Быстрее ветра. Статья №30. 28.02.17.

Обычно, парусному кораблю желают попутного ветра, искренне полагая, что это – самое удачное направление ветра из всех возможных. На самом же деле, попутный ветер, конечно, лучше встречного, но он намного хуже бокового.

Дело в том, что при попутном ветре корабль, как бы, догоняет ветер, и в результате, сила давления на паруса ослабевает. Ветер “гаснет”. По этой причине парусник на попутном курсе не может толком разогнаться. Например, если скорость корабля составляет половину от скорости ветра, то давление ветра на парус снижается в четыре раза, в сравнении с давлением на паруса неподвижного корабля.

Чем быстрее движется корабль на попутном курсе, тем меньшую тягу создают его паруса. Вот почему корабль на курсе фордевинд (так по-голландски называется попутный курс) никогда не догонит ветер. Более того, на фордевинде трудно достичь даже половинной скорости ветра. Обычно, приходиться довольствоваться всего лишь одной третью, что, конечно, до обидного мало.

Математические расчеты показывают, что на курсе фордевинд парусник может полезно использовать только одну седьмую долю (точнее 4/27) располагаемой энергии воздушного потока, наполняющего его паруса. Это – просто никуда не годится.

Совсем другая картина наблюдается на курсе галфвинд (буквально – пол ветра), когда корабль движется перпендикулярно направлению ветра. На этом курсе движение корабля не только не ослабляет ветер, наполняющий паруса, а даже наоборот – усиливает его по формуле Пифагора. Да, по той самой – родной для всех нас со школы, формуле Пифагора, в которой действующими лицами являются катеты и гипотенуза:

“Квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов прямоугольного треугольника”.

Один из наших катетов – это скорость корабля, другой катет – скорость ветра относительно воды, а гипотенуза – скорость ветра относительно движущегося корабля. В парусном мире эту скорость принято называть вымпельной, поскольку флаг (вымпел) на корабле полощется под действием именно этого ветра, который на галфвинде всегда больше скорости ветра относительно воды (истинной скорости ветра). А ведь, именно вымпельный ветер создаёт аэродинамическую силу на парусе. Значит, чем быстрее движется корабль при боковом ветре, тем большая сила возникает на его парусах.

Когда скорость корабля сравнивается со скоростью истинного ветра, вымпельный ветер в полтора раза превышает истинный ветер, а сила давления на парусах возрастает вдвое, в сравнении с той силой, которая действовала на паруса в самом начале движения. Ведь аэродинамическая сила растёт в квадрате от скорости ветра. Такая серьёзная прибавка в силе даёт возможность разогнать парусник быстрее скорости ветра.

Например, доска с парусом способна глиссировать вдвое быстрее ветра. Колёсный буер может превысить скорость ветра в три раза, а коньковый буер способен скользить по льду в четыре, а то и в пять раз быстрее ветра. При четырёхкратной быстроходности – давление вымпельного ветра на парус мчащегося по льду буера в шестнадцать раз превосходит давление истинного ветра на парус стоячего буера.

Это похоже на чудо – подавляющая доля аэродинамической силы на парусах быстроходных парусников обязана не скорости самого ветра, а скорости движения парусника.

Вместо обычных, для свежего ветра, пяти килограмм силы на квадратный метр паруса, мы получаем восемьдесят килограмм на квадратный метр, то есть, пол тонны силы на скромном парусе буера с шестью квадратами площади.

Это редкий пример действия положительной обратной связи. Движение парусника при галфвинде увеличивает давление на парус, а не уменьшает его, как это было на попутном курсе.

Правда, есть одно но. На попутном курсе аэродинамическая сила на парусе – это и есть сила тяги, так как она совпадает по направлению с курсом корабля.

На галфвинде парус приходится устанавливать под малым углом к оси лодки, поэтому сила тяги составляет лишь долю от полной силы давления ветра на парус.

Точно так же, как силу, действующую на крыло самолёта, принято раскладывать на две проек­ции: полезную подъёмную силу и вредную силу сопротивления, силу на парусе также раскладывают на вредную силу крена и полезную силу тяги – проекцию полной аэродинами­ческой силы на курс движения.

В реалии выходит так, что рост полной аэродинамической силы почти в точности компенси­руется снижением угла проекции. В результате, сила тяги паруса почти не изменяется при увеличении скорости хода. Но зато и не падает.

Если же вспомнить, что тяговая мощность пропорциональна не только силе тяги, но и скорости хода, то мы имеем линейный рост мощности при увеличении скорости парусника. То есть, мощность парусного движителя на галфвинде прямо пропорциональна скорости судна при одной и той же силе ветра.

Чудесное свойство парусника мчаться быстрее ветра сильно взбудоражило умы яхтенных конструкторов, активно включившихся в гонку за мировыми рекордами скорости под парусами (хронику мировых рекордов смотрите в приложении).

На сегодня, мировой рекорд парусника на воде равен 65,45 узлам (121,06 км/ч). Его установил в 2012 году австралиец Пол Ларсен на катамаране Vestas Sailrocket 2, оснащён­ном подводными крыльями и жёстким парусом-крылом площадью 22 кв.м

Ещё выше рекордная скорость сухопутного колёсного буера Greenbird – 202,9 км/ч. Этот рекорд установлен британцем Ричардом Дженкинсом 26 марта 2009 г. на глади высохшего озера Айвенпах в пустыне Невада, в Калифорнии.

Рекордом скорости ледового буера считается 230 км/ч, но это неофициальный рекорд скорости, при его достижении не были соблюдены необходимые формальности.

Скоростные парусники успешно опровергли один из стереотипов о невозможности движения корабля быстрее ветра, используя только энергию ветра. При этом, заметное опережение скорости ветра стало возможно только на боковых курсах.

Парус на современном гоночном судне представляет собой крыло с высочайшим аэродина­мическим качеством. У него много общего с лопастью ветряной турбины, которая, движется перпендикулярно воздушному потоку (курс галфвинд).

При этом скорость лопасти может превышать скорость ветра в десять раз, а это значит, что аэродинамические силы на вращающейся лопасти в сто раз превышают те же силы, действу­ющие на неподвижную лопасть.

Так от чего же тогда возникает сила – от того, что ветер дует, или же – от того, что лопасть вращается ?

Вот об этом мы и поговорим на следующих страничках.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: РЕКОРДЫ ПАРУСНЫХ СУДОВ.

В 1972 году был создан международный Совет: World Sailing Speed Record Council (WSSRC), для фиксации рекордов скорости парусных судов.

Первым абсолютным рекордсменом был объявлен британец Тим Колман (теперь уже – сэр Колман). На катамаране Crossbow он прошёл дистанцию в полкилометра со скоростью 26,3 узла (48,7 км/час). Скорость катамарана Колмана заметно превосходила скорость ветра.

В течение восьми лет Колман шесть раз обновлял собственный рекорд, и в 1980 году на катамаране Crossbow II достиг скорости 36 узлов (66,7 км/час).

Этот рекорд держался до1986 года. Ни один гоночный парусник того времени не мог составить серьёзной конкуренции яхте Crossbow II.

И тут, вдруг, мировой рекорд “уплыл” к серфенгисту – французу Паскалю Мака. Его парусная доска достигла скорости 38,86 узлов (72 км/час). Это был гром среди ясного неба. Какой-то маленький французский сёрфер утёр нос лучшему гоночному катамарану Великобритании.

С 1986 до 1993 года лихие французские серфенгисты, на специально построенном канале Святой Марии, постепенно доводят мировой рекорд скорости до 45,34 узлов (84 км/час).

Но Великобритания не сдаётся, и вот австралиец Саймон Маккеон, управляя тримараном на подводных крыльях “Yellow Pages Endeavour”, построенном в Мельбурне, устанавливает рекорд 46,52 узлов (86,2 км/час), которому суждено было продержаться одиннадцать лет.

В 2004 году первую строчку снова занимает серфенгист. Правда, теперь уже не француз, а представитель Британских Виргинских островов – Финиан Мэйнар. Превышение прежнего рекорда было мизерным – всего то 0,3 узла. Судьи зафиксировали 46,82 узла (86,7км/ч). Но уже в 2005 году

Мэйнар устанавливает новый рекорд 48,7 узлов (90,2 км/ч).

Последний рекорд, установленный на парусной доске, был зафиксирован в 2008 году французом Антуаном Албу 49,09 узлов (91 км/час).

В том же году на арену выходит новый вид скоростного парусника – парусный кайт, который представляет собой парусную доску с парашютом от пароплана.

В сентябре 2008 года американский кайт–бордист Робберт Дуглас проходит 500 метров со скоростью 49,84 узла (92,3 км/ч). А в октябре этого же года француз Себастьян Каттелан преодолевает значимый рубеж в 50 узлов, установив рекорд скорости 50,26 узла (93 км/ч). На следующий день другой француз Александр Кэзаргус разгоняет свой кайт-борд до скорости 50,57 узлов (93,7 км/ч).

Казалось бы, песенка больших гоночных катамаранов спета, и будущие рекорды будут принадлежать только серфенгистам. Но в сентябре 2009 года француз Алан Тэбо со своей командой на гигантском тримаране Hydroptère с подводными крыльями, уверенно перешагнул полусотенный ребеж, зафиксировав скорость 51,36 узлов (95 км/ч) на дистанции в 500 метров. На отдельных участках дистанции Hydroptère, со своей 30 метровой мачтой и парусами площадью 600 кв.м, развивал скорость 55,5 узлов (103 км/ч).

В 2010 году, рекорд возвращается в клан кайт-бордистов. Американцы Александр Кэзаргус, Себастьян Каттелан и Робберт Дуглас поочерёдно поднимают рекордную планку на уровень 54,1 (100,2), 55,49 (102,8) и 56,65 (104,9) узлов и (км/ч) соответственно. Желанный прорыв за рубеж в 100 км/ч состоялся.

Последний, на сегодняшний день рекорд мира на 500 метровой дистанции установил в 2012 году австралиец Пол Ларсен на катамаране Vestas Sailrocket 2 с подводными крыльями и с жёстким парусом-крылом площадью 22 кв.м. Средняя скорость болида на пятистах метрах составила 65,45 узла (121,06 км/ч).

Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Дмитрий Цейтлин.