Парусные суда современной схемы кренятся потому, что на парус, расположенный значительно выше центра тяжести, действует аэродинамическая сила Rа , а на шверт, расположенный ниже центра тяжести, — гидродинамическая сила Rг. И та и другая силы стремятся повернуть судно вокруг центра тяжести в сторону крена (рис. 1). Чем меньше расстояние между точками приложения этих сил, тем меньше момент, кренящий судно.
Крен является основным фактором, ограничивающим допустимую площадь парусности. Но можно подобрать такое расположение паруса и шверта, при котором кренящего момента не будет совершенно. Это позволяет сильно увеличить парус и ходить с ним при ветре, достигающем скорости 16 м/сек. Одна из моделей подобной конструкции с длиной корпуса около 45 см и змейковым парусом площадью более 2 м2, что в 100 раз больше обычного, следуя курсом полный бейдевинд и точно выдерживая направление, развила скорость 40 км/час, проходила около 30 своих длин в одну секунду. История не знает примеров, чтобы модели парусников несли такие большие паруса и развивали такие большие скорости.
На рисунках 2 и 3 изображены модели со змейковыми парусами. Шверт такой модели должен быть жестким. Поэтому его нужно сделать из дюралюминиевого листа толщиной 2 мм. Нити уздечки — из стальной проволоки диаметром 0,5—0,7 мм, но за неимением проволоки их можно делать и из хорошего, крепкого крученого шнура. Верхняя передняя нить «аб» оканчивается общим колечком и имеет постоянную длину около 35 см. Нижняя «ав» — длиной около 30 см — имеет на конце шнурок для ее регулировки. Шнурок крепится к общему кольцу. Длина задней нити «аг» также регулируется шнурком. Корпус модели в основном предназначен для крепления шверта и плавников. Поэтому его можно делать очень узким, без мачты и с небольшим водоизмещением. Парусом на такой лодке служит змей. Шнур змея крепится к общему кольцу.
При правильно отрегулированных нитях уздечки сила Ra ветра, действующая через шнур змея, проходит через ту же точку, что и сила Rг , прикладываемая к шверту. Проекции этих сил на вертикальную плоскость направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются, совершенно не создавая кренящего момента (рис. 4). Правда, за счет того, что шнур змея направлен слегка вверх, модель через уздечку получает незначительный крен в сторону, противоположную обычному.
а — аэродинамическая сила Ra , передаваемая шнуром от змея, полностью уравновешивается гидродинамической силой Rг ;
б — возникновение равнодействующей силы F, выталкивающей модель из воды при слишком длинной нижней нити;
в — возникновение силы, затягивающей модель в воду, при слишком короткой нижней нити.
Если нижняя нить окажется длиннее нормы, то силы Ra и Rг будут направлены под углом друг к другу, а их равнодействующая F — вверх (рис. 4, б): лодка выпрыгнет из воды.
Если же нижняя нить скажется короче нормы, то равнодействующая F сил Ra и Rг будет направлена вниз (рис. 4, в): лодка будет уходить под воду.
Пробами на воде можно подобрать такую длину нижней нити, при которой подтягивание шнура не приведет к выпрыгиванию лодки, а лишь слегка прижмет ее к поверхности.
При правильной регулировке нитей величина начального крена не изменяется при любом увеличении силы ветра.
Сильный ветер может порвать шнур, сломать змей, погнуть шверт и т. д., но положить лодку он не сможет. Специалисты утверждают, что лодка сможет двигаться только в направлении шнура — туда, куда ее тянет змей, то есть курсом фордевинд. Таким курсом лодка действительно ходить сможет, но это не единственный и не самый выгодный курс. Оказывается, при таком курсе маленькая лодка практически не будет испытывать сопротивления воды. Змей и лодка начнут двигаться со скоростью истинного ветра. При этом вымпельный ветер окажется равным нулю и змей начнет падать в воду совершенно так же, как он падает, когда шнур выпущен из рук. У такой маленькой лодки на этом курсе необходимо искусственно увеличивать сопротивление корпуса, привязывая за кормой какие-либо предметы, уменьшающие скорость.
Как взаимодействуют между собой аэродинамическая сила, передающаяся лодке через шнур, с гидродинамической силой, при других курсах легче всего обнаружить практически.
Опустив лодку в воду, плавно потяните за шнур. Сила, приложенная вами через уздечку, передается ей точно так же, как она передавалась бы от змея.
При какой-то длине верхней задней нити «аг» (рис. 5) шверт расположится под прямым углом к шнуру. В этом случае лодка, оказывая большое сопротивление и совершая небольшие периодические рывки — то на нос, то на корму, начнет медленно двигаться вслед за тянущим ее змеем. При этом силы Ra и Rг будут лежать на одной прямой и взаимно уравновешиваться.
При удлинении задней нити «аг» угол β между швертом и натянутым шнуром становится меньше прямого (рис. 6). При такой регулировке нитей в первый момент, когда вы начнете тянуть за шнур, гидродинамическая сила Rг (если смотреть на лодку сверху) будет направлена уже не вдоль направления шнура, а под углом вперед. При сложении ее с силой натяжения шнура Ra она дает равнодействующую Т, при которой лодка будет двигаться уже не вдоль направления шнура, а под углом к нему. Лодка очень чутко отзывается даже на самые незначительные изменения длины каждой нити. Поэтому не удовлетворяйтесь первыми успехами, понемногу изменяйте длину задней, верхней и нижней нитей и, пробуя ход лодки в воде, подберите наиболее выгодную длину нитей уздечки.
Лодка с правильно отрегулированной уздечкой, слегка прижимаясь к поверхности воды, должна быстро и устойчиво двигаться вперед. Но не вдоль шнура, а под максимально возможным углом β к нему.
Правильность регулировки и величину гидродинамического качества лодки следует проверить экспериментально. Для этого надо тянуть ее за шнур, пропущенный через блок, который укрепляют на берегу. Лодка, отойдя от берега слева от блока, опишет кривую с уменьшающимся радиусом и подойдет к берегу справа от блока (рис. 7). Путь по кривой, совершенный лодкой, в 11 раз длиннее протянутого через блок шнура — следовательно, ее гидродинамическое качество равняется 11.
Чем больше вам удастся приблизить угол β к 90°, тем большим гидродинамическим качеством будет обладать лодка, тем круче она сможет идти против ветра.
У наших лодок угол β приближался к 80°.
Для дальнейшего повышения гидродинамического качества необходимо всеми способами уменьшать лобовое сопротивление шверта и всех подводных частей лодки.
Если увеличить силу Ra , прикладываемую к шнуру, то лодка увеличит скорость хода, практически не изменяя направления движения. Значит, если тянуть шкур со скоростью не 1, а 2 м/сек, лодка будет идти со скоростью не 11, а 22 м/сек.
Если тянуть за шнур такой лодки с силой около 10 кг, то скорость лодки при этом будет больше 10 м/сек. При такой скорости лодка своим швертом выдавливает стену воды и брызг, подобную той, которую создают воднолыжники на поворотах.
Только после того, как закончена регулировка уздечки, лодку можно запускать со змеем. В зависимости от выбранного направления движения лодки расположите уздечку с правого или с левого борта. Затем привяжите к общему кольцу шнур змея, летающего в воздухе, и, удерживая змей уже не за шнур, а за лодку, погрузите ее в воду (рис. 8, а). Лодка поплывет настолько быстро, что змей вначале не будет успевать за ней и, отставая, заставит ее несколько уваляться от ветра (рис. 8, б). Но потом движение установится, и лодка со змеем пойдет курсом галфвинд под углом к ветру около 75° (рис. 8, в). Так движется лодка со змеем, имеющим обычную регулировку, при которой шнур располагается строго вдоль ветра.
а — перед пуском со змеем, имеющим обычную регулировку; б — в первый момент после пуска; в — установившееся движение происходит под углом около 75° к направлению ветра; г — со змеем, отклоняющимся на угол ϒ от направления ветра, установившееся движение лодки происходит под углом около 120° от направления ветра.
Оказывается, что если привязать хвост не в середине змея, а ближе к правой или левой его стороне, то мы накреним змей, и он уйдет вправо или влево на угол ϒ. У наших змеев этот угол приближался к 40°. В этом случае шнур будет тянуть лодку уже не по ветру, а под углом к нему (рис. 8, г и 9). Но так же, как и в первом случае (рис. 8, а), лодка, выпущенная из рук, пойдет не в направлении натяжения шнура, а под углом к этому направлению. В итоге угол отклонения направления движения лодки от направления ветра Θ будет равен сумме углов
Θ = ϒ + β, т. е. 120° (рис. 8, г).
Величина угла ϒ характеризует аэродинамическое качество змейкового паруса. Величина же угла Θ характеризует общее суммарное качество лодки с парусом.
С целью удержания лодки у поверхности воды при больших натяжениях шнура к ее корпусу прикрепляют небольшие подводные крылья, расположенные под некоторым углом к палубе (рис. 2 и 3). Задние кромки крыльев отгибаются вниз, так чтобы они составили с палубой угол 5—15°.
При большой скорости движения крылья будут создавать подъемную силу уа и уб (рис. 10), не позволяющую лодке уходить под воду. Кроме специальных крыльев, можно на подводной части лодки сделать реданы, которые при движении лодки также будут создавать подъемную силу (рис. 3).
Подъемную силу каждого крыла можно регулировать, изменяя его площадь или угол установки. Если подъемная сила переднего крыла уа окажется меньше подъемной силы заднего уб, то при большом натяжении шнура лодка начнет зарываться носом в воду (рис. 10, а). При этом лодка может описать петлю под водой или даже несколько, а затем выпрыгнуть из воды.
Если подъемная сила заднего крыла окажется намного меньше подъемной силы переднего, то лодка будет идти с сильно опущенной кормой, создавая излишнее торможение движению (рис. 10, б).
Правильно сделанная и отрегулированная лодка при любом натяжении шнура будет скользить по поверхности воды. При волнении лодка, «прилипнув» к поверхности, огибает волну (рис. 11). Такое «прилипание» к поверхности является очень ценным свойством, так как оно не позволяет ветру оторвать лодку от воды. Если шнур поднимается над поверхностью воды на угол не больше 30—40°, то выдернуть лодку за шнур практически невозможно. Чем сильнее вы потянете за шнур, тем быстрее начинает двигаться вперед лодка.
Для первых опытов можно пускать лодку и с небольшим бумажным прямоугольным змеем типа «Московка», у которого две дранки приклеены по диагоналям, а третья приклеена сверху и стянута ниткою в «горб». Лучше пользоваться большим индийским змеем, чертежи и описание которого скоро будут опубликованы. Индийский змей даже без хвоста устойчив в полете. Хвост же, уменьшая высоту полета, ставит змей под больший угол атаки к ветру. Благодаря этому змей начинает тянуть за шнур значительно сильнее, что выгодно при использовании змея в качестве паруса.
Модели описанной конструкции являются экспериментальными, поэтому они не могут еще отвечать некоторым эксплуатационным требованиям, предъявляемым к обычным яхтам. Тем не менее, несмотря на некоторые неудобства, змейковый парус совместно с подвесным заборным швертом с большой выгодой уже сейчас может применяться на байдарках и других мелких судах, если им требуется длительное время идти без перемены курса.
Малый вес индийского змея (1,5 кг) и объем (в сложенном виде его размеры 7х7х100 см) позволяют включить его в обязательный комплект складных и надувных лодок.
Находящийся в воздухе змейковый парус яркой расцветки очень хорошо виден за несколько километров и является ориентиром, указывающим место пребывания байдарки.
Сидя в байдарке, вполне можно собрать и запустить змей малого размера, который способен поднять вверх основной. Совсем не обязательно, чтобы парусом был змей, летающий в воздухе. Принципиально возможно создать наклонный парус, вынесенный в сторону, но в то же время жестко связанный с корпусом, а также наклонить и вынести в сторону не парус, а шверт.
Создание любителями скоростного парусного судна, удобного в эксплуатации, — дело моделистов-конструкторов, которые, экспериментируя с моделями, выявят его будущий облик.
Г. ВАСИЛЬЕВ, инженер