стаксель и грот обычно настраиваются таким образом, чтобы создавать плавный ламинарный поток , ведущий от одного к другому, что называется «эффектом прорези». [79]
В подветренных точках паруса мощность достигается в основном за счет давления ветра на парус, на что указывают опускающиеся контрольные сигналы. Спинакеры — это легкие паруса большой площади, сильно изогнутые, приспособленные для движения против ветра. [79]
В дополнение к использованию шкотов для регулировки угла по отношению к вымпельному ветру, другие линии контролируют форму паруса, в частности, оттяжку , фал , оттяжку гика и бакштаг . Они контролируют кривизну, соответствующую скорости ветра: чем выше ветер, тем более плоский парус. Когда сила ветра превышает возможности этих регулировок, чтобы предотвратить перегрузку парусного судна, следует уменьшить площадь парусов за счет рифов , замены паруса меньшего размера или другими способами. [80] [81]
Уменьшения парусности на кораблях с квадратным вооружением можно было добиться, обнажив меньшую часть каждого паруса и привязав его выше точками рифления. [78] Кроме того, по мере усиления ветра паруса можно свернуть или снять с лонжеронов до тех пор, пока судно не сможет выдерживать ураганные ветры под «голыми шестами». [74] : 137
На судах с продольным вооружением уменьшение парусности может привести к сворачиванию кливера, а также зарифлению или частичному опусканию грота, что приводит к уменьшению площади паруса без фактической замены его на меньший парус. Это приводит как к уменьшению площади парусов, так и к более низкому центру усилия парусов, что уменьшает кренящий момент и удерживает лодку в более вертикальном положении.
Существует три распространенных метода зарифления грота: [80] [81]
Дифферент корпуса имеет три аспекта, каждый из которых привязан к оси вращения, ими управляют: [74] : 131–5.
Каждый из них представляет собой реакцию на силы, действующие на паруса, и достигается либо за счет распределения веса, либо за счет управления центром силы подводных крыльев (киля, шверта и т. д.) по сравнению с центром силы на парусах.
Парусное судно кренится, когда лодка наклоняется в сторону в ответ на силу ветра, воздействующую на паруса.
Устойчивость формы парусного судна (зависящая от формы корпуса и положения центра тяжести) является отправной точкой для противодействия крену. Катамараны и ледоходы имеют широкую стойку, что делает их устойчивыми к крену. Дополнительные меры дифферентовки парусного судна для контроля крена включают: [74] : 131–5.
Выравнивание центра силы парусов с центром сопротивления корпуса и его узлов определяет, будет ли судно следовать прямо с небольшим усилием рулевого управления, или необходимо внести коррективы, чтобы удержать его от поворота против ветра (погодные условия). штурвал) или отворачиваясь от ветра (руль с подветренной стороны). Центр силы позади центра сопротивления вызывает погодный штурвал. Центр силы впереди центра сопротивления вызывает подветренный штурвал. Когда они расположены близко друг к другу, штурвал является нейтральным и требует небольших усилий для поддержания курса. [74] : 131–5
Распределение веса вперед-назад меняет поперечное сечение судна в воде. Малые парусные суда чувствительны к размещению экипажа. Обычно они проектируются таким образом, чтобы экипаж размещался в средней части корабля, чтобы минимизировать сопротивление корпуса в воде. [74] : 131–5
Морское дело включает в себя все аспекты приема парусного судна в порт и из порта, его навигацию к месту назначения и крепление его на якоре или у дока. Важные аспекты мореплавания включают использование общего языка на борту парусного судна и управление линиями, которые контролируют паруса и такелаж. [83]
