Общие
соотношения для парусников
(Aleon 1999г, посл. редакция апрель 2008)
1. Все
нижеприведенные закономерности были известны в начале 20 го века
и являются общими для всех парусников.
Так же они справедливы и для виндсерфинга.
Когда вы движетесь, все сбалансировано. При
равномерном движении уравновешены все силы
и моменты сил. Боковая тяга на парусе
компенсируется тем, что плавник и доска
дрейфуют под некоторым углом - на них
возникает сила в противоположном
направлении сноса. Компонента тяги
паруса вперед разгоняет доску до тер пока
эта составляющая не сравняется с
сопротивлением системы. К природному ветру
прибавляется встречный
“ветер” от вашего
движения . Из –за этого
вымпельный( реально ощущаемый на
доске во время
движения) поток будет другого значения и направления
,повернут острее.
Также
если обозначить
Vv, a - скорость
природного ветра и угол ветра(курс) в
покоящейся системе,
Vd-
скорость движения системы(доски)
Vi, b -
скорость и
направление вымпельного ветра,
то по сложению векторов
(1)
2.
При установившемся
движении все
уравновешено -как силы так и моменты этих сил ,
полное векторное рассмотрение
довольно трудоемко
Но
из равенства Cил
в горизонтальной плоскости получают некоторые
взаимосвязи
При
этом рассмотрении
удобно использовать обозначения:
Fxn
- сила сопротивления движению в
воде подводной части (корпуса, шверта,
плавника) - направлена против движения
Fyn - сила противодействующая дрейфу
подводной части
- в основном это шверт(
плавник), частично
сам корпус - направлена перпендикулярно
движению,
а также их соотношение и обратное значение ,
для niza
Аналогично для надводной части
Fyv - сила на парусном вооружении
перпендикулярная направлению вымпельного
ветра Fxv -сила сопротивления движению
надводной части (паруса, человека,доски ,гика)-
действует в направлении вымпельного ветра.
И их соотношение и обратная величина, для vерха
Kn же обозначает
то, как эффективно может оказывать боковое сопротивление
находящаяся в воде часть сносу, Т.е.какую часть этой боковой силы,
которую нужно уравновешивать , при этом будет составлять сопротивление низа...
Тогда при прямолинейном и установившемся движении получаются очень
простые соотношения
из сложения векторов
(1)
из равенства сил
(2)
Соотношения (1)
,(2) являются самими общими . Конечно ,
сами величины KV, KN
( и соответственно обратные величины Ev, En) в
большой степени зависят от скорости
движения, скорости ветра и
курса(угла a)
и для получения более точного
решения требуется тщательное рассмотрения
характеристик аэродинамики верха и
скольжения низа . Кроме
того, равенство Моментов сил, обеспечение
УСТОЙЧИВОСТИ накладывает дополнительные
соотношения и ограничения на систему. .
Но основные
выводы которые можно сделать не прибегая к сложным моделям
:чем выше могут достигаться
величины
kv
и kn
( соответсвенно ниже Ev En ),тем
система может двигаться
быстрее и
острее.. В общем то это и понятно -чем выше Kv
и Kn тем меньшим
сопротивлением верха и низа обладает система по отношению к их полезным
свойствам.
Также с помощью такого подхода для скоростных систем
(при больших Kv
и Kn
мало меняющихся от курса и скорости
)
можно в первом приближении получить
некоторые выводы :
максимальные скорости достигаются
приблизительно при курсах
amax
=b+90
, в радианах
это
amax=PI/2
+En+Ev
т.е курсы для максимальной скорости с большими
Kv, Kn всегда полнее галфвинда
!
А отношение максимальной скорости( при наивыгоднейшем
курсе) к скорости ветра приобретает вид
,
напомним En и Ev
это обратные величины к kv
и kn
,
угол предельно острого курса возможного движения aмин=
β=
En+Ev,
В-общем
,для скоростных парусников
: чем более эффективно работает верх и низ ( чем больше значения
Kv и
Kn )
тем и выше скорости можно достичь по отношению
к скорости ветра и тем острее можно двигаться
и
еще один вывод:
тем
больше курс
для получения максимальной скорости приближается к галфвинду .
Видно также что характеристики
верхней и нижней части абсолютно симметрично
( одинаково) определяют максимальную скорость . Не имеет большого смысла
все средства бросать на улучшения аэродинамичности верхушки, если
низ совсем не эффективен ( плохо скользит )при удержании дрейфа и
наоборот
Также не следует забывать что еще
есть соотношения равенства Моментов сил и
равенство сил в вертикальных плоскостях , к тому же отдельно проблемы устойчивости, которые
здесь вообще не рассматриваются .Например увеличивать
Kv ( эффективность верха)за счет удлинения паруса-крыла сложно, нужно еще учитывать что
при этом увеличивается кренящий момент от верхушки,
который необходимо как-то компенсировать. При порывистости ветра и чопе на воде КОНТРОЛЬ на большой скорости выходит на первый
план, а меры по повышению устойчивости как правило приводят к
ухудшением эффективности Kv, Kn
! Для доски - меньшая ширина , большее
V в днище, больший задний рокер,
для паруса - хорошо открываемая верхушка,
S-образный профиль,
для плавника - бо'льшие
стреловидности , скручиваемость Twist
.
Величины kv
и kn
для "верхней" и
"нижней" части и их
обратные величины вводятся
не случайно - они аналогичны понятиям
качества крыла в аэро-гидродинамике и часто их можно выразить через
соответствующие качества компонент верхушки , низа
KV- это по сути
аэродинамическое качество всей верхушки( парус+ человек+ надводная
часть доски)) в горизонтальной плоскости . KN
- гидродинамическое качество оказания противодействия
дрейфу всех движущихся в воде компонет( доска + плавник) .
Качество –довольно важное понятие для крыла. Это -отношение подъемной
силы (в поперечном направлении к набегающему потоку (движению)) к
силе сопротивления .Оно определяет эффективность работы крыла. Например
, крыло самолета или дельтаплана с большим качеством при той же
подъемной силе и скорости имеет меньшее сопротивление а значит и требует
меньшей тяги для удерживания в воздухе определенного веса.
Или, другими словами при той же тяге сможет двигаться
быстрее !
Плавник с большим качеством оказывает
более
эффективное сопротивление дрейфу (движение
в бок) при меньшем сопротивлении в
направлении движения.
Именно использование крыльев
дает возможность большом ряду парусных
снарядов двигаться по многим
направлениям ,например перпендикулярным и
более острым к ветру и со скоростью даже
большей скорости ветра.
Для аэродинамичных парусников на льду и на колесах на земле см ниже.
удается достичь соотношения к скорости ветра 3-5!
Но для виндсерфинга ,как ни смешно это звучит , спортсмен - виндсерфингист
на большой скорости
довольно сильно тормозит всю систему из-за своей плохой аэродинамики.
Так как максимальная нагрузка на парусе которую можно удержать
на виндсерфинге ,связана с весом и стойкой человека , а сила сопротивления
человека(
из-за плохого обтекания) быстро растет от скорости
вымпельного ветра , то каким бы высоким
аэродинамичным качеством не обладал парус , не удается
получить высокие качества всей верхушки Kv. Тело
человека вносит весомый вклад в сопротивление всей верхушки. Суммарное
качество верхушки(Kv) быстро падает при
росте скорости движения несмотря на аэродинамичный парус. Также быстрое
образование чопа от сильного ветра увеличивает сопротивление досок
и в совокупности с порывистостью ветра выдвигает на передний план
проблемы контроля
Для современных
парусных досок типа формулы, рассчитанных на
лавировку и небольшие
скорости ( относительно рекордных) удается достичь при умеренных
ветрах(4-8м.с) отношения скорости доски к скорости ветра больше
2-2.3 ( соответственно
при курсах 110 -115град).На более сильных ветрах и
скоростях, при которых вклад
сопротивления человека возрастает, обычные курсы скоростных заездов
-125-140 град , бакштаг. Отношение макс скорость/
скорость ветра падает до 1.7-1.5
и ниже .
Для повышения максимальной полезной нагрузки на парус по отношению к
весу человека и по отношению к сопротивлению его тела спидовики
виндсерферы практически всегда используют грудные жилеты-утяжелители(
5-15кг) . Утяжелитель смещает центр тяжести вверх и увеличивает рычаг
откренивания телом паруса , причем этот полезный эффект от
утяжелителя оказывается выше чем вредный -небольшое ухудшение
обтекания тела ( рост площади сечения), то есть в итоге за счет грудного
утяжелителя качество верхушки можно чуть повысить .
Главное не прикреплять утяжелители на ступни ног
:)(ниже центра тяжести
спортсмена), эффект будет противоположный
Finian Miniard
в заезде на канале в 2006 году
Если пилот спрятан в аэродинамичный корпус , то максимальное
аэродинамическое качество "верха"
существенно увеличивается , кроме того для колесных и коньковых
аппаратов можно получать очень низкое сопротивление "Низа"(
высокое Kn) для обеспечения
противодействия сносу вбок от паруса.
На земле и на льду трехточечные аппараты
парусники показывают хорошие
отношения скорости к скорости ветра - до 4-5
а) на земле класс
Nalsa снаряды и подобные
www.nalsa.org :
для высохших озер и береговых линий
,типичная скорость в 3-5 раз выше скорости ветра
рекорд на таких аппаратах около 130 км .час при ветре 8-12 м.сек(
25-44км.час)
рекордсмен
с тягой от ветра на
колесах по земле - 187
км.час ,
,
http://www.windjet.co.uk
хотя это и не чистый
"парусник"
а специально созданный аппарат 'Iron Duck'
с жестким крылом большого удлинения и очень аэродинамичным обтеканием
корпуса ,
рекорд поставлен 20
марта 1999г.
б) на льду ,буера класс DN
типичная скорость в 2-4 раза выше скорости ветра,
скорость до 100 км.
час
рекордсмены на льду skeeters зафиксированный
рекорд около 130км.час , неофициальный 160 км.час
в)
На воде - низ не такой быстрый,
Тримаран
Macquarie
Innovation(
http://www.macquarie.com.au/speedsailing/updates.htm)
с жеcтким крылом
обладающий хорошей аэродинамикой сумел достичь 47 узлов(
87 км.час) при ветре
всего около
15-18 узлов ( 7-9 м.сек или до 33.5 км.час), эксплутация скоростного
тримарана была рассчитана на супер гладкую воду и ветер до 10-11 м.сек,
отношение скорости к скорости ветра чуть меньше 3, но
в одной из попыток в 2004 году предыдущая модель при более сильном ветре
10-12 м.сек развалилась на мелкие кусочки, пилот не справился с
управлением , обошлось без жертв http://www.voilesnews.fr/fr/info_10_35.html
Aleon 1999г.( последняя редакция апрель 2008 год)
ССЫЛКИ:
СКОРОСТНЫЕ ПАРУСНЫЕ СНАРЯДЫ:
Nalsa -парус
на колесах
(рекорд 175 км.час-50 м/сек при ветре 15-20 м/сек
)
DN Ice Yacht(самый
крупные парусники на льду
- типичная характеристика -в 2-4 раза быстрее
скорости ветра)
Skate Sailing ( человек
внутри паруса)