Почему кренится обычная яхта?
Традиционные парусные суда наклоняются на бок из-за разницы в точках приложения сил. Аэродинамическая сила ветра (Ra) действует на парус, который находится высоко над центром тяжести. Одновременно гидродинамическая сила воды (Rг) давит на шверт, расположенный значительно ниже. Эти две силы создают вращающий момент, который и заставляет судно крениться. Чем ближе друг к другу линии действия этих сил, тем меньше этот опрокидывающий момент.
Рис. 1. Как возникает кренящий момент у классического парусного судна.
Революционная идея: полное устранение крена
Оказывается, можно сконструировать судно так, чтобы кренящий момент был равен нулю. Для этого нужно особым образом расположить точки приложения аэродинамической и гидродинамической сил. Такая конструкция позволяет установить парус огромной площади и ходить под ним даже при очень сильном ветре, скорость которого достигает 16 метров в секунду.
На практике была создана модель длиной около 45 см с так называемым змейковым парусом площадью более 2 м². Это в 100 раз больше стандартной парусности для судна таких размеров. На курсе полный бейдевинд (почти против ветра) эта модель развила скорость 40 км/ч, что эквивалентно прохождению 30 своих длин за секунду. Это беспрецедентный результат в истории моделирования.
Конструкция модели с змейковым парусом
На рисунках 2 и 3 показаны примеры таких моделей. Их ключевые особенности:
- Шверт: Должен быть очень жестким, рекомендуется изготавливать его из дюралюминиевого листа толщиной 2 мм.
- Уздечка: Система нитей, соединяющая корпус со шнуром змея. Верхняя передняя нить (аб) имеет постоянную длину (~35 см), а нижняя (ав) и задняя (аг) — регулируемые с помощью шнурков.
- Корпус: Выполняет роль платформы для крепления шверта и стабилизирующих плавников. Он может быть очень узким и легким, так как не несет мачты.
- Парус: Его роль выполняет воздушный змей (кайт), шнур которого крепится к уздечке.
Рис. 2. Простейшая модель, лишенная кренящего момента.
Рис. 3. Модель с реданами для создания дополнительной подъемной силы.
Принцип балансировки сил
При правильной настройке уздечки сила тяги змея (Ra) и сила сопротивления шверта (Rг) оказываются приложенными к одной точке. Их проекции на вертикальную плоскость направлены в противоположные стороны и полностью уравновешивают друг друга, что исключает возникновение кренящего момента (см. Рис. 4).
Рис. 4. Баланс сил у модели со змейковым парусом (вид спереди):
- а — идеальная балансировка сил Ra и Rг;
- б — если нижняя нить слишком длинна, равнодействующая сила F направлена вверх, и модель выпрыгивает из воды;
- в — если нижняя нить слишком коротка, сила F направлена вниз, и модель зарывается.
Правильная регулировка на воде позволяет добиться состояния, когда модель лишь слегка прижимается к поверхности, а ее начальный крен не меняется даже при усилении ветра. Сильный ветер может повредить снасти, но опрокинуть такую лодку он не в состоянии.
Как модель движется не по ветру
Распространено заблуждение, что такая лодка может двигаться только по ветру (курсом фордевинд). На самом деле, при этой схеме движение против ветра также возможно. Секрет кроется в угле β между швертом и шнуром змея (см. Рис. 5 и 6).
Рис. 5. Силы уравновешены, когда угол β равен 90°.
Рис. 6. При угле β < 90° возникает равнодействующая сила T, заставляющая модель двигаться под углом к направлению тяги.
Изменяя длину задней нити уздечки, можно менять угол β. Чем ближе этот угол к 90°, тем выше так называемое гидродинамическое качество модели — способность идти круто против ветра. У опытных моделей этот угол достигал 80°.
Гидродинамическое качество можно измерить экспериментально, потягивая модель за шнур через блок на берегу (см. Рис. 7). Если путь модели по кривой в 11 раз длиннее выбранного шнура, то ее качество равно 11.
Рис. 7. Метод определения гидродинамического качества.
Запуск со змеем и управление курсом
После регулировки уздечки на воде модель запускают с воздушным змеем. Интересно, что курс можно менять, регулируя не саму лодку, а положение змея в воздухе. Если сместить точку крепления хвоста змея в сторону, он накренится и будет тянуть шнур не строго по ветру, а под углом γ (см. Рис. 8, 9).
Рис. 8. Траектории движения модели со змеем:
- а, б, в — запуск и движение со змеем, летящим по ветру (угол к ветру ~75°);
- г — движение со змеем, отклоненным на угол γ (суммарный угол к ветру Θ = γ + β может достигать 120°).
Рис. 9. Как смещение хвоста заставляет змей отклоняться от ветра.
Стабилизация на высоких скоростях
Для удержания модели у поверхности на большой скорости используются подводные крылья или реданы (выступы на корпусе). Они создают подъемную силу, не дающую судну нырнуть или выпрыгнуть (см. Рис. 10). Баланс между подъемной силой переднего (ya) и заднего (yb) крыла критически важен для устойчивого движения.
Рис. 10. Работа подводных крыльев: а — задирание носа, б — опускание кормы, в — правильное скольжение.
Правильно настроенная модель буквально «прилипает» к поверхности воды, огибая волны (Рис. 11), что делает ее невосприимчивой к отрыву ветром.
Рис. 11. Модель, скользящая по гребням волн.
Практическое применение и перспективы
Для первых экспериментов подойдет простой бумажный змей. Однако для серьезных испытаний лучше использовать устойчивый индийский змей, который развивает большую тягу.
Хотя такие модели являются в основном экспериментальными, принцип змейкового паруса уже сейчас может с пользой применяться на байдарках и других малых судах для длительных переходов без смены курса. Компактный и легкий змей может входить в аварийный комплект надувных лодок, выполняя также роль яркого сигнального средства.
Эта концепция открывает путь к созданию принципиально новых скоростных парусных судов, лишенных главного недостатка классических яхт — сильного крена. Дальнейшая работа моделистов-конструкторов может определить облик будущих парусников.
Г. ВАСИЛЬЕВ, инженер