Морские термины для элементов судна: правый борт (правый борт), левый или левый борт (левый борт), носовой или носовой (спереди), кормовой или кормовой (задний), носовой (передняя часть корпуса), кормовой. (кормовая часть корпуса), балка (самая широкая часть). К рангоутам, поддерживающим паруса, относятся мачты, гики, реи, багры и шесты. Подвижные тросы, управляющие парусами или другим оборудованием, называются ходовым такелажем судна . Линии, поднимающие паруса, называются фалами , а те, которые ударяют по ним, называются даунфалами . Линии, которые регулируют (обрезают) паруса, называются шкотами . Их часто называют по названию паруса, которым они управляют (например, грот-шкот или кливер-шкот ). Оттяжки используются для управления концами других лонжеронов , таких как спинакер-гики . Линии, используемые для швартовки лодки, когда она стоит у швартовки, называются причальными линиями , стыковочными тросами или швартовыми ваерами . Поезд – это то , что прикрепляет стоящую на якоре лодку к якорю . [84]
Для крепления веревок и тросов на парусных судах обычно используются следующие узлы: [85] [86]
Линии и фалы обычно аккуратно свернуты в бухту для хранения и повторного использования. [87]
_and_down_wind_(left).jpg/1280px-Points_of_sail--close-hauled_(right)_and_down_wind_(left).jpg)
Физика парусного спорта возникает из баланса сил между ветром, приводящим в движение парусное судно, когда оно проходит над его парусами, и сопротивлением парусного судна сносу с курса, которое обеспечивается в воде килем, рулем направления , подводными крыльями. и другие элементы днища парусника, на льду полозьями ледохода или на суше колесами наземного транспортного средства с парусным двигателем .
Силы, действующие на паруса, зависят от скорости и направления ветра, а также скорости и направления судна. Скорость судна в данной точке паруса влияет на « вымпельный ветер » — скорость и направление ветра, измеренные на движущемся судне. Вымпельный ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которую можно разложить на сопротивление - составляющую силы в направлении вымпельного ветра - и подъемную силу - составляющую силы , нормальную (90°) к вымпельному ветру. В зависимости от ориентации паруса относительно вымпельного ветра ( угла атаки ), преобладающим движущим компонентом может быть подъемная сила или сопротивление. В зависимости от угла атаки набора парусов по отношению к вымпельному ветру, каждый парус создает движущую силу парусному судну либо от присоединенного потока с преобладанием подъемной силы, либо от отрывного потока с преобладанием сопротивления. Кроме того, паруса могут взаимодействовать друг с другом, создавая силы, отличные от суммы индивидуальных вкладов каждого паруса, когда они используются по отдельности.
Термин « скорость » относится как к скорости, так и к направлению. Применительно к ветру скорость вымпельного ветра ( VA ) — это скорость воздуха, действующая на переднюю кромку самого переднего паруса или воспринимаемая приборами или экипажем движущегося парусного судна. В морской терминологии скорость ветра обычно выражается в узлах , а углы ветра — в градусах . Все парусные суда достигают постоянной скорости движения вперед ( V B ) при заданной истинной скорости ветра ( VT ) и точке паруса . Точка паруса корабля влияет на его скорость при заданной истинной скорости ветра. Обычные парусные суда не могут получать энергию от ветра в «запретной» зоне, которая находится примерно на расстоянии от 40 до 50 ° от истинного ветра, в зависимости от судна. Точно так же скорость всех обычных парусных судов по ветру ограничивается истинной скоростью ветра. По мере того как парусная лодка плывет дальше от ветра, вымпельный ветер становится меньше, а боковая составляющая становится меньше; Скорость лодки максимальна на участке досягаемости луча. Чтобы действовать как аэродинамический профиль, парус на парусной лодке расширяется дальше по мере отклонения курса от ветра. [59] По мере того, как ледоход плывет дальше от ветра, вымпельный ветер немного усиливается, и скорость лодки становится самой высокой на широком участке пути. Чтобы действовать как аэродинамический профиль, парус на ледовом судне закрывают все три точки парусности. [58]
Подъемная сила на парусе, действующем как аэродинамический профиль , возникает в направлении , перпендикулярном падающему воздушному потоку (вымпельной скорости ветра для переднего паруса), является результатом разницы давлений между наветренной и подветренной поверхностями и зависит от угла атаки паруса. форму, плотность воздуха и скорость вымпельного ветра. Подъемная сила возникает из-за того, что среднее давление на наветренной поверхности паруса выше, чем среднее давление на подветренной стороне. [88] Эти перепады давления возникают в связи с искривлением воздушного потока. Поскольку воздух следует по изогнутой траектории вдоль наветренной стороны паруса, существует градиент давления, перпендикулярный направлению потока, с более высоким давлением снаружи кривой и более низким давлением внутри. Чтобы создать подъемную силу, парус должен иметь « угол атаки » между линией хорды паруса и скоростью вымпельного ветра. Угол атаки зависит как от точки паруса судна, так и от того, как парус отрегулирован по отношению к вымпельному ветру. [89]
По мере увеличения подъемной силы, создаваемой парусом, увеличивается и сопротивление, вызванное подъемной силой , которое вместе с паразитным сопротивлением составляет полное сопротивление , действующее в направлении , параллельном набегающему воздушному потоку. Это происходит, когда угол атаки увеличивается при балансировке паруса или изменении курса, и приводит к увеличению коэффициента подъемной силы до точки аэродинамического сваливания вместе с коэффициентом сопротивления , вызванным подъемной силой . В начале сваливания подъемная сила резко уменьшается, как и сопротивление, вызванное подъемной силой. Паруса при встречном ветре (особенно по ветру) работают в сваленном состоянии. [90]
Подъемная сила и сопротивление являются составляющими общей аэродинамической силы, действующей на парус, которой противостоят силы в воде (для лодки) или на поверхности движения (для ледохода или сухопутного парусника). Паруса действуют в двух основных режимах; в режиме с преобладанием подъемной силы парус ведет себя аналогично крылу с воздушным потоком, прикрепленным к обеим поверхностям; в режиме с преобладанием сопротивления парус действует аналогично парашюту с потоком воздуха в отдельном потоке, завихряющемся вокруг паруса.
Паруса позволяют парусному судну двигаться с наветренной стороны благодаря своей способности создавать подъемную силу (и способности судна противостоять возникающим в результате боковым силам). Каждая конфигурация паруса имеет характерный коэффициент подъемной силы и сопутствующий коэффициент лобового сопротивления, который можно определить экспериментально и рассчитать теоретически. Парусные суда ориентируют свои паруса под благоприятным углом атаки между точкой входа паруса и вымпельным ветром даже при изменении курса. Способность создавать подъемную силу ограничена из-за движения слишком близко к ветру, когда нет эффективного угла атаки для создания подъемной силы (вызывая вылет стрелы), а также из-за движения настолько против ветра, что парус не может быть ориентирован под благоприятным углом атаки, чтобы предотвратить отплытие от сваливания с отрывом потока .
Когда парусники идут курсом, на котором угол между парусом и вымпельным ветром (угол атаки) превышает точку максимальной подъемной силы, происходит отрыв потока. [91] Сопротивление увеличивается, а подъемная сила уменьшается с увеличением угла атаки, поскольку разделение становится все более выраженным, пока парус не станет перпендикулярен вымпельному ветру, когда подъемная сила становится незначительной и сопротивление преобладает. В дополнение к парусам, используемым против ветра, спинакеры обеспечивают площадь и кривизну, подходящую для плавания с разделенным потоком на подветренных точках паруса, аналогично парашютам, которые обеспечивают как подъемную силу, так и сопротивление. [92]
Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью; в то же время скорость ветра может меняться в течение коротких периодов времени в виде порывов.
