Войти
Составляющие аэродинамической силы для двух точек паруса.. Левосторонняя лодка: Низовой ветер с остановившимся воздушным потоком - преобладающая составляющая сопротивления движет лодку с небольшим кренящим моментом.. Правая лодка: Ветер против ветра (ближний бейдевинг) с присоединенным воздушным потоком - преобладающий компонент подъемной силы и толкает лодку, и способствует крену. 
Точки паруса (преобладающий компонент силы паруса для водоизмещающей лодки).. А. Вылет (без движущей силы) - 0-30 °. Б. Малогабаритный (лифт) - 30-50 °. С. Вылет луча (подъем) - 90 °. D. Широкий вылет (подъемная сила) - ~ 135 °. в. Бег (сопротивление) - 180 °. Истинный ветер (VT) везде на диаграмме одинаков, тогда как скорость лодки (VB) и вымпельный ветер (VA) зависит от положения паруса. Силы на парусах возникают в результате движения воздуха, который взаимодействует с парусами и дает им движущую для парусных судов, включая парусные корабли, парусники, виндсерферы, ледовые лодки и парусные наземные транспортные средства. Аналогичные принципы во вращающейся системе отсчета применимы к парусам ветряных мельниц и лопастям ветряных турбин, которые также являются ветровыми. Они отличаются от сил на крыльях и лопастей винта, действие которых не приспособлено к ветру. Воздушные змеи также вызывают в движении некоторые парусные суда, но не используют мачту для поддержки аэродинамического профиля и выходят за рамки данной статьи.
Силы на парусах зависят от скорости и направления ветра, а также скорости и направления корабля. Направление, в котором движется аппарат относительно «истинного ветра» (направление и скорость ветра над поверхностью), называется точкой паруса. Скорость корабля в данной точке паруса влияет на «вымпельный » - скорость и направление ветра, измеренные на движущемся корабле. Кажущийся ветер на парусе создает общую аэродинамическую силу, которую можно разделить на лобовое сопротивление - составляющую силу в направлении вымпельного ветра - и подъемную силу - составляющую силу нормальный (90 °) к вымпельному ветру. В зависимости от ориентации паруса относительно вымпельного ветра подъемная сила или сопротивление преобладающим движущим компонентом. Общая аэродинамическая сила также разделяется на поступательную, движущую, движущую силу, которая противодействует среде, через которую действует летит аппарат (например, через воду, воздух или лед, песок), и боковую силу, которая противодействует подводным крылья., ледовые полозья или колеса парусного судна.
Для углового кажущегося ветра, выровненных с точкой входа паруса, парус действует как аэродинамический профиль, подъемная сила является преобладающим компонентом тяги. Приход кажемся угле ветра за парусом подъемная сила увеличивает сопротивление как преобладающий компонент тяги. При заданной истинной скорости ветра над поверхностью моря, когда входа паруса совмещена с вымпельным ветром, чем при несоосной точке входа, потому что из комбинации уменьшенной силы от воздушного потока вокруг паруса и уменьшенного вымпельного ветра от скорости корабля. Из-за ограничений скорости на воде водоизмещающие парусные обычно получают мощность от парусов, создают подъемную силу в точках паруса, включая бейдевинг с широким вылетом (примерно от 40 ° до 135 ° по ветру). Из-за низкого трения о поверхности и высоких скоростей по льду, ледовые лодки создают мощность от подъемной силы на большем расстоянии от ветра, чем водоизмещающие лодки.
Различные математические модели рассматривают увеличивающую силу и сопротивление, увеличенную во внимание плотность воздуха, коэффициенты подъемной силы и сопротивления, которые приводят к результату и площади паруса, а также формы скорости и направления вымпельного ветра, среди других факторов. Эти знания применяются при проектировании парусов таким образом, чтобы моряки могли регулировать паруса в зависимости от силы и направления вымпельного ветра, чтобы обеспечить движущую силу парусного судну.
Комбинация как Скорость и направление нездорового судна по отношению к ветру вместе с силой ветра Вымпельную скорость ветра. Когда судно выровнено в направлении, в котором можно отрегулировать так, чтобы его передняя кромка была параллельна вымпельному ветру, парус действует как аэродинамический профиль, создавая подъемную силу в направлении, перпендикулярном вымпельному ветру. Компонент этого подъемника поперек его курса, которому противодействуют кильника, лопасти ледового судна или парусного судна. Важный компонент подъемной силы направлен вперед по направлению движения.
| Описание терминов | Вектор | Скаляр |
|---|---|---|
| Переменные, относящиеся к скорости | ||
| Истинная скорость и скорость ветра | VT | VT |
| Скорость и скорость лодки | VB | VB |
| Скорость и скорость кажущегося ветра | VA | VA |
| Переменные, относящиеся к силе | ||
| Подъем на парусе | L | L |
| Сопротивление на парусе | D | D |
| Общая аэродинамическая сила на парусе | FT | FT |
| Составляющая движущая сила | FR | FR |
| Боковой компонент | FLAT | FLAT |
| Другие переменные и константы | ||
| Угол кажущегося ветра | α |
Чтобы понять силы и скорость, обсуждаемые здесь, нужно понимать, что означает «вектор » и "скаляр. "Скорость (V ), обозначенная в статье как жирным шрифтом, является представлением изображения, поскольку она подразумевает и направление, и скорость. Соответствующая скорость (V), обозначенная в этой статье курсивом, является скалярным значением. Аналогичным образом вектор силы F обозначает направление и силу, тогда как соответствующий ему скаляр (F) обозначает только силу., которая показывает скорость или силу. Векторы согласованных единиц (например, V в м / с или F в N ) могут быть добавлены и вычтены графически, позиционируя кончики
Подъем на парусе (L ), действующий как аэродинамический профиль возникает в направлении, перп воздушным результатом разницы давлений между наветренной и подветренной поверхностями и зависит от угла атаки, паруса, плотности воздуха и вымпельного ветра. Разница давления возникает из-за нормальной силы на единицу площади паруса, проходящим вокруг него. Подъемная сила возникает из-за того, что среднее давление на наветренную поверхность паруса выше, чем среднее давление на подветренной стороне. Эти перепады давления возникают в связи с изогнутым воздушным потоком. Воздух движется по криволинейной траектории вдоль наветренной стороны паруса, возникает градиент давления, перпендикулярный поток потока, с более низким давлением на внешней кривой и более высоким давлением внутри. Для создания подъемной силы парус должен иметь «угол атаки » (α) между линией хорды паруса и скоростью вымпельного ветра (VA). Угол атаки зависит как от точки паруса корабля, так и от того, как настроен по отношению к вымпельному ветру.
По мере увеличения подъемной силы, создаваемой парусом, сопротивление, вызванное подъемной силой., которое вместе с паразитным сопротивлением составляет полное сопротивление (D ). Это происходит, когда угол увеличивается с дифферентом паруса или изменением курса, что приводит к увеличению коэффициента подъемной силы до точки аэродинамического сваливания, так же как и подъемная сила, вызванная коэффициент аэродинамического сопротивления. В начале сваливания подъемная сила увеличивает сопротивление, вызванное подъемной силой, но сопротивление вязкого давления, составляющее паразитное сопротивление, увеличивается из-за образования отрывного потока на поверхности паруса. Паруса с вымпельным ветром позади них (особенно с подветренной стороны) работают в свалившемся состоянии.
Подъемная сила и сопротивление являются составляющими общей аэродинамической силы на парусе (FT). Временная сила на пару противодействуют силы, действующие в воде (для лодки) или на перемещаемой поверхности (для ледовой лодки или наземного парусного судна), их соответствующие силы могут быть разложены из общей аэродинамической силы на движущую силу (FR) и поперечной силы (F LAT ). Движущая сила преодолевает сопротивление поступательному движению. Боковое усилие создает боковое сопротивление киля, лопасти или колеса, но также усиливает силу кренения.
Разложение сил (в горизонтальном поперечном сечении), действующее на парус, создавая подъемную силу.. FT- это общая сила, действующая на парус при кажущемся ветре (VA), показанном. Это делится на силу, воспринимаемые парусом, подъемную силу (L ) и сопротивление (D ), причем показано красным, а угол атаки отмечен как α.
Силы ветра, действующие на парусника (L и D ) и передаваемые на лодку (FR- толкающее вперед судно - и F LAT - толкание лодки вбок) во время бейдевинга оба являются составляющими общей аэродинамической силы (FT).
Кажущийся ветер (VA) - это скорость воздуха, действующая на переднюю кромку самого переднего паруса или ощущаемые приборами или экипажем движущегося парусного судна. Это сумма истинной скорости и составляющей вымпельного ветра, являющейся результатом скорости лодки (VA= -VB+VT). В морской терминологии скорость ветра обычно выражается в узлах, а углы ветра - в градусах. Положение паруса корабля влияет на его скорость (VB) для истинной скорости ветра (VT). Обычные парусные суда не могут получать энергию от ветра в "запретной" зоне, которая находится от 40 ° до 50 ° от истинного ветра, в зависимости от судна. Аналогичным образом, прямая скорость по ветру у всех обычных парусных судов ограничена истинной скоростью ветра.
Скорость силы (выделена черным цветом) создает равный и противоположный вымпельный ветер. компонент (не показан), который стал кажущимся.
Кажущийся ветер и силы на паруснике. . По мере того, как лодка плывет дальше от ветра, вымпельный ветер становится меньше, а боковая составляющая меньше становится; скорость лодки самая высокая на досягаемости луча.
Кажущийся ветер на ледовой лодке. . По мере того, как ледовая лодка плывет дальше от ветра, вымпельный ветер немного увеличивается, и скорость лодки максимальна на большом расстоянии. Парус обшит по всем трем точкам паруса.
Парусное судно A идет на бейдевинд. Парусник B находится на досягаемости луча. Парусное судно C широко доступно.
Скорость парусника в воде ограничена сопротивлением, большим в результате сопротивления корпуса на воде. Парусные лодки на рапирах гораздо менее ограничены. Ледяные лодки обычно имеют наименьшее сопротивление движению вперед среди всех парусных судов. Судно с более высокой скоростью движения вперед при заданной скорости ветра обеспечивает более низкие скорости, чем ледовые, которые могут двигаться со скоростью, в несколько раз превышающую истинную скорость ветра. Следовательно, парусная лодка испытывает более широкий диапазон углов вымпельного ветра, чем ледовая лодка, которая, как правило, достаточно велика для того, чтобы вымпельный ветер в больших условиях требует плавания с накинутым пару градусов в одну сторону от ее курса.. точки паруса. На обычных парусных лодках паруса установлены для создания подъемной силы в тех точках паруса, где можно совместить переднюю кромку паруса с вымпельным ветром.
Для парусной лодки острие паруса значительно влияет на поперечную силу. Чем выше лодка направлена к ветру под парусом, тем сильнее боковая сила, которая требует сопротивления от киля или других подводных крыльев, включая даггерборд, шверт, скег и руль. Боковое усилие вызывает крен в парусной лодке, что требует сопротивления весом балласта со стороны экипажа или самой системы лодки, особенно катамарана. Противодействие ему направлена против ветра, становятся менее важными. На ледовых лодках боковым силам противодействует поперечное сопротивление лопастей на льду и расстояние друг от друга, что обычно предотвращает крен.
| Описанный термин | Вектор | Скаляр |
|---|---|---|
| Переменные, относящиеся к силм на парусах | ||
| Центр усилий | CE | |
| Угол кажущегося ветра от курса относительно | β | |
| Угол атаки земли на кливер | αj | |
| Угол атаки на грот | αm | |
| Угол крена | θ | |
| Сила крена | FH | FH |
| Вертикальная аэродинамическая сила | FVERT | FVERT |
| Плечо вертикального момента | h | |
| Переменные, относящиеся к силе, действующим на корпус | ||
| Центр поперечного сопротивления | CLR | |
| Центр плавучести | CB | |
| Центр тяжести | CG | |
| Угол | λ | |
| Общая гидродинамическая сила на корпусе | Fl | Fl |
| Гидродинамическая подъемная сила | Pl | Pl |
| Гидродинамическая боковая сила | PLAT | PLAT |
| Гидродинамическое сопротивление | Rl | Rl |
| Вес гидростатического покрытия | W | W |
| Сила плавучести | Δ | Δ |
| По горизонтального момента | b |
Каждое парусное судно представляет собой, которая мобилизует силу ветра через i паруса, поддерживаемые лонжеронами и такелаже м, которые обеспечивают движущую силу и реактивную силу от днища парусной лодки, включая киль, шверт, руль или другие подводные крылья, или ходовая часть ледовой лодки или наземного корабля, что позволяет держаться на курсе. Без способности мобилизовать силы в направлениях, отличных от направления ветра, корабль просто плыл бы по течению перед ветром.
Соответственно, движущие силы и кренящие силы на парусном судне являются компонентами либо реакциями на общую аэродинамическую силу (FT) на парусах, которая является функцией скорости вымпельного ветра (VA) и изменяется в зависимости от точка плавания. Составляющая поступательной движущей силы (FR) вносит вклад в скорость лодки (VB), которая сама по себе определяющая скорость вымпельного ветра. При отсутствии боковых реактивных сил FTот киля (в воде), конька (на льду) или (на суше) судно перемещается только по ветру, а парус не поддерживает подъемную силу..
При стабильном угле крена (для парусной лодки) и постоянной скорости аэродинамические и гидродинамические силы уравновешены. Общая аэродинамическая сила (FT), интегрированная в парусное судно, находится в центре усилия (CE), который является функцией конструкции и конструкции парусов на парусном судне. Точно так же полная гидродинамическая сила (Fl) находится в центре бокового сопротивления (CLR), который является функцией конструкции корпуса и его подводных частей (киля, руля направления, крыльев, так далее.). Эти две силы в противовес друг с другом с Flреакцией на FT.
обеспечивают ограниченное сопротивление боковым силам благодаря своей широкой стойке и высокому трению с поверхностью.. В парусной лодке боковым силам противодействуют двумя способами:
Все парусные суда достигают постоянной скорости движения вперед (V B) при заданном ветре скорость (V T) и положение паруса, когда движущая сила вперед (FR) равна силе сопротивления движению вперед (Rl). Для ледовой лодки преобладающая сила сопротивления вперед является аэродинамической, поскольку коэффициент трения на гладком льду составляет всего 0,02. Соответственно, высокопроизводительные ледовые лодки обтекаются, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление.
Вид сверху.
Кормовой вид.
Виндсерферы используют подъем, вертикальный по отношению к воде, чтобы уменьшить сопротивление доски за счет наклона паруса к ветру. Примерное место действия чистой аэродинамической силы на корабле с одним парусом - это центр усилия (CE) в геометрическом центре паруса. Наполненный ветром, парус имеет примерно сферическую форму многоугольника, и если форма устойчива, то положение центра усилия стабильно. На парусных судах с несколькими парусами положение центра усилия изменяется в зависимости от плана паруса. Триммер паруса или профиль аэродинамического профиля, дифферент лодки и острие паруса также влияют на CE. На данном парусе чистая аэродинамическая сила на парусе находится примерно при максимальной осадке, пересекающей изгиб паруса и проходящей через плоскость, пересекающую центр усилия, перпендикулярно передняя кромка (передняя кромка) примерно перпендикулярна хорде паруса (прямая линия между передней кромкой (передней передней кромкой) и задней кромкой (задняя кромка)). Чистая аэродинамическая сила по отношению к воздушному потоку обычно рассматривается в отношении направления вымпельного ветра (VA) над плоскостью поверхности (океан, суша или лед) и разлагается на подъемную силу (L ), перпендикулярно VA, и перетащите (D ) в соответствии с VA. Для виндсерферов важна подъемная составляющая, вертикальная к плоскости поверхности, потому что при сильном ветре паруса виндсерфера наклонены против ветра, чтобы создать вертикальную подъемную составляющую (FVERT), которая уменьшает сопротивление борт (корпус) сквозь воду. Обратите внимание, что FVERTдействует вниз для лодок, отклоняющихся от ветра, но в нормальных условиях им можно пренебречь.
Трехмерная векторная взаимосвязь для чистой аэродинамической силы относительно вымпельного ветра (VA):
Аналогичным образом чистая аэродинамическая сила может быть разложена на три поступательных направления с учетом к курсу лодки над поверхностью: волна (вперед / назад), раскачивание (правый борт / левый - относится к свободе ) и вертикальная качка (вверх / вниз). Скалярные значения и направления этих компонентов могут быть динамическими в зависимости от ветра и волн (для лодки). В этом случае FTрассматривается по отношению к направлению курса лодки и разлагается на движущую силу (FR) в соответствии с курсом лодки и поперечную силу (F LAT ) перпендикулярно курсу лодки. Опять же для виндсерферов важна составляющая подъемной силы, вертикальная к плоскости поверхности (F VERT ).
Трехмерная взаимосвязь для чистой аэродинамической силы по отношению к курсу над поверхностью:
Значения движущей силы (F R) поперечной ичной силы (F LAT) с углом вымпельного ветра (α), при условии отсутствия крена значениям подъемной силы (L) и сопротивления (D) следующим образом:
Реактивные силы на парусном судне включают лобовое сопротивление - гидродинамические характеристики парусника сопротивление (R l), сопротивление скольжению ледовой лодки или сопротивление качению сухопутного парусного судна в направлении движен ия, которые должны быть минимизированы для увеличения скорости, и в поперечном направлении, перпендикулярно направление движения, должно быть достаточно прочным, чтобы свести к минимуму боковое движение и направлять судно по курсу.
Прямое сопротивление включает типы сопротивления, которые препятствуют скорости парусной лодки в воде, включая компоненты паразитного сопротивления, состоящие в основном из формы сопротивления., которое возникает из-за формы корпуса, и поверхностное трение, возникает из-за трения воды (для лодок) или воздуха (для ледовых лодок и наземных парусных судов) о "кожа» движущегося по Водоизмещающие суда также подвержены волновому сопротивлению от энергии, которая уходит на вытеснение воды в волны и которое ограничено скоростью корпуса, которая является величиной длины ватерлинии, движения колесных транспортных средств вперед. зависит от трения качения, а ледовые подвержены кинетическому трению или трению скольжения. Паразитное сопротивление в воде или увеличивает пропорционально квадрату скорости (V B или V A, соответственно); трение качения линейно увеличивается со скоростью; тогда как кинетическое трение обычно является постоянным, но на льду скорость может уменьшаться по мере перехода к трению со смазкой при плавлении.
Способы уменьшения со противления возникновения волн Используемые на парусных судах включают уменьшенное водоизмещение - за счет глиссирования или (как в случае с виндсерфингом) за счет веса судна с помощью подъемного паруса - и точный вход, как на катамаранах, где узкий корпус сводит к минимуму вытеснение воды в нос волна. Парусные катера на подводных крыльях также уменьшают лобовое трение с подводной пленкой, которая поднимает воду над водой.
Сухопутное парусное судно.
Парусные суда с низким сопротивлением движению вперед могут повышать скорость относительно скорости ветра:
Боковая сила - это реакция, создаваемая подводная форма парусника, лопастями ледяной лодки и колесамиопутного парусного судна. Парусники опираются на кили, шверты и другие подводные крылья, включая рули, которые обеспечивают подъем в поперечном направлении для создания гидродинамической поперечной силы (P LAT ), чтобы компенсировать составляющую поперечной силы, действующую на парус (F LAT ), и минимизировать свободу действий. Такие крылья обеспечивают гидродинамическую подъемную силу, а для килей - балласт для компенсации кренования. Они учитывают широкий спектр конструктивных особенностей.
Силы на парусах, которые вносят вклад в крутящий момент и вызывают вращение относительно продольной (и назад), горизонтальная (вперед на траверзе) и вертикальная (вверх) оси вращения приводят к: крену (например, крену). шаг (например, тангаж) и рыскание (например, протяжка ). Крен, который является результатом создания поперечной силы (F LAT ), является наиболее значительным вращательным эффