О парусах. Основы парусного дела., К теме "Обводы шарпи" Опции

[Soling]

Предисловие.

Тема парусов огромна. Несмотря на то, что парусу не одно столетие, поиски оптимальных вариантов продолжаются непрерывно. Это и не удивительно. Роль паруса на судне трудно переоценить. Объективное сравнение парусов осложняется трудностями создания равных условий опытов.

Серьезные выводы по нововведениям можно делать только на основе тщательно проработанной статистики. Огромную роль играет здесь интуиция и опыт парусного мастера, который накапливается и обобщается годами.

Конечно же, полностью раскрыть такую тему в одной публикации просто не реально. Но общие принципы работы паруса и некоторые приемы изготовления описать можно.

Рассчитывая на начинающего микро яхтсмена, постараюсь не залезать глубоко в теорию и изложить хотя бы минимум того, что стоит знать о парусе обязательно. Конечно, если есть желание добиться от него чего-то стоящего. По этой причине излагать придется подробно.

Для конкретности привязываю все к описанной в соседней ветке модели " Звёздника ".

http://www.a123systems.ru/index.php?showtopic=255

Паруса моделей яхт.

Подавляющее большинство моделей яхт несет вооружение типа "Бермудский шлюп".
В рабочий комплект входит грот, треугольный в плане и стаксель, тоже треугольный.
Грот является основным парусом, стаксель - вспомогательным (на "Звезднике", бывает и наоборот).

Остальные типы вооружений рассматривать не буду. В принципе их работа отличается только деталями.

Основное качество вооружения, подобного этому, в том, что оно позволяет лодке двигаться против ветра до какого то определенного угла к нему - "выбираться на ветер". Происходит это благодаря тому же принципу, по которому возникает подъемная сила крыла самолета. Если взять разрез паруса по горизонтали, мы увидим, что его профиль одинаков с профилем крыла самолета, исчезающе малой толщины. Следовательно, можно рассматривать его как крыло, поставленное вертикально.

В чем же суть его работы? Благодаря закону Бернулли (давление на стенки трубы обратно пропорционально скорости потока ), на поверхностях вогнутой пластины, обдуваемой потоком, возникает разность давлений на вогнутую и выпуклую поверхность. Эффективность работы паруса зависит от того, насколько эти потоки ламинарны. Появление вихрей у поверхности паруса резко снижает его эффективность. Вихри же появляются при неправильном профиле паруса и при ошибках в установке угла атаки к набегающему потоку.

Стаксель, формируя поток, набегающий на грот, увеличивает его эффективность, отдаляя зону образования вихрей. Роль его в работе системы велика. Но, существуют лодки, на которых стаксель не используется. Тип вооружения с единственным парусом - гротом - называется "кэт". Пример - швертбот "Финн".

Насколько хороши паруса подобного типа, можно судить по буерам. Являясь "идеальной яхтой", по конструкции, эти аппараты способны развить скорость почти в три раза большую, чем скорость действующего ветра.

Выводы из написанного таковы: паруса яхты, при кажущейся незамысловатости. являются тонкой аэродинамической системой. В ней важны иногда незначительные мелочи. Практически же они должны отвечать ряду требований, иногда противоречивых. Но, любое судно - это набор компромиссов. Выигрывая в одном, теряем в другом. Задача - найти оптимальное соотношение выигрышей и потерь.

Конкретно по требованиям:

Профиль парусов должен быть оптимальным для разных скоростей ветра. На лодках используют несколько согласованных комплектов парусов.

Поверхность парусов должна быть максиально гладкой. Морщины, швы, накладки - это места возникновения вихрей. Даже для больших лодок критична гладкость поверхности ткани. Пленочные паруса появились и, несмотря на сложность изготовления и дороговизну, используются именно благодаря почти идеальной гладкости материала.

Если с морщинами следует решительно и беспощадно бороться, то швы и накладки для пошитого паруса - вынужденная необходимость. Да и с морщинами в некоторых случаях приходиться мириться. Иногда выигрыш от их осознанного создания больше, чем потери.

Ткань паруса обязана выдерживать ветровые нагрузки без деформаций и устойчиво держать заданную форму.

Более подробно: Профиль паруса принято оценивать по отношению величины стрелки погиби к хорде паруса. Важное значение имеет место перегибов профиля. Его оценивают в процентах от длины хорды.