Сдвиг ветра влияет на движущееся парусное судно, создавая разную скорость и направление ветра на разной высоте вдоль мачты . Сдвиг ветра возникает из-за трения о поверхность воды, замедляющего поток воздуха. [93] Отношение ветра у поверхности к ветру на высоте над поверхностью меняется по степенному закону с показателем степени 0,11-0,13 над океаном. Это означает, что ветер со скоростью 5 м/с (9,7 узлов) на высоте 3 м над водой будет примерно 6 м/с (12 узлов) на высоте 15 м (50 футов) над водой. При ураганном ветре со скоростью 40 м/с (78 узлов) у поверхности скорость на высоте 15 м (50 футов) составит 49 м/с (95 узлов) [94]. Это говорит о том, что паруса, поднимающиеся выше над поверхностью, могут подвергаться более сильным силам ветра, которые перемещают центр усилий на них выше над поверхностью и увеличивают кренящий момент. Кроме того, направление вымпельного ветра смещается назад по высоте над водой, что может потребовать соответствующего поворота формы паруса для достижения прикрепленного потока с высотой. [95]
Порывы ветра можно предсказать по той же величине, которая служит показателем степени сдвига ветра и фактором порывов. Таким образом, можно ожидать, что порывы будут примерно в 1,5 раза сильнее преобладающей скорости ветра (ветер силой 10 узлов может достигать порывов до 15 узлов). Это, в сочетании с изменениями направления ветра, позволяет предположить, в какой степени парусное судно должно приспосабливать угол паруса к порывам ветра на заданном курсе. [96]
Водные парусные суда опираются на конструкцию корпуса и киля, обеспечивающую минимальное переднее сопротивление в противовес движущей силе парусов и максимальное сопротивление боковым силам парусов. В современных парусных лодках сопротивление минимизируется за счет контроля формы корпуса (тупой или тонкой), придатков и скользкости. Киль или другие подводные крылья обеспечивают боковое сопротивление силам, действующим на паруса. Крен увеличивает как сопротивление, так и способность лодки следовать желаемым курсом. Генерация волн водоизмещающим корпусом является еще одним важным ограничением скорости лодки. [97]
Сопротивление его формы описывается призматическим коэффициентом , C p = объем смещенного судна, разделенный на длину ватерлинии, умноженную на максимальную площадь смещенного сечения - максимальное значение C p = 1,0 соответствует постоянной площади поперечного сечения водоизмещения, как можно было бы найти. на барже. Для современных парусников значения 0,53 ≤ C p ≤ 0,6 вероятны из-за сужающейся формы подводного корпуса к обоим концам. Уменьшение внутреннего объема позволяет создать более тонкий корпус с меньшим сопротивлением. Поскольку киль или другое подводное крыло создает подъемную силу, он также создает сопротивление, которое увеличивается по мере крена лодки. Смачиваемая площадь корпуса влияет на общую величину трения между водой и поверхностью корпуса, создавая еще одну составляющую сопротивления. [97]
В парусных лодках используется своего рода подводное крыло для создания подъемной силы, которая поддерживает направление лодки под парусом вперед. В то время как паруса работают под углами атаки от 10° до 90° относительно ветра, подводные крылья работают под углами атаки от 0° до 10° относительно проходящей мимо воды. Ни угол их атаки, ни поверхность не регулируются (за исключением подвижных крыльев), и они никогда намеренно не останавливаются, прокладывая себе путь в воде. Отклонение судна от перпендикуляра к воде значительно ухудшает способность лодки ориентироваться против ветра. [97]
Скорость корпуса — это скорость, при которой длина носовой волны судна равна длине его ватерлинии и пропорциональна корню квадратному из длины судна по ватерлинии. Применение большей мощности не приводит к значительному увеличению скорости водоизмещающего судна сверх скорости корпуса. Это происходит потому, что судно поднимается по все более крутой носовой волне с добавлением мощности, но волна не распространяется вперед быстрее. [97]
Глиссерские и подводные суда не ограничены скоростью корпуса, так как они поднимаются из воды, не создавая носовой волны с применением силы. Длинные узкие корпуса, такие как катамараны, превосходят скорость корпуса, пробиваясь сквозь носовую волну. Скорость корпуса не распространяется на парусные суда на ледовых полозьях или колесах, поскольку они не вытесняют воду. [98]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )