Курсы движения относительно ветра. Основные правила проведения парусных регат Движение парусника против ветра

Прежде чем приступать к рассмотрению работы паруса, следует остановиться на двух коротких, но важных моментах:
1.Определить, какой именно ветер влияет на паруса.
2.Рассказать о специфической морской терминологии, связанной с курсами относительно ветра.

Истинный и вымпельный ветра в яхтинге.

Ветер, который действует на движущееся судно и всё находящееся на нем, отличается от того, который действует на какой-либо неподвижный объект.
Собственно ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, мы называем истинным ветром.
В яхтинге ветер относительно движущейся яхты называется вымпельным и является суммой истинного ветра и встречного потока воздуха, вызванного движением судна.
Вымпельный ветер всегда дует под более острым углом к лодке, чем истинный.
Скорость вымпельного ветра может быть больше (если истинный ветер встречный или боковой), или меньше истинного (если он с попутных направлений).

Направления относительно ветра.

На ветре значит с той стороны, откуда дует ветер.
Под ветром — с той стороны, куда дует ветер.
Эти термины, а также производные от них, такие как «наветренный», «подветренный», употребляются очень широко, и не только в яхтинге.
Когда эти термины применяют к судну, принято также говорить про наветренный и подветренный борта.
Если ветер дует со стороны правого борта яхты, то этот борт называют наветренным , левый борт — подветренным соответственно.
Левый и правый галс — два термина, непосредственно связанные с предыдущими: если ветер дует в правый борт судна, то говорят, что оно идет правым галсом, если в левый –то левым.
В английской морской терминологии то, что связано с правым и левым бортом, отличается от обычных Right и Left. Про правый борт и всё, что к нему относится, говорят Starboard, про левый — Port.

Курсы относительно ветра.

Курсы относительно ветра различаются в зависимости от угла между направлением вымпельного ветра и направлением движения судна. Их можно разделить на острые и полные.

Бейдевинд — острый курс относительно ветра. когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой бейдевинд (до 50°) и полный (от 50 до 80°).
Полными курсами относительно ветра называются курсы, когда ветер дует под углом 90° и более к направлению движения яхты.
К таким курсам относятся:
Галфвинд — ветер дует под углом от 80 до 100°.
Бакштаг — ветер дует под углом от 100 до 150° (крутой бакштаг) и от 150 до 170° (полный бакштаг).
Фордевинд — ветер дует в корму под углом более 170°.
Левентик — ветер строго встречный или близок к таковому. Поскольку против такого ветра парусное судно двигаться не может, его чаще называют не курсом, а положением относительно ветра.

Маневры относительно ветра.

Когда яхта, идущая под парусами, меняет свой курс так, что угол между ветром и направлением движения уменьшается, то говорят, что судно приводится . Другими словами, привестись значит пойти под более острым углом к ветру.
Если происходит обратный процесс, т. е. яхта меняет курс в сторону увеличения угла между ним и ветром, судно уваливается .
Уточним, что термины («приводиться» и «уваливаться» используются тогда, когда лодка меняет курс относительно ветра в пределах одного и того же галса.
Если же судно меняет галс, то тогда (и только тогда!) такой маневр в яхтинге называется поворотом.
Существует два различных способа перемены галса и, соответственно, два поворота: оверштаг и фордевинд .
Поворот оверштаг — это поворот против ветра. Судно приводится, нос лодки пересекает линию ветра, в какой-то момент судно проходит через положение левентик, после чего ложится на другой галс.
Яхтинг при повороте фордевинд происходит противоположным образом: судно уваливается, корма пересекает линию ветра, паруса переносят на другой борт, яхта ложится на другой галс. Чаще всего это — поворот с одного полного курса на другой.

Работа паруса при яхтинге.

Одна из основных задач для яхтсмена при работе с парусами заключается в том, чтобы ориентировать парус под оптимальным углом относительно ветра, чтобы наилучшим образом продвигаться вперед. Для этого нужно понимать, как парус взаимодействует с ветром.
Работа паруса во многом аналогична работе крыла самолета и происходит по законам аэродинамики. Для особо любознательных яхтсменов более подробно ознакомиться с аэродинамикой паруса как крыла можно в серии статей: . Но лучше это сделать после прочтения данной статьи, постепенно переходя от легкого к более сложному материалу. Хотя, кому я это говорю? Настоящих яхтсменов трудности не пугают. И можно все сделать с точностью наоборот.

Основное отличие паруса от самолетного крыла в том, что для появления на парусе аэродинамической силы нужен некий ненулевой угол между ним и ветром, этот угол называют углом атаки. Крыло самолета имеет несимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, парус нет.
В процессе обтекания паруса ветром возникает аэродинамическая сила, которая в итоге и двигает яхту вперед.
Рассмотрим работу паруса в яхтинге под разными курсами относительно ветра. Сначала для простоты представим себе, что мачта с одним парусом вкопана в землю и мы можем направлять ветер под разными углами к парусу.

Угол атаки 0°. Ветер дует вдоль паруса, парус полощется, как флаг. Никакой аэродинамической силы на парусе нет, есть только сила лобового сопротивления.
Угол атаки 7°. Начинает появляться аэродинамическая сила. Она направлена перпендикулярно парусу и пока небольшая по величине.
Угол атаки около 20°. Аэродинамическая сила достигла своего максимального значения по величине, направлена перпендикулярно парусу.
Угол атаки 90°. По отношению к предыдущему случаю аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению.
Таким образом, мы видим, что аэродинамическая сила всегда направлена перпендикулярно парусу и величина ее практически не изменяется в диапазоне углов от 20 до 90°.
Углы атаки более 90° не имеет смысла рассматривать, поскольку паруса на яхте обычно не ставятся под такими углами относительно ветра.

Приведенные выше зависимости аэродинамической силы от угла атаки являются в большой степени упрощенными и усредненными.
На самом деле эти свойства заметно различаются в зависимости от формы паруса. Например, длинный, узкий и довольно-таки плоский грот гоночных яхт будет иметь максимум аэродинамической силы при угле атаки около 15°, на больших углах сила будет несколько меньше. Если же парус более пузатый и имеет не очень большое удлинение, то аэродинамическая сила на нем может быть максимальной при угле атаки около 25-30°.

Теперь рассмотрим работу паруса на яхте.

Для простоты представим себе, что парус на яхте один. Пусть это будет грот.
Сначала стоит посмотреть, как ведет себя система яхта+парус при движении самыми острыми курсами относительно ветра, так как это обычно вызывает больше всего вопросов.

Допустим, на яхту действует ветер под углом 30-35° к корпусу. Ориентировав парус на курсе под углом примерно 20° к ветру, мы получим на нем достаточную по величине аэродинамическую силу А.
Поскольку эта сила действует под прямым углом к парусу, мы видим, что она тянет яхту сильно в сторону. Разложив силу А на две составляющие, можно увидеть, что сила тяги вперед Т в разы меньше, чем сила, толкающая лодку вбок (D, сила дрейфа) .
За счет чего же в таком случае яхта движется вперед?
Дело в том, что конструкция подводной части корпуса такова, что сопротивление корпуса движению в сторону (так называемое боковое сопротивление) также в разы больше, чем сопротивление движению вперед. Этому способствуют киль (или шверт), руль и сама форма корпуса.
Однако боковое сопротивление возникает тогда, когда есть чему сопротивляться, т. е., чтобы оно начало работать, обязательно нужно некоторое смещение корпуса вбок, так называемый ветровой дрейф.

Это смещение естественным образом возникает под действием боковой составляющей аэродинамической силы, и как ответная реакция сразу возникает сила бокового сопротивления S, направленная в противоположную сторону. Как правило, они уравновешивают друг друга при угле дрейфа около 10-15° .
Итак, очевидно, что боковая составляющая аэродинамической силы, наиболее ярко выраженная на острых курсах относительно ветра, вызывает два нежелательных явления: ветровой дрейф и крен.

Ветровой дрейф означает, что траектория движения яхты не совпадает с ее диаметральной плоскостью (диаметральная плоскость, или ДП, — «умный» термин, обозначающий линию нос — корма). Происходит постоянное смещение яхты под ветер, движение как бы немного боком.
Известно, что при яхтинге на курсе бейдевинд при средних погодных условиях ветровой дрейф как угол между ДП и реальной траекторией движения равен примерно 10-15°.

Продвижение против ветра. Лавировка.

Поскольку яхтинг под парусами невозможен строго против ветра, а можно двигаться только под некоторым углом, хорошо бы иметь представление о том, насколько остро к ветру в градусах может двигаться яхта. И каков, соответственно, тот неходовой сектор курсов относительно ветра, в котором движение против ветра невозможно.
Опыт показывает, что обычная круизная яхта (не гоночная) может эффективно двигаться под углом 50-55° к истинному ветру.

Таким образом, если цель, которую необходимо достичь, находится строго против ветра, то яхтинг к ней будет происходить не по прямой, а зигзагом-то одним галсом, то другим. При этом на каждом галсе, естественно, нужно будет стараться идти максимально остро к ветру. Такой процесс называется лавировкой.

Угол между траекториями движения яхт на двух соседних галсах при лавировке называется лавировочным. Очевидно, что при остроте движения к ветру 50-55° лавировочный угол будет составлять 100-110°.

Величина лавировочного угла показывает нам, насколько эффективно мы можем продвигаться к цели, если она находится строго против ветра. Для угла 110°, например, путь к цели в сравнении с движением по прямой увеличивается в 1.75 раза.

Работа паруса на других курсах относительно ветра

Очевидно, что уже на курсе галфвинд сила тяги Т существенно превышает силу дрейфа D, так что дрейф и крен будут невелики.

При бакштаге как видим, по сравнению с курсом галфвинд изменилось не так уж много. Грот поставлен в положение, почти перпендикулярное ДП, и положение это для большинства яхт является предельным, развернуть его еще дальше технически невозможно.

Положение грота на курсе фордевинд ничем не отличается от положения на курсе бакштаг.
Здесь для простоты при рассмотрении физики процесса в яхтинге мы берем в расчет только один парус — грот. Обычно на яхте поставлены два паруса — грот и стаксель (передний парус). Так вот, на курсе фордевинд стаксель (если он расположен с той же стороны, что и грот) находится в ветровой тени от грота и практически не работает. Это одна из нескольких причин, по которым курс фордевинд нелюбим яхтсменами.

“Попутного ветра!” – желают всем морякам, и совершенно напрасно: когда ветер дует с кормы, яхта не способна развить максимальную скорость. Эту схему помог сделать Вадим Ждан , профессиональный шкипер, гонщик, организатор и ведущий яхтенных регат. Читайте всплывающие подсказки на схеме, чтобы разобраться.

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 , 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).

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.

9. Галфвинд － ветер дует перпендикулярно направлению движения.

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,

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.

Есть два основных типа парусов - прямой и косой. Прямой - это обычный парус, расположенный поперек корпуса кусок ткани, который тянет корабль туда, куда дует ветер. Косой парус (обычно треугольный, но встречается и четырехугольный) позволяет использовать энергию ветра так, чтобы корабль мог идти против воздушного потока.

На практике это выглядит следующим образом: встречный ветер обтекает особым образом настроенный парус и толкает судно вперед и в сторону. Таким образом яхта или лодка может идти в нужном направлении зигзагами (галсами), подставляя ветру то один, то другой борт.

Именно эта технология позволила парусным кораблям получить принципиально иную свободу передвижения. Она сделала надежными торговые маршруты, прежде полностью зависевшие только от попутных ветров. Корабль с прямыми парусами, используя попутный ветер, мог достичь нужного места, однако, чтобы вернуться обратно, ему приходилось ждать смены направления ветра иногда по многу недель. Понятно, что такое плавание было ненадежным и непредсказуемым. Косой парус частично решил эту проблему. Сама идея плыть под парусом против ветра совершенно парадоксальна! Но она вполне соответствует законам физики.

Сегодня сложно точно установить, кто первым изобрел косой парус, однако мы знаем, что в Европу это открытие пришло через арабов, которые регулярно посещали воды Индийского океана. Там они, скорее всего, и увидели подобное техническое решение на судах полинезийцев. Последние не могли бы осваивать Тихий океан так активно, как они это делали, если бы у них не было косого паруса. Впрочем, широко применяли косой парус и китайцы.

Как бы то ни было, косой парус очень быстро стал распространяться в Средиземном море с его стабильными и предсказуемыми воздушными потоками. Здесь преобладают ветра, дующие с юго-востока на северо-запад. И конечно, для кораблей, которым надо было плыть в противоположную сторону, это представлялось проблемой. Решили же ее благодаря косому парусу.

Как развивалась техника?

Первым европейским вариантом этого изобретения стал латинский парус - треугольный косой парус, укрепленный сбоку от мачты (фото 1). Он позволил успешно плавать против ветра. Однако такая конструкция была очень трудоемкой, так как при перемене ветра латинский парус приходилось снимать с одной стороны мачты и устанавливать с другой стороны.

Справиться с этой проблемой помогло изобретение гафельного паруса (фото 2). Это тот же косой парус, только четырехугольный и натянутый не сбоку от мачты, а позади нее, причем его верхняя кромка (верхняя шкаторина) закреплена на гафеле, а нижняя кромка (нижняя шкаторина) закреплена на гике - горизонтальных элементах конструкции, растягивающих этот парус.

Сами гафель и гик одним концом закреплены на вертикальной мачте. Благодаря этим изобретениям парус стало гораздо проще переносить с одного на другой борт при смене галса. К восемнадцатому веку такая конструкция косого паруса полностью вытеснила латинский парус.

В начале 20-го века на смену гафельному парусу пришел так называемый бермудский парус (фото 3), который и по сей день является наиболее распространенным типом паруса. Зародился он в регионе Бермудских островов, где им пользовались местные рыбаки. Там секрет «подсмотрели» европейцы. А благодаря тому, что к этому моменту уже были открыты аэродинамические законы, бермудское изобретение быстро вышло в лидеры парусной индустрии.

Бермудский парус - это треугольный парус, передняя шкаторина которого растягивается по мачте, а нижняя - по гику. По простоте управления и эффективности он показывает наилучшие результаты. Именно такие паруса стоят на подавляющем большинстве современных парусных яхт (фото 3).

Cтоит отметить, что сегодня, говоря о паруснике, мы почти всегда имеем в виду парусную яхту. Яхты и яхтинг - это новая страница в истории паруса, не менее захватывающая, чем ее древние истоки. Но об этом - в следующий раз.

Наталия Никитина - член команды парусной школы Gokova Sailing Phuket (www.gokovaphuket.ru). Если вы хотите попробовать себя в парусном спорте, свяжитесь со школой по электронной почте [email protected].

Передвижение парусной яхты по ветру фактически определяется простым давлением ветра на ее парус, толкающим судно вперед. Однако, как показали исследования в аэродинамической трубе, путешествие под парусом против ветра подвергает парус воздействию более сложного набора сил.

Когда набегающий воздух обтекает вогнутую заднюю поверхность паруса, скорость воздуха уменьшается, в то время как при обтекании выпуклой передней поверхности паруса эта скорость растет. В результате на задней поверхности паруса образуется область повышенного давления, а на передней - пониженного. Разность давлений на двух сторонах паруса создает тянущую (толкающую) силу, которая перемещает яхту вперед под углом к ветру.

Парусная яхта, расположенная примерно под прямым углом к ветру (по морской терминологии - яхта идет галсом), быстро движется вперед. Парус подвергается воздействию тянущей и боковой сил. Если парусная яхта идет под острым углом к ветру, ее скорость замедляется из-за уменьшения тянущей силы и увеличения боковой. Чем сильнее парус повернут к корме, тем медленнее яхта движется вперед, в частности из-за большой боковой силы.

Парусная яхта не может плыть прямо против ветра, однако может продвигаться вперед, совершая серию зигзагообразных коротких перемещений под углом к ветру, называющихся галсами. Если ветер дует в левый борт (1), говорят, что яхта идет левым галсом, если в правый борт (2) - правым галсом. Для того чтобы быстрее пройти дистанцию, яхтсмен старается увеличивать до предела скорость яхты, регулируя положение ее паруса, как это показано на рисунке слева внизу. Для минимизации отклонения в сторону от прямой линии, яхта передвигается, меняя курс с правого галса на левый и наоборот. Когда яхта меняет курс, парус перебрасывается на другой борт, и при совпадении его плоскости с линией ветра какое-то время полощется, т.е. находится в бездействии (средний рисунок под текстом). Яхта попадает в так называемую мертвую зону, теряя скорость до тех пор, пока ветер снова на надует парус с противоположной стороны.