Прогибь паруса принято называть "пузом". Чем больше прогибь, тем пузатее парус.
Пузатый парус имеет более высокие тяговые характеристики, чем плоский. Но лобовое сопротивление плоского паруса ниже. Дрейф при большей пузатости паруса с ускорением потока возрастает значительно больше, чем тяга. Для разрешения этого конфликта приняты рациональные соотношения f/b в комплектах парусов ( По Д.А.Курбатову ):

Для слабого ветра и на полных курсах - f/b = 1/10

Для средних ( 3-4 балла ) ветров - f/b = 1/12

Для сильных ветров - f/b = 1/17 - 1/20

При выборе комплекта нужно учитывать, что при свежем ветре более пузатый парус будет давать больший крен и дрейф.

Большое влияние на тягу паруса имеет место наибольшей погиби профиля паруса по отношению к его передней кромке. Расположение этой точки влияет на распределение давления по длине хорды паруса и, следовательно, на направление его вектора тяги.
Для плоских парусов оптимально расстояние в 35% - 40%. Для полных оно изменяется до 45% - 50%.

Теперь о вредных явлениях.

Одно из них - перетекание потока через кромки паруса. Больше всего оно заметно по нижним шкаторинам в районе гиков. Это перетекание вызывает интенсивное завихрение потока и, как следствие - снижение тяги. Срываясь с кромок, поток попадает в зону разрежения, увеличивая индуктивное сопротивление лодки. Как меры борьбы с этим злом уменьшают щель между парусом и палубой, применяют паруса с большим аэродинамическим удлинением. У таких парусов отношение передней и нижней шкаторин больше, чем у традиционных. Удлиннение эффективно, но до какой то величины. Особенно увлекаться не стоит.

Задняя шкаторина грота имеет, как правило, серповидную форму. Для предотвращения западания ее на подветренную сторону паруса применяют латы. Это гибкие планки, закладываемые в латкарманы. Понятно, что, несмотря на нарушение условия гладкости, их наличие неизбежно.

Задняя шкаторина не может быть жесткой и поддерживать ее необходимо.

Как ни парадоксально, но мачта лодки являеться так же злой силой в работе паруса. Ее задача - держать все нагрузки на парус. Для этого она должна иметь определенную толщину. А это порождает все те же вихри по передней шкаторине. Несколько снизить неизбежное зло можно, применяя обтекаемые профили мачты. Еще больший эффект дают профилированные поворотные мачты. На таких мачтах можно применять каплевидные профили. На неповоротных же более выгодны овальные с соотношением 3:2.

В том же месте живет и другая беда - крепление паруса к мачте. Применяемые иногда кольца, надетые на мачту, к которым крепится парус - наихудшее решение, порождающее массу проблем. В серьезных конструкциях применяют крепление чулком (например, "Лазер" и "Луч"), при этом парус надевается на мачту специальным карманом. способ простой и надежный, но... для смены паруса требуется разоружить лодку. Боле удобен способ с ликпазом. По нему усиленная тросом передняя кромка паруса протягивается в специальный паз по задней кромке мачты.

Стаксели играют в системе большую роль, ускоряя и формируя ламинарный поток на гроте.

Для получения большего эффекта их растягивают по всей длине передней кромки грота.
Такое вооружение называют "топовым".
Остальные варианты обозначаются отношением высоты фалового угла стакселя к высоте мачты: 3/4, 7/8, и.т.д.

Кроме того работа стакселя более эффективна благодаря отсутствию мачты. Существуют даже попытки создания стаксельного вооружения. В них мачта выносится из зоны паруса. Но... благо отсутствия ее там огорчается гибкостью штага, на котором стоит стаксель и громоздкостью конструкции наклонной мачты. Первое даже важнее. Под давлением ветра штаг выгибается на столько, что благоприятный эффект от уменьшения потерь на мачте стократно компенсируется возрастанием сопротивления и дрейфа. Тонких же и достаточно жестких штагов пока не придумали. При традиционой схеме вооружения прогиб штага компенсируют покроем стакселя.

Все выше написаное относится к работе парусов на острых курсах. На попутном ветре паруса начинают работать как прямые. Это значит, что они обтекаются как пластина, поставленная поперек потока. И тут важна площадь парусов и как можно худшая обтекаемость их. Для большей эффективности применяют постановку парусов "бабочкой", при этом стаксель не затеняется гротом и работает в полную силу. Для получения максимальной тяги ставят спинакеры. Это большой и очень пузатый парус, по сути - гипертрофированный прямой. Работает только на попутных ветрах (до галфвинда, иногда до полного бейдевинда). Очень капризен и непрост в применении. Да и не на всех лодках он применим.

Вот, очень сжато и далеко не полно, о парусах. Какие-то вопросы будут всплывать по ходу работы над ними. Тема настройки тоже полностью оставлена на потом.

Если есть желание более глубоко разобраться в теории, можно смело брать любую книгу, посвященную парусам, и применять сведения оттуда на модели. Их работа и особенности ничем не отличаются от больших братьев. Разве что нужно учитывать разницу в условиях работы. Для модели волна в 10 см порождает проблемы штормовой погоды.

Еще стоит, наверное, помянуть о непрофилированных парусах. На основании выше написанного, думаю не трудно догадаться, что легенды об их эффективности и даже превосходстве не более чем миф, основанный на чем угодно, только не на законах аэродинамики.

[Soling]

Дальше в планах изготовление парусов. Замахиваться на пленочные супер - пупер паруса не стоит. Их изготовление сложно. А по сему ограничусь традиционными, матерчатыми.
Смотрятся они хорошо. Да и работают тоже прилично.

[Maks7]

Очень интересная статья, но только для модели, не сильно подходящая. Мне кажется, что для начала нужно четко понять, что в моделизме все немного по-другому, не так как на больших лодках.
Например, ряд описанных креплений парусов, просто запрещены на спортивных моделях яхт, а на любительских не воспроизводимы. К тому же, ошибка в 10 мм на площади несколько квадратных метров, не так критична, как ошибка на площади в несколько квадратных дециметров.
В любом случае модельный парус, в настоящее время идет несколько другим путем, хотя ряд аспектов, безусловно, остаются общими.
А что касается пленочных парусов, то НЕ возможность, трудоемкость сильно, знаете ли, преувеличина.

[Soling]

Очень интересная статья, но только для модели, не сильно подходящая. Мне кажется, что для начала нужно четко понять, что в моделизме все немного по-другому, не так как на больших лодках.

Отличия в правилах действительно есть. Однако на аэродинамику это никак не влияет. Ее законы остаются в действии и для больших и для моделей. Построение разметки парусов так же ни чем не отличается. Основные понятия- опять же общие.
Вот в чем есть большое отличие - так это в условиях плавания, а значит ветровом режиме.
Для большой лодки волна в 10 см просто не заметна. Для модели же это масса проблем связанная с формированием потоков у поверхности неспокойной воды. Срыв этого потока с гребней и как следствие - наличие вихрей.

О пленочных парусах я не писал, что их невозможно сделать. Просто технология по которым я их делал требует наличие хорошо обработанного болвана для каждого паруса. Если есть что то проще - буду благодарен за сведения.


Еще хочу обратить внимание на то, что модель НЕ ДЕАЛАСЬ ПОД КАКОЙ ТО КЛААС спортивных лодок. Размеры определены длинной листов бальзы. Прототип выбран исходя из личной симпатии.
Для использования в качестве спортивной надо согласовать ее с требованиями и ограничениями выбранного класса.
В таком виде, я бы назваал ее "учебно - тренировочной".

[Mr_Alex]

Много говорится про отличия плоских парусов от профильных. А парус у которого профиль создается например изгибом мачты или кроем переней шкаторины каким является? ;-)

[Soling]

И то и другое - разные способы создания профиля. Изгибом мачты можно регулировать профиль.
Приемлим любой способ позволяющий осознанно контролировать форму паруса.

[Mr_Alex]

Ну тогда говорить о плоском парусе вообще не корректно ;-) Такого практически не бывает, если только это не транспарант, натянутый в струну.

[Soling]

Так жесткий парус - пленочный или из, не по размеру модели, дубовой ткани зажатый на жесткой же мачте, и есть тот самый транспорант.

[Maks7]

О пленочных парусах я не писал, что их невозможно сделать. Просто технология по которым я их делал требует наличие хорошо обработанного болвана для каждого паруса. Если есть что то проще - буду благодарен за сведения.

А как же простые шаблоны для изготовления паруса? Не ужели Вы с ними н знакомы?
А что касаемо паруса то мне вот интересно, до сего момента я делал паруса по принципу крыла, т.е. верхняя точка хорды профиля была равноудалена в процентах от передней кромки. А вот сейчас, изучая мат часть наткнулся на немного другую ее трактовку, этот рисунок может как то объяснить что я имею в виду

Тут мне кажется присутствует небольшая крутка заложенная в раскрой и смещение профиля, или мне только это кажется?

[Soling]

Не думаю, что это заложено намеренно. По крайней мере смысла в подобной крутке не вижу. Я бы посчитал ее присутствие дефектом вызванным завалом верха серпа стакселя.

[Павлуха]

Небольшая программка для расчёта парусов.

Прикреплённые файлы

 sailcut4_package.zip ( 1.58 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 835