Уроки яхтинга: Почему яхта может идти против ветра? Как работает парус Движение катамарана по течению против ветра.

Галсы, Полные курсы, Лавировка, Вымпельный ветер и …

Галс – направление движения относительно ветра, когда угол, образованный с направлением ветра – больше нуля.

Соответственно, правый галс – правая нога или рука впереди, то есть вы всегда стоите спиной к ветру, и движение в правую сторону – правый галс, в левую сторону – левый галс. В зависимости от величины этого угла, курс относительно линии ветра может быть острым или полным.

• Левентик (le vent) - положение судна относительно ветра, когда угол к линии ветра – около нуля. Поскольку парусное судно идти таким курсом не может, обычно говорят не “курс”, а “положение левентик”.
• Бейдевинд (bij de wind) - острый курс относительно линии ветра, когда ветер дует под углом от 0 до 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).

Полными курсами считаются, когда ветер дует под углом близким к 90° или под тупым углом к направлению движения. К таким курсам относятся:

• Галфвинд (halve wind) , или пол-ветра – ветер дует под углом от 80° до 100°.
• Бакштаг (bakstag) - ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150° до 170° (полный бакштаг).
• Фордевинд – тот самый «попутный ветер», которого желают морякам, хотя в парусном спорте этот курс отнюдь не самый быстрый, как следовало бы ожидать. Ветер дует в корму под углом от 170° одного борта до 170° другого борта.

Лавировка.
Прямо против ветра вы идти не можете. Если необходимо попасть в какую-либо точку, расположенную выше по ветру, то применяется лавировка, движение к цели курсом бейдевинд – переменными галсами. Для смены галса необходимо совершить поворот. Так же помните, что при любом курсе вы немного дрейфуете (сливаетесь) по ветру, поэтому нельзя четко поставить направление движения до точки, нужно всегда брать курс немного выше на ветер, то есть с запасом.

Определение направлений ветра относительно вас.

• Наветренная сторона – когда вы стоите спиной к ветру, то наветренной стороной будет спина, соответственно – наветренный борт доски там, где пятки.
• Подветренная сторона – наоборот, это все, что находится спереди от вас (по ветру), когда стоите спиной к ветру. Подветренная сторона – это там где стоят ваши носки на доске.

Вымпельный ветер (Apparent Wind).
Скорость вымпельного ветра есть геометрическая сумма скоростей истинного ветра и ветра, вызываемого движением яхты (курсовой ветер). Если скорость движения по воде составляет 1 м/с, то и скорость индуцированного ветра равна 1 м/с в направлении на нос. Чем быстрее движется спортсмен, тем сильнее индуцированный ветер, и – соответственно, сильнее вымпельный ветер. Он также усиливается, если вы идете на истинный ветер (против ветра).

Курс судна относительно ветра - угол между направлением ветра и диаметральной плоскостью судна, то есть курсовой угол на точку горизонта, откуда дует ветер, выражающийся в угловых градусах или румбах.

В зависимости от величины этого угла курсы относительно ветра имеют собственные наименования:

1 - крутой бейдевинд (30° - 45°);

2 - полный бейдевинд (45° - 75°);

3 - гальфвинд (около 90°);

4 - бакштаг (110° - 160°);

5 - фордевинд (160°- 200°);

6 - левентик (по 30° на каждый борт)

Левентик (фр. le vent) - курс, образующий с направлением ветра угол, близкий к 180 градусам, то есть ветер по отношению к кораблю дует практически точно спереди. Поскольку парусное судно идти таким курсом не может, обычно говорят не «курс», а «положение левентик».

Бейдевинд (нидерл. bij de wind) - курс, при котором угол между направлением ветра и направлением движения судна составляет более 100 градусов (меньше 8 румбов). Выделяют бейдевинд полный (от 100 до 120 градусов) и крутой (более 120 градусов). Тяга паруса целиком определяется его подъёмной силой, при увеличении лобового сопротивления сила тяги уменьшается, зато возрастает сила дрейфа. Таким образом, на этом курсе парус, устанавливаемый с минимальным углом атаки к вымпельному ветру (5-10 °), работает как аэродинамическое крыло.

Лучшие парусные суда ходят под углом 30-35 ° к направлению истинного ветра. Вследствие сложения векторов скорости ветра и встречного потока воздуха скорость вымпельного ветра на курсе бейдевинд оказывается максимальной, также как и аэродинамическая сила на парусе, пропорциональная квадрату скорости ветра. Максимальной величины достигает и сила дрейфа. Если попытаться идти под более острым углом к ветру, то скорость судна будет снижаться, парус станет заполаскивать, аэродинамическая сила снизится и, наконец, наступит момент, когда лобовое сопротивление паруса и сопротивление воды движению лодки намного превысят тягу. Судно получит задний ход.

Галфвинд (нидерл. halve wind), или полветра - курс, при котором угол между направлением ветра и направлением движения судна составляет ок. 8 румбов (от 80 до 100 градусов). На этом курсе ветер дует перпендикулярно ДП, а вымпельный ветер оказывается направленным с носа под острым углом к ДП. Соответственно, парус устанавливается под меньшим углом атаки, его тяга равна подъёмной силе, а сила дрейфа - лобовому сопротивлению паруса. на этом курсе парус должен делить угол между ДП и направлением вымпельного ветра примерно пополам.

Бакштаг (нидерл. bakstag) - курс, образующий с направлением ветра угол больше 8, но меньше 16 румбов (более десяти и менее восьмидесяти градусов), то есть ветер по отношению к кораблю дует сзади-сбоку; отличают курс полный бакштаг, при котором угол составляет не более двадцати градусов, то есть приближающийся к фордевинду; парус устанавливается под углом к ветру с подветренного борта. Обычно на этом курсе парусное судно развивает наивысшую скорость. На бакштаге парус работает с большим углом атаки, при котором лобовое сопротивление играет основную роль в создании тяги паруса. Сила дрейфа практически отсутствует.

Фордевинд (нидерл. voor de wind) - курс, при котором ветер направлен в корму корабля.

Фордевинд - тот самый «попутный ветер», которого желают морякам, хотя в парусном спорте этот курс отнюдь не самый быстрый, как следовало бы ожидать. Кроме того, он требует от рулевого внимания и владения искусством управлять дополнительными парусами (обычно это спинакер). Парус при этом ставится перпендикулярно направлению ветра, тяга на нем создаётся благодаря лобовому сопротивлению. Слабый ветер на этом курсе практически не ощущается, так как скорость вымпельного ветра равна разности скорости истинного ветра и скорости встречного потока воздуха.

Фордевинд - один из двух поворотов (поворот - смена галса) парусного судна, при котором направление ветра в момент поворота проходит через корму. В отличие от поворота «оверштаг», поворот фордевинд более сложный и, порой, опасный, требует чётких действий команды при работе с парусами. Не случайно и команда подаётся с уточнением: «Приготовиться к повороту фордевинд!», тогда как при повороте «оверштаг» командир просто командует «Приготовиться к повороту!».

Лавировка

Лавировка парусного судна. α - лавировочный угол

Прямо против ветра парусник идти не может. Если необходимо попасть в какую-либо точку, расположенную с наветра, то применяется лавировка - движение к цели курсом бейдевинд переменными галсами. Для смены галса необходимо совершить поворот.

Если же сохраняя галс нужно пойти под более острым углом к направлению ветра, то говорят, что нужно «привестись к ветру». Если наоборот, нужно увеличить угол между направлением ветра и ДП лодки, то говорят, что необходимо «увалиться под ветер». (Следует, однако, помнить, что «ветер дует в компа́с», то есть его направления даются не по тому, куда ветер дует, а откуда. Это значит, что если курс судна, например, норд и ветер от норда, он дует не попутно, а навстречу судну.)

Для того, чтобы при этих маневрах установить парус под оптимальным углом атаки, его необходимо подтягивать к ДП - «выбирать», или же отпускать - «травить». Эти термины яхтсмены применяют при всех манипуляциях со снастями - шкотами, оттяжками и т. п.

В зависимости от борта, с которого дует ветер, курсы относительно ветра могут быть правого и левого галса.

При курсовом угле ветра, равном 26 румбам, бейдевинд правого галса в парусном флоте иногда называли штирборд, а левого (курсовой угол ветра 6 румбов) - бакборд. Для уточнения курса относительно ветра применялись выражения: «корабль идет правым галсом 7 румбов к ветру» (то есть бейдевинд при курсовом угле ветра 78°); «Корабль идет бакштаг правым галсом 10 румбов» (то есть курсовой угол ветра 112°); «Корабль идёт штирборд полнее 6 румбов» (то есть бакштаг при курсовом угле 12 румбов, или 135°). Применяют также понятие «крутой бейдевинд», как острейший курс относительно ветра, при котором парусное судно может идти вперёд (он колеблется от 3 до 6 румбов 33,3/4° до 67,1/2°); крутой и полный бакштаг (до 12 румбов и более 12 рубмов, или до 135 ° и более 135 ° соответственно).

Расчет пути судна по известным значениям компас. направления ветра, курс относительно ветра, поправки компаса и дрейфа наз. в парусном флоте исправлением румбов.

Румбы	Градусы	Курс судна относительно ветра
0	0	Левентик
1	11,25	Бейдевинд крутой, галс левый
2	22,5	Бейдевинд крутой, галс левый
3	33,75	Бейдевинд крутой, галс левый
4	45	Бейдевинд крутой, галс левый
5	56,25	Бейдевинд полный, галс левый
6	67,5	Бейдевинд полный, галс левый
7	78,75	Бейдевинд полный, галс левый
8	90	Галфвинд, галс левый
9	101,25	Галфвинд, галс левый
10	112,5	Бакштаг, галс левый
11	123,75	Бакштаг, галс левый
12	135	Бакштаг, галс левый
13	146,25	Бакштаг, галс левый
14	157,5	Бакштаг, галс левый
15	168,75	Бакштаг, галс левый
16	180	Фордевинд
17	191,25	Бакштаг, галс правый
18	202,5	Бакштаг, галс правый
19	213,75	Бакштаг, галс правый
20	225	Бакштаг, галс правый
21	236,25	Бакштаг, галс правый
22	247,5	Бакштаг, галс правый
23	258,75	Галфвинд, галс правый
24	270	Галфвинд, галс правый
25	281,25
26	292,5	Бейдевинд полный, галс правый
27	303,75	Бейдевинд полный, галс правый
28	315
29	326,25	Бейдевинд крутой, галс правый
30	337,5	Бейдевинд крутой, галс правый
31	348,75	Бейдевинд крутой, галс правый
32	360	Левентик

Мы продолжаем серию публикаций, подготовленных интерактивным научно-популярным блогом « Объясню за две минуты ». Блог рассказывает о простых и сложных вещах, которые ежедневно нас окружают и не вызывают никаких вопросов ровно до тех пор, пока мы о них не задумываемся. Например, там можно узнать, как космические корабли не промахиваются и не сталкиваются с МКС при стыковке.

1. Строго против ветра под парусом ходить невозможно. Однако если ветер дует спереди, но чуть под углом, яхта вполне может двигаться. В таких случаях говорят, что судно идет острым курсом.

2. Тяга паруса образуется благодаря двум факторам. Во‑первых, ветер просто давит на паруса. Во‑вторых, косые паруса, установленные на большинстве современных яхт, при обтекании воздухом работают, как крыло самолета, и создают «подъемную силу», только направлена она не вверх, а вперед. Из-за особенностей аэродинамики воздух с выпуклой стороны паруса движется быстрее, чем с вогнутой, и давление с внешней стороны паруса меньше, чем с внутренней.

3. Полная сила, создаваемая парусом, направлена перпендикулярно полотну. По правилу сложения векторов в ней можно выделить силу дрейфа (красная стрелка) и силу тяги (зеленая стрелка).

4. На острых курсах сила дрейфа велика, но ей противостоит форма корпуса, киль и руль: яхта не может идти боком из-за сопротивления воды. Зато вперед она охотно скользит даже при небольшой силе тяги.

5. Чтобы идти строго против ветра, яхта лавирует: поворачивается к ветру то одним, то другим бортом, продвигаясь вперед отрезками － галсами. Насколько длинными должны быть галсы и под каким углом к ветру идти － важные вопросы шкиперской тактики.

6. Выделяют пять основных курсов судна относительно ветра. Благодаря Петру I в России укоренилась голландская морская терминология.

7. Левентик － ветер дует прямо в нос судна. Таким курсом под парусом ходить нельзя, зато поворот к ветру используют, чтобы остановить яхту.

8. Бейдевинд － тот самый острый курс. Когда идешь бейдевиндом, ветер дует в лицо, поэтому кажется, что яхта развивает очень большую скорость. На самом деле это ощущение обманчиво.

9. Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.

10. Бакштаг － ветер дует с кормы и с борта. Это самый быстрый курс. Быстрые гоночные суда, идущие бакштагом, способны разогнаться до скорости, превышающей скорость ветра, за счет подъемной силы паруса.

11. Фордевинд － тот самый попутный ветер, дующий с кормы. Вопреки ожиданиям, не самый быстрый курс: здесь подъемная сила паруса не используется, и теоретический предел скорости не превышает скорости ветра. Опытный шкипер умеет предугадывать невидимые воздушные течения так же, как пилот самолета － восходящие и нисходящие потоки.

Посмотреть интерактивную версию схемы можно в блоге «Объясню за две минуты».

Ветра, которые в Южной части Тихого океана дуют в западном направлении. Именно поэтому наш маршрут был составлен так, чтобы на парусной яхте "Джульетта" двигаться с востока на запад, то есть так, что ветер дует в спину.

Однако если посмотреть на наш маршрут, вы заметите, что часто, например при движении с юга на север от Самоа к Токелау, нам приходилось двигаться перпендикулярно ветру. А иногда направление ветра и вовсе менялось и приходилось идти против ветра.

Маршрут "Джульетты"

Что делать в таком случае?

Парусные суда уже давно умеют ходить против ветра. Об этом давно хорошо и просто написал классик Яков Перельман в своей Второй книге из цикла «Занимательная физика». Этот кусочек я здесь привожу дословно с картинками.

"Под парусами против ветра

Трудно представить себе, как могут парусные суда идти «против ветра» - или, по выражению моряков, идти «в бейдевинд». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра идти под парусами нельзя, а можно двигаться лишь под острым углом к направлению ветра. Но угол этот мал - около четверти прямого угла, - и представляется, пожалуй, одинаково непонятным: плыть ли прямо против ветра или под углом к нему в 22°.

На деле это, однако, не безразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силой ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Вы, вероятно думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он толкает парус перпендикулярно к плоскости паруса. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рисунке ниже; линия АВ обозначает парус.

Ветер толкает парус всегда под прямым углом к его плоскости.

Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него (см. рис. вверху, справа). Последняя сила никуда но толкает парус, так как трение ветра о холст незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему.

Зная это, мы легко поймем, как может парусное судно идти под острым углом навстречу ветру. Пусть линия КК изображает килевую линию судна.

Как можно идти на парусах против ветра.

Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рисунке за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R встречает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед и, следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру. [Можно доказать, что сила S получает наибольшое значение тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра.]. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рисунок ниже. На языке моряков такое движение судна называется «лавировкой» в тесном смысле слова."

Давайте теперь рассмотрим все возможные направления ветра относительно курса лодки.

Схема курсов судна относительно ветра, то есть углом между направлением ветра и вектором от кормы к носу (курсом).

Когда ветер дует в лицо (левентик), паруса болтаются из стороны в сторону и двигаться с парусом невозможно. Разумеется, всегда можно спустить паруса и включить мотор, но это уже не имеет отношения к хождению под парусом.

Когда ветер дует точно в спину (фордевинд, попутный ветер), разогнанные молекулы воздуха оказывают давление на парус с одной стороны и лодка двигается. В этом случае судно может двигаться только медленнее скорости ветра. Здесь работает аналогия катания на велосипеде по ветру - ветер дует в спину и педали крутить легче.

При движении против ветра (бейдевинд) парус двигается не из-за давление молекул воздуха на парус сзади, как в случае фордевинда, а из-за подъемной силы, которая создается за счет разных скоростей воздуха с двух сторон вдоль паруса. При этом из-за киля, лодка двигается не в перпендикулярном к курсу лодки направлении, а только вперед. То есть парус в этом случае - это не зонтик, как в случае бейдевинда, а крыло самолета.

Во время наших переходов мы в основном шли бакштагами и галфвиндами со средней скоростью в 7-8 узлов при скорости ветра от 15 узлов. Иногда мы шли против ветра, галфвиндом и бейдевиндом. А когда ветер затухал - включали мотор.

В общем, лодка с парусом, идущая против ветра - это не чудо, а реальность.

Самое интересное, что лодки умеют ходить не только против ветра, но даже быстрее ветра. Происходит это, когда лодка идет бакштагом, создавая “собственный ветер”.

Думаю, что многие из нас воспользовались бы шансом погрузиться в морскую бездну на каком-нибудь подводном аппарате, но все же, большинство бы предпочло морское путешествие на паруснике. Когда еще не было ни самолетов, ни поездов были лишь только парусники. Без них мир был, не стал таким.

Парусники с прямыми парусами привезли европейцев в Америку. Их устойчивые палубы и вместительные трюмы доставили людей и припасы для строительства Нового мира. Но и у этих старинных кораблей были свои ограничения. Они шли медленно и практически в одном направлении по ветру. С тех пор многое изменилось. Сегодня используют совсем другие принципы управления силой ветра и волн. Так что если захотите прокатиться на современном , придется подучить физику.

Современный парусный спорт это не просто движение по ветру, это нечто воздействующее на парус, и заставляющее его лететь подобно крылу. И это невидимое «нечто» называется подъемной силой, которую ученые называют боковой силой.

Внимательный наблюдатель не мог не заметить, что не зависимо от того куда дует ветер парусная яхта всегда движется туда, куда нужно капитану - даже когда ветер встречный. В чем же секрет такого удивительного сочетания упрямства и послушания.

Многие даже не догадываются, что парус это крыло, и принцип работы крыла и паруса один. В его основе лежит подъемная сила, только если подъемная сила крыла летательного аппарата, используя встречный ветер, толкает самолет вверх, то вертикально расположенный парус направляет парусник вперед. Чтобы объяснить это с научной точки зрения необходимо вернуться к истокам - как работает парус.

Посмотрите, на смоделированный процесс, который показывает, как воздух действует на плоскость паруса. Здесь можно видеть, что потоки воздуха под моделью, имеющие больший изгиб, изгибаются, чтобы обойти ее. При этом потоку приходиться немного ускориться. В результате возникает область низкого давления - это и генерирует подъемную силу. Низкое давление на нижней стороне тянет парус к низу.

Другими словами область с высоким давлением пытается передвинуться к области низкого давления, оказывая давления на парус. Возникает разница давлений, что порождает подъемную силу. Благодаря форме паруса, с внутренней наветренной стороны, скорость ветра меньше, чем с подветренной стороны. На внешней стороне образуется разрежение. В парус в буквальном смысле всасывается воздух, который и толкает парусную яхту вперед.

На самом деле этот принцип довольно прост для понимания, достаточно присмотреться на любое парусное судно. Фокус здесь в том, что парус как бы ни был расположен, передает судну энергию ветра и даже если визуально кажется, что парус должен тормозить яхту, центр приложения сил находится ближе к носу парусника, и сила ветра обеспечивает поступательное движение.

Но это теория, а на практике все чуть по-другому. На самом деле парусная яхта не может идти против ветра - она движется под определенным углом к нему, так называемыми галсами.

Парусник движется за счет баланса сил. Паруса действуют как крылья. Большая часть производимой ими подъемной силы направлено в сторону, и лишь небольшое количество вперед. Впрочем, секрет в этом чудесном явление в так называемом «невидимом» парусе, который находится под днищем яхты. Это киль или на морском языке - шверт. Подъемная сила шверта также производит подъемную силу, которая тоже направлена в основном в бок. Киль противостоит крену и противоположной силе действующей на парус.

Кроме подъемной силы возникает еще и крен - вредное для движения вперед и опасное для экипажа судна явление. Но для того на яхте и существует команда, чтобы служить живым противовесом неумолимым физическим законам.

В современном паруснике и киль, и парус совместными усилиями направляют парусник вперед. Но как подтвердит любой начинающий моряк на практике все намного сложнее, чем в теории. Опытный моряк знает, что малейшие изменения изгиба паруса дают возможность получить больше подъемной силы и контролировать ее направление. Изменяя изгиб паруса, умелый моряк управляет размером и расположением области, производящей подъемную силу. С помощью глубокого изгиба направленного вперед можно создать большую зону давления, но если изгиб слишком велик или передняя кромка слишком крутая молекулы воздуха, обтекающие перестанут следовать его изгибу. Другими словами, если у предмета острые углы частицы потока не смогут совершить поворот - слишком силен импульс движения, это явление получило название «отделившийся поток». Результат этого эффекта - парус «заполощет», потеряв ветер.

А вот еще несколько практических советов использования ветровой энергии. Оптимальный курс выхода на ветер (гоночный бейдевинд). Моряки называют его «ход против ветра». Вымпельный ветер, имеющий скорость 17 узлов, ощутимо быстрее истинного ветра, создающего волновую систему. Разница их направлений составляет 12°. Курс к вымпельному ветру - 33°, к истинному ветру - 45°.