Парусный спорт использует ветер, действующий на паруса , парусные крылья или воздушные змеи , для движения судна по поверхности воды ( парусное судно , парусная лодка , плот , виндсерфер или кайтсерфер ), по льду ( буран ) или по суше ( сухопутная яхта ) по выбранному курсу , который часто является частью более крупного плана навигации .
С доисторических времен и до второй половины XIX века парусные суда были основным средством морской торговли и транспортировки; исследование морей и океанов зависело от паруса для всего, кроме самых коротких расстояний. Военно-морская мощь в этот период использовала парус в разной степени в зависимости от текущей технологии, достигнув кульминации в вооруженных пушками парусных военных кораблях эпохи паруса . Пар медленно заменялся паром как метод движения для судов во второй половине XIX века — наблюдалось постепенное улучшение технологии пара через ряд этапов развития. [a] Пар позволял осуществлять регулярные рейсы, которые работали на более высоких средних скоростях, чем парусные суда. Значительные улучшения в экономии топлива позволили пару постепенно вытеснить парус, в конечном счете, во всех коммерческих ситуациях, давая инвесторам, владеющим судами, лучшую отдачу от капитала. [2] : 9, 16
В 21 веке парусный спорт в большинстве случаев представляет собой форму отдыха или спорта . Любительский парусный спорт или яхтинг можно разделить на гонки и круизы . Круизы могут включать в себя длительные морские и океанские путешествия, прибрежное плавание в пределах видимости земли и дневные парусные прогулки.
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 энергии ветра, определяемой вымпельным ветром , который является ветром, ощущаемым движущимся судном. Силы, передаваемые через паруса, встречают сопротивление со стороны корпуса , киля и руля парусного судна, сил со стороны коньковых полозьев буера или сил со стороны колес сухопутного парусного судна, которые управляют курсом. Такое сочетание сил означает, что можно плыть как по ветру, так и против ветра. Курс относительно истинного направления ветра (на которое указывал бы неподвижный флаг) называется точкой паруса . Обычные парусные суда не могут получать энергию ветра на курсе с точкой паруса, которая находится слишком близко к ветру.
На протяжении всей истории парусный спорт был ключевой формой движения, которая обеспечивала большую мобильность, чем путешествие по суше. Эта большая мобильность увеличила возможности для исследований, торговли, транспорта, войны и рыболовства, особенно по сравнению с сухопутными вариантами. [3] : ch.2
До значительных улучшений в наземном транспорте, которые произошли в 19 веке, если водный транспорт был вариантом, он был быстрее, дешевле и безопаснее, чем совершить то же путешествие по суше. Это в равной степени относилось к морским переправам, прибрежным плаваниям и использованию рек и озер. Примерами последствий этого является крупная торговля зерном в Средиземноморье в классический период . Такие города, как Рим, полностью зависели от доставки парусными судами больших объемов необходимого зерна. Было подсчитано, что для парусного судна Римской империи перевозка зерна по всему Средиземноморью обходилась дешевле, чем перемещение того же количества на 15 миль по дороге. Рим потреблял около 150 000 тонн египетского зерна каждый год в течение первых трех столетий нашей эры. [4] : 297 [3] : гл. 2 [5] : 147 [b]
Похожая, но более поздняя торговля углем велась из шахт, расположенных недалеко от реки Тайн , в Лондон , которая уже велась в XIV веке и росла по мере увеличения размеров города. В 1795 году в Лондон было доставлено 4395 партий угля. Для этого потребовался бы флот из примерно 500 парусных угольных судов ( совершавших 8 или 9 рейсов в год). Это количество удвоилось к 1839 году. ( Первый паровой угольный судно было спущено на воду только в 1852 году, и парусные угольные суда продолжали работать вплоть до XX века.) [7] [c]
Самое раннее изображение, предполагающее использование паруса на лодке, может быть на куске керамики из Месопотамии , датируемом 6-м тысячелетием до н. э. Считается, что на изображении изображена двуногая мачта, установленная на корпусе тростниковой лодки — парус не изображен. [8] Самое раннее изображение паруса из Египта датируется примерно 3100 годом до н. э. [ 4] : рисунок 6 Нил считается подходящим местом для раннего использования паруса для движения. Это связано с тем, что течение реки течет с юга на север, в то время как преобладающее направление ветра — с севера на юг. Таким образом, лодка того времени могла использовать течение, чтобы идти на север — беспрепятственное путешествие в 750 миль — и плыть, чтобы вернуться. [4] : 11 Свидетельства о ранних мореплавателях были найдены и в других местах, таких как Кувейт, Турция, Сирия, Миноа, Бахрейн и Индия, среди прочих. [9]
Австронезийские народы использовали паруса еще до 2000 г. до н. э. [10] : 144 Их экспансия из нынешнего Южного Китая и Тайваня началась в 3000 г. до н. э. Их технология включала аутригеры , катамараны [11] и паруса -клешни краба [12] , которые позволили австронезийскому расширению примерно в 3000–1500 гг. до н. э. проникнуть на острова Приморской Юго-Восточной Азии , а оттуда в Микронезию , Островную Меланезию , Полинезию и Мадагаскар . Поскольку между лодочной технологией Китая и австронезийцев нет ничего общего, эти отличительные характеристики должны были развиться в начале или некоторое время после начала экспансии. [13] Они путешествовали на огромные расстояния по открытому океану в каноэ с аутригером, используя такие навигационные методы, как палочные карты . [14] [15] Способность австронезийских судов плыть против ветра позволяла использовать стратегию плавания против ветра в ходе исследовательского похода, 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 Великих географических открытий , начавшихся в XV веке, нормой стали суда с квадратным парусным вооружением и несколькими мачтами, которые управлялись с помощью навигационных методов, включавших магнитный компас и наблюдение за солнцем и звездами, что позволяло совершать трансокеанские путешествия. [16]
В эпоху Великих географических открытий парусные суда участвовали в европейских плаваниях вокруг Африки в Китай и Японию, а также через Атлантический океан в Северную и Южную Америку. Позднее парусные суда отправились в Арктику, чтобы исследовать северные морские пути и оценить природные ресурсы. В XVIII и XIX веках парусные суда проводили гидрографические исследования для разработки навигационных карт и иногда перевозили на борту ученых, как в путешествиях Джеймса Кука и во втором плавании HMS Beagle с натуралистом Чарльзом Дарвином .
В начале 1800-х годов быстрые блокадные шхуны и бригантины — Baltimore Clippers — превратились в трехмачтовые, обычно корабельные парусные суда с тонкими линиями, которые увеличивали скорость, но уменьшали вместимость для дорогостоящих грузов, таких как чай из Китая. [17] Мачты достигали высоты 100 футов (30 м) и могли развивать скорость 19 узлов (35 км/ч), что позволяло проходить до 465 морских миль (861 км) за 24 часа. Клипперы уступили место более громоздким, медленным судам, которые стали экономически конкурентоспособными в середине 19 века. [18] Появились парусные планы только с косыми парусами ( шхуны ) или смесью этих двух ( бригантины , барки и баркентины ). [16] Прибрежные парусные шхуны с экипажем всего из двух человек, управлявших парусами, стали эффективным способом перевозки насыпных грузов, поскольку при повороте галса требовалось обслуживать только передние паруса , а для подъема парусов и якоря часто имелась паровая техника. [19]
Парусные суда с железным корпусом представляли собой окончательную эволюцию парусных судов в конце эпохи парусов. Они были построены для перевозки насыпных грузов на большие расстояния в девятнадцатом и начале двадцатого веков. [20] Они были крупнейшими из торговых парусных судов, с тремя-пятью мачтами и квадратными парусами, а также другими планами парусов . Они перевозили насыпные грузы между континентами. Парусные суда с железным корпусом в основном строились с 1870-х по 1900 год, когда пароходы начали опережать их экономически из-за своей способности придерживаться расписания независимо от ветра. Стальные корпуса также заменили железные корпуса примерно в то же время. Даже в двадцатом веке парусные суда могли выдерживать трансокеанские путешествия, такие как из Австралии в Европу, поскольку им не требовалась бункеровка для угля или пресная вода для пара, и они были быстрее ранних пароходов, которые обычно едва могли развивать скорость 8 узлов (15 км/ч). [21] В конечном итоге независимость пароходов от ветра и их способность выбирать более короткие маршруты, проходя через Суэцкий и Панамский каналы , сделали парусные суда неэкономичными. [22]
До всеобщего принятия судов, построенных по карвеловой технологии, которые полагались на внутреннюю каркасную конструкцию, чтобы выдерживать вес корабля, и на орудийные порты, вырезанные в боку, парусные суда были просто транспортными средствами для доставки бойцов к врагу для боя. [23] Ранние финикийские, греческие, римские галеры таранили друг друга, затем выливались на палубы противостоящих сил и продолжали бой вручную, что означало, что этим галерам требовалась скорость и маневренность. [24] Эта потребность в скорости вылилась в более длинные суда с несколькими рядами весел по бокам, известные как биремы и триремы . [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 бортовой огонь из нескольких пушек. [27] Это развитие позволило военно-морским флотам выстраиваться в боевую линию , в результате чего военные корабли сохраняли свое место в линии, чтобы вступить в бой с противником в параллельной или перпендикулярной линии. [28]
Хотя парусные суда, используемые для торговли или в качестве военно-морской силы, были вытеснены судами с двигателем, продолжают существовать коммерческие операции, которые перевозят пассажиров в круизы на парусных судах. [29] [30] Современные военно-морские силы также используют парусные суда для обучения курсантов морскому делу . [31] Отдых или спорт составляют большую часть плавания на современных судах.
Любительское парусное плавание можно разделить на две категории: дневное плавание, когда вы сходите с судна на ночь, и круизное плавание, когда вы остаетесь на борту.
Дневной парусный спорт в первую очередь позволяет испытать удовольствие от управления судном. Не требуется указывать пункт назначения. Это возможность поделиться опытом с другими. [32] Различные лодки без мест для ночлега, размером от 10 футов (3,0 м) до более 30 футов (9,1 м), можно считать дневными парусными судами. [33]
Круиз на парусной яхте может быть как прибрежным, так и проходящим вне видимости земли и подразумевает использование парусных лодок, которые поддерживают постоянное ночное использование. [34] Прибрежные районы круиза включают районы Средиземного и Черного морей, Северную Европу, Западную Европу и острова Северной Атлантики, Западную Африку и острова Южной Атлантики, Карибский бассейн и регионы Северной и Центральной Америки. [35] Прохождение под парусом происходит на маршрутах через океаны по всему миру. Существуют кольцевые маршруты между Америкой и Европой, а также между Южной Африкой и Южной Америкой. Существует множество маршрутов из Америки, Австралии, Новой Зеландии и Азии к островам в южной части Тихого океана. Некоторые круизеры совершают кругосветное плавание. [36]
Парусный спорт как вид спорта организован на иерархической основе, начиная с уровня яхт-клуба и доходя до национальных и международных федераций; он может включать гоночные яхты , парусные швертботы или другие небольшие открытые парусные суда, включая буеры и сухопутные яхты. Гонки на парусных лодках регулируются World Sailing , и большинство форматов гонок используют Правила парусных гонок . [37] Он включает в себя множество различных дисциплин, включая:
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 несут на себе набор научных датчиков и навигационных приборов. Они могут следовать набору дистанционно 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 обследования морской экосистемы, рыболовства и погоды. [47] [48] В январе 2019 года был запущен небольшой флот парусных дронов для попытки первого автономного кругосветного плавания вокруг Антарктиды. [49] Один из парусных дронов завершил миссию, пройдя 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 самое быстрое беспилотное пересечение Атлантики, проплыв из Бермудских островов в Великобританию [51] , а в октябре он завершил обратный путь, став первым автономным транспортным средством, пересекшим Атлантику в обоих направлениях. [52] В 2019 году Вашингтонский университет и компания Saildrone начали совместное предприятие под названием The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, в рамках которого шесть парусных дронов были размещены вдоль западного побережья Соединенных Штатов для сбора данных об атмосфере и океане. [53] [54]
Saildrone и NOAA разместили пять модифицированных судов класса «Ураган» 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 попавшее в центр крупного урагана . [55] [56]Способность парусного судна извлекать энергию из ветра зависит от точки , на которой оно находится, — направления движения под парусом по отношению к истинному направлению ветра над поверхностью. Главные точки паруса примерно соответствуют 45° сегментам окружности, начиная с 0° прямо по ветру. 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 по курсу, максимально приближенному к ветру — приблизительно 45° — называется «крутым бейдевиндом». При 90° к ветру судно находится на «широком вылете». При 135° к ветру судно находится на «широком вылете». При 180° к ветру (плывя в том же направлении, что и ветер), судно «идет по ветру».
В точках парусности, которые варьируются от крутого бейдевинда до широкого выноса, паруса действуют по существу как крыло, причем подъемная сила преимущественно толкает судно. В точках парусности от широкого выноса до попутного ветра паруса действуют по существу как парашют, причем сопротивление преимущественно толкает судно. Для судов с небольшим сопротивлением вперед, таких как буеры 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 парусном судне — определяет движущую силу парусного судна.
Волны указывают на истинное направление ветра . Флаг указывает на кажущееся направление ветра .
Скорость истинного ветра ( V T ) в сочетании со скоростью парусного судна ( V B ) дает кажущуюся скорость ветра ( V A ), скорость воздуха, которую ощущают приборы или экипаж на движущемся парусном судне. Скорость кажущегося ветра обеспечивает движущую силу для парусов в любой заданной точке паруса. Она варьируется от истинной скорости ветра остановившегося судна в утюгах в зоне без хода до скорости, превышающей истинную скорость ветра, поскольку скорость парусного судна добавляется к истинной скорости ветра на участке. Она уменьшается до нуля для судна, идущего строго по ветру. [59]
Парусное судно A идет крутым бейдевиндом. Парусное судно B идет на широких курсах. Парусное судно C идет на широких курсах.
Скорость судна (черным цветом) создает равную и противоположную составляющую вымпельного ветра (не показана), которая в сочетании с истинным ветром становится вымпельным ветром.
Скорость парусных лодок на воде ограничена сопротивлением, которое возникает из-за сопротивления корпуса в воде. Ледовые лодки, как правило, имеют наименьшее сопротивление движению вперед среди всех парусных судов. [58] Следовательно, парусная лодка испытывает более широкий диапазон углов вымпельного ветра, чем ледовая лодка, скорость которой обычно достаточно велика, чтобы вымпельный ветер шел с нескольких градусов в одну сторону от ее курса, что требует плавания с убранным парусом для большинства точек парусности. На обычных парусных лодках паруса установлены так, чтобы создавать подъемную силу для тех точек парусности, где можно выровнять переднюю кромку паруса с вымпельным ветром. [59]
Для парусной лодки направление паруса значительно влияет на боковую силу. Чем выше лодка направлена к ветру под парусом, тем сильнее боковая сила, которая требует сопротивления киля или других подводных крыльев, включая шверт, шверт, скег и руль. Боковая сила также вызывает крен парусной лодки, который требует сопротивления весом балласта от команды или самой лодки и формой лодки, особенно катамарана. Когда лодка направлена против ветра, боковая сила и силы, необходимые для сопротивления ей, становятся менее важными. [60] На ледовых лодках боковые силы уравновешиваются боковым сопротивлением лопастей на льду и их расстоянием друг от друга, что обычно предотвращает крен. [61]
Ветер и течения являются важными факторами для планирования как для оффшорного, так и для прибрежного плавания. Прогнозирование наличия, силы и направления ветра является ключом к использованию его силы на желаемом курсе. Океанические течения, приливы и речные течения могут отклонить парусное судно от желаемого курса. [62]
Если желаемый курс находится в пределах запретной зоны, то парусное судно должно следовать зигзагообразным маршрутом против ветра, чтобы достичь своей точки маршрута или пункта назначения. По ветру, некоторые высокопроизводительные парусные суда могут достичь пункта назначения быстрее, следуя зигзагообразным маршрутом по серии широких участков.
Преодоление препятствий или фарватера может также потребовать изменения направления по отношению к ветру, что потребует смены галса при ветре с противоположной стороны судна от прежнего.
Изменение галса называется лавированием , когда ветер проходит над носом судна при его повороте, и поворотом на фордевинд (или фордевинд ), когда ветер проходит над кормой.
Парусное судно может идти по курсу в любую точку за пределами своей запретной зоны. [63] Если следующая точка маршрута или пункт назначения находится в пределах дуги, определяемой запретной зоной от текущего положения судна, то оно должно выполнить ряд маневров лавирования , чтобы добраться туда по зигзагообразному маршруту, называемому обгоном к ветру . [64] Продвижение по этому маршруту называется выполненным курсом ; скорость между начальной и конечной точками маршрута называется выполненной скоростью и рассчитывается как расстояние между двумя точками, деленное на время в пути. [65] Ограничительная линия к точке маршрута, которая позволяет парусному судну оставить ее под ветром, называется лейлайном . [ 66] В то время как некоторые парусные яхты с бермудским вооружением могут идти под углом до 30° к ветру, [65] большинство яхт с квадратным вооружением 20-го века ограничены 60° от ветра. [67] Продольное вооружение рассчитано на работу при ветре с обеих сторон, тогда как квадратное вооружение и воздушные змеи рассчитаны на работу при ветре только с одной стороны паруса.
Поскольку боковые силы ветра самые высокие при движении в крутом бейдевинд, силы сопротивления воды вокруг киля судна, шверта, руля и других крыльев также должны быть самыми высокими, чтобы ограничить боковое движение или дрейф . Ледовые суда и сухопутные яхты минимизируют боковое движение с помощью сопротивления своих лопастей или колес. [68]
Лавирование или поворот на противоположный галс — это маневр, при котором парусное судно поворачивает нос по ветру и против него (называемый «глазом ветра» [69] ), так что вымпельный ветер меняется с одной стороны на другую, позволяя двигаться на противоположном галсе. [70] Тип парусного вооружения диктует процедуры и ограничения для достижения маневра лавирования. Продольное вооружение позволяет парусам свободно висеть, когда они лавируют; прямоугольное вооружение должно представлять всю фронтальную площадь паруса ветру при изменении с боку на бок; а у виндсерферов есть гибко поворачивающиеся и полностью вращающиеся мачты, которые переворачиваются с боку на бок.
Парусное судно может двигаться прямо по ветру только со скоростью, которая меньше скорости ветра. Однако некоторые парусные суда, такие как буеры , песчаные яхты и некоторые высокопроизводительные парусные суда, могут достигать более высокой скорости по ветру, что достигается путем движения по серии широких участков, прерываемых фордевиндами между ними. Это было исследовано парусными судами, начиная с 1975 года, и теперь распространяется на высокопроизводительные ялики, катамараны и парусные суда с подводными крыльями. [71]
Плавание по каналу или по ветру среди препятствий может потребовать изменения направления, требующего смены галса, выполняемого с помощью поворота на фордевинд.
Поворот фордевинд или фордевинд — это маневр парусного судна, при котором парусное судно поворачивает корму мимо глаза ветра так, что вымпельный ветер меняется с одной стороны на другую, позволяя двигаться на противоположном галсе. Этот маневр можно выполнить на небольших лодках, потянув румпель на себя (противоположную сторону паруса). [70] Как и в случае с поворотом оверштаг, тип парусной оснастки диктует процедуры и ограничения для поворота фордевинд. Продольные паруса с гиком, гафелями или шпритами нестабильны, когда свободный конец указывает на глаз ветра, и должны контролироваться, чтобы избежать резкого изменения в другую сторону; квадратные паруса, поскольку они представляют всю площадь паруса ветру сзади, испытывают небольшое изменение работы с одного галса на другой; и у виндсерферов снова есть гибко поворачивающиеся и полностью вращающиеся мачты, которые переворачиваются из стороны в сторону.
Ветры и океанические течения являются результатом того, что солнце питает их соответствующие жидкие среды. Ветер питает парусное судно, а океан несет судно по его курсу, поскольку течения могут изменять курс парусного судна в океане или реке.
Подгонка подразумевает регулировку линий, управляющих парусами, включая шкоты, контролирующие угол парусов по отношению к ветру, фалы, поднимающие и натягивающие парус, а также регулировку сопротивления корпуса крену, рысканию или движению по воде.
В своей наиболее развитой версии квадратные паруса управляются двумя из следующих элементов: шкоты, брасы, шкотовые линии и риф-тали, а также четыре расчалки , каждый из которых может контролироваться членом экипажа при регулировке паруса. [77] К концу эпохи парусов паровые машины сократили количество членов экипажа, необходимых для регулировки паруса. [78]
Регулировка угла продольного паруса относительно вымпельного ветра контролируется линией, называемой «шкотом». В точках паруса между крутым бейдевиндом и широким вылетом цель обычно состоит в том, чтобы создать поток вдоль паруса, чтобы максимизировать мощность за счет подъемной силы. Растяжки, размещенные на поверхности паруса, называемые сигнальными индикаторами , указывают, является ли этот поток плавным или турбулентным. Плавный поток с обеих сторон указывает на надлежащую дифферентовку. Кливер и грот обычно настроены на регулировку для создания плавного ламинарного потока , ведущего от одного к другому в том, что называется «эффектом щели». [79]
На подветренных точках паруса мощность достигается в первую очередь за счет давления ветра на парус, о чем свидетельствуют опускающиеся сигнальные знаки. Спинакеры — легкие, большой площади, сильно изогнутые паруса, которые приспособлены для плавания по ветру. [79]
В дополнение к использованию листов для регулировки угла относительно вымпельного ветра, другие линии контролируют форму паруса, в частности , оттяжку , фал , оттяжку гика и ахтерштаг . Они контролируют кривизну, соответствующую скорости ветра, чем сильнее ветер, тем более плоский парус. Когда сила ветра больше, чем эти регулировки могут вместить, чтобы предотвратить перегрузку парусного судна, затем уменьшают площадь паруса путем рифления , замены паруса на меньший или другими способами. [80] [81]
Уменьшение парусности на судах с квадратным вооружением может быть достигнуто путем выдвижения меньшей части каждого паруса, путем привязывания его выше с помощью точек рифления. [78] Кроме того, по мере усиления ветра паруса можно сворачивать или полностью снимать с рангоута, пока судно не сможет выдерживать ураганные ветры под «голыми шестами». [74] : 137
На судах с косым вооружением уменьшение парусности может привести к сворачиванию стакселя и рифлению или частичному опусканию грота, то есть уменьшению площади паруса без фактической замены его на меньший парус. Это приводит как к уменьшению площади паруса, так и к снижению центра усилия от парусов, что снижает кренящий момент и удерживает судно в более вертикальном положении.
Существует три распространенных метода рифления грота: [80] [81]
Дифферент корпуса имеет три аспекта, каждый из которых связан с осью вращения, они контролируют: [74] : 131–5
Каждый из них представляет собой реакцию на силы, действующие на паруса, и достигается либо распределением веса, либо управлением центром силы подводных крыльев (киля, шверта и т. д.) по сравнению с центром силы на парусах.
Парусное судно кренится, когда лодка наклоняется на бок под действием ветра, действующего на паруса.
Устойчивость формы парусного судна (вытекающая из формы корпуса и положения центра тяжести) является отправной точкой для сопротивления крену. Катамараны и буеры имеют широкую стойку, что делает их устойчивыми к крену. Дополнительные меры по балансировке парусного судна для контроля крена включают: [74] : 131–5
Выравнивание центра силы парусов с центром сопротивления корпуса и его дополнений контролирует, будет ли судно следовать прямолинейно с небольшим воздействием руля, или необходимо внести корректировку, чтобы удержать его от поворота на ветер (наветренный руль) или от поворота против ветра (подветренный руль). Центр силы позади центра сопротивления вызывает наветренный руль. Центр силы впереди центра сопротивления вызывает подветренный руль. Когда они близко выровнены, руль нейтрален и требует небольшого воздействия для поддержания курса. [74] : 131–5
Распределение веса вперед и назад изменяет поперечное сечение судна в воде. Малые парусные суда чувствительны к размещению экипажа. Они обычно проектируются так, чтобы экипаж размещался в средней части судна, чтобы минимизировать сопротивление корпуса в воде. [74] : 131–5
Морское дело охватывает все аспекты ввода парусного судна в порт и выхода из него, его навигации к месту назначения и закрепления на якоре или у причала. Важные аспекты морского дела включают использование общего языка на борту парусного судна и управление линиями, которые управляют парусами и такелажем. [83]
Морские термины для обозначения элементов судна: starboard (правый борт), port или larboard (левый борт), forward или fore (впереди), aft или abaft (сзади), bow (передняя часть корпуса), stern (кормовая часть корпуса), beam (самая широкая часть). Рангоут, поддерживающий паруса, включает мачты, гики, реи, гафели и шесты. Подвижные линии, которые управляют парусами или другим оборудованием, известны под общим названием бегучего такелажа судна . Линии, которые поднимают паруса, называются фалами, а те, которые ударяют по ним, называются downhauls . Линии, которые регулируют (настраивают) паруса, называются шкотами . Их часто называют по названию паруса, которым они управляют (например, грота-шкот или стикворечник ). Оттяжки используются для управления концами других рангоутов, таких как спинакер-гики . Линии, используемые для привязывания судна, когда оно стоит у борта, называются швартовами , швартовными тросами или швартовными ваерами . Швартов — это то, что прикрепляет стоящее на якоре судно к его якорю . [84] За исключением правого и левого борта, стороны судна определяются их отношением к ветру. Термины для описания двух сторон — Наветренная и Подветренная . Наветренная сторона судна — это сторона, которая находится против ветра, в то время как подветренная сторона — это сторона, которая находится по ветру.
Следующие узлы обычно используются для обработки канатов и тросов на парусных судах: [85] [86]
Линии и фалы обычно аккуратно сворачиваются для хранения и повторного использования. [87]
Физика парусного спорта возникает из баланса сил между ветром, приводящим в движение парусное судно, когда оно проходит над своими парусами, и сопротивлением парусного судна сносу с курса, которое на воде обеспечивается килем , рулем , подводными крыльями и другими элементами днища парусного судна, на льду — полозьями буера или на суше — колесами парусного наземного транспортного средства .
Силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, а также от скорости и направления судна. Скорость судна в данной точке паруса вносит вклад в « вымпельный ветер » — скорость и направление ветра, измеренные на движущемся судне. Вымпельный ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которая может быть разложена на сопротивление — компонент силы в направлении вымпельного ветра — и подъемную силу — компонент силы, нормальный (90°) к вымпельному ветру. В зависимости от выравнивания паруса с вымпельным ветром ( угол атаки ), подъемная сила или сопротивление могут быть преобладающим пропульсивным компонентом. В зависимости от угла атаки набора парусов по отношению к вымпельному ветру каждый парус обеспечивает движущую силу парусному судну либо за счет присоединенного потока с доминирующей подъемной силой, либо за счет разделенного потока с доминирующей тягой. Кроме того, паруса могут взаимодействовать друг с другом, создавая силы, которые отличаются от суммы индивидуальных вкладов каждого паруса, когда они используются по отдельности.
Термин « скорость » относится как к скорости, так и к направлению. Применительно к ветру, кажущаяся скорость ветра ( VA ) — это скорость воздуха, действующая на переднюю кромку самого переднего паруса или ощущаемая 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 ( VB ) при заданной истинной скорости ветра ( VT ) и направлении паруса . Направление паруса судна 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 40°–50° от истинного ветра, в зависимости от судна. Аналогично, скорость всех обычных парусных судов по ветру ограничена скоростью истинного ветра. По мере того, как парусная лодка плывет дальше от ветра, кажущийся ветер становится меньше, а боковая составляющая — меньше; скорость лодки самая высокая на траверзе. Чтобы действовать как аэродинамический профиль, парус на парусной лодке зашторен дальше наружу, поскольку курс дальше от ветра. [59] Когда буер плывет дальше от ветра, вымпельный ветер немного увеличивается, и скорость лодки самая высокая на широком вылете. Чтобы действовать как аэродинамический профиль, парус на буер шит во все три румбовых положения. [58]
Подъемная сила на парусе, действующем как аэродинамический профиль , возникает в направлении, перпендикулярном падающему воздушному потоку (кажущаяся скорость ветра для переднего паруса) и является результатом разницы давления между наветренной и подветренной поверхностями и зависит от угла атаки, формы паруса, плотности воздуха и скорости кажущегося ветра. Подъемная сила возникает из-за того, что среднее давление на наветренной поверхности паруса выше, чем среднее давление на подветренной стороне. [88] Эти разницы давления возникают в сочетании с изогнутым потоком воздуха. 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 представлять « угол атаки » между линией хорды паруса и кажущейся скоростью ветра. Угол атаки является функцией как точки паруса судна, так и того, как парус отрегулирован относительно кажущегося ветра. [89]
По мере того как увеличивается подъемная сила, создаваемая парусом, увеличивается и сопротивление, вызванное подъемной силой , которое вместе с паразитным сопротивлением составляет общее сопротивление , которое действует в направлении, параллельном падающему воздушному потоку. Это происходит, когда угол атаки увеличивается с балансировкой паруса или изменением курса и приводит к увеличению коэффициента подъемной силы вплоть до точки аэродинамического срыва вместе с коэффициентом сопротивления, вызванного подъемной силой . В начале срыва подъемная сила резко уменьшается, как и сопротивление, вызванное подъемной силой. Паруса, у которых вымпельный ветер позади них (особенно при движении по ветру), работают в состоянии срыва. [90]
Подъемная сила и сопротивление являются компонентами общей аэродинамической силы на парусе, которым противостоят силы в воде (для лодки) или на проходимой поверхности (для буера или наземного парусного судна). Паруса действуют в двух основных режимах; в режиме преобладания подъемной силы парус ведет себя аналогично крылу с потоком воздуха, прикрепленным к обеим поверхностям; в режиме преобладания сопротивления парус ведет себя аналогично парашюту с потоком воздуха в отрывном потоке, завихряющимся вокруг паруса.
Паруса позволяют парусному судну двигаться против ветра благодаря своей способности создавать подъемную силу (и способности судна противостоять возникающим боковым силам). Каждая конфигурация паруса имеет характерный коэффициент подъемной силы и сопутствующий коэффициент сопротивления, которые можно определить экспериментально и рассчитать теоретически. Парусные суда ориентируют свои паруса с благоприятным углом атаки между точкой входа паруса и вымпельным ветром, даже если их курс меняется. Способность создавать подъемную силу ограничивается плаванием слишком близко к ветру, когда нет эффективного угла атаки для создания подъемной силы (вызывая зависание), и плаванием достаточно против ветра, чтобы парус не мог быть ориентирован под благоприятным углом атаки, чтобы предотвратить срыв паруса с отрывом потока .
Когда парусное судно движется по курсу, где угол между парусом и вымпельным ветром (угол атаки) превышает точку максимальной подъемной силы, происходит разделение 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 преобладает сопротивление. 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 промежутков времени в виде порывов.
Сдвиг ветра влияет на парусное судно в движении, представляя различную скорость и направление ветра на разных высотах вдоль мачты . Сдвиг ветра возникает из-за трения над поверхностью воды, замедляющего поток воздуха. [93] Соотношение ветра на поверхности к ветру на высоте над поверхностью изменяется по степенному закону с показателем 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 ураганных ветрах со скоростью 40 м/с (78 узлов) на поверхности скорость на высоте 15 м (50 футов) будет составлять 49 м/с (95 узлов) [94] Это говорит о том, что паруса, которые достигают большей высоты над поверхностью, могут подвергаться воздействию более сильных ветровых сил, которые перемещают центр усилия на них выше над поверхностью и увеличивают кренящий момент. Кроме того, вымпельное направление ветра смещается к корме с высотой над водой, что может потребовать соответствующего поворота формы паруса для достижения присоединенного потока с высотой. [95]
Порывы ветра можно предсказать с помощью того же значения, которое служит показателем степени для сдвига ветра, выступая в качестве фактора порыва. Таким образом, можно ожидать, что порывы будут примерно в 1,5 раза сильнее преобладающей скорости ветра (ветер в 10 узлов может иметь порывы до 15 узлов). Это, в сочетании с изменениями направления ветра, указывает на степень, в которой парусное судно должно корректировать угол паруса в соответствии с порывами ветра на заданном курсе. [96]
Водные парусные суда полагаются на конструкцию корпуса и киля, чтобы обеспечить минимальное лобовое сопротивление в противовес тяговой силе парусов и максимальное сопротивление боковым силам парусов. В современных парусных судах сопротивление минимизируется за счет контроля формы корпуса (тупой или тонкий), выступающих частей и скользкости. Киль или другие подводные крылья обеспечивают боковое сопротивление силам на парусах. Крен увеличивает как лобовое сопротивление, так и способность лодки следовать по желаемому курсу. Образование волн для водоизмещающего корпуса является еще одним важным ограничением скорости лодки. [97]
Сопротивление от его формы описывается призматическим коэффициентом , C p = смещенный объем судна, деленный на длину ватерлинии, умноженную на максимальную смещенную площадь сечения — максимальное значение C p = 1,0 соответствует постоянной площади поперечного сечения водоизмещения, как это было бы на барже. Для современных парусных лодок 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 другая подводная фольга создает подъемную силу, она также создает сопротивление, которое увеличивается по мере крена лодки. Смоченная площадь корпуса влияет на общую величину трения между водой и поверхностью корпуса, создавая еще один компонент сопротивления. [97]
Парусные лодки используют своего рода подводные крылья для создания подъемной силы, которая поддерживает переднее направление лодки под парусом. В то время как паруса работают под углами атаки от 10° до 90° по отношению к ветру, подводные крылья работают под углами атаки от 0° до 10° по отношению к проходящей воде. Ни их угол атаки, ни поверхность не регулируются (за исключением подвижных крыльев), и они никогда намеренно не останавливаются, прокладывая путь через воду. Крен судна от перпендикуляра в воду значительно ухудшает способность лодки указывать на ветер. [97]
Скорость корпуса — это скорость, при которой длина волны носа судна равна длине его ватерлинии и пропорциональна квадратному корню 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 без того, чтобы волна распространялась вперед быстрее. [97]
Глиссирующие и подводные суда не ограничены скоростью корпуса, поскольку они поднимаются из воды, не создавая носовой волны с помощью силы. Длинные узкие корпуса, такие как у катамаранов, превосходят скорость корпуса, пронзая носовую волну. Скорость корпуса не применяется к парусным судам 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=
проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{citation}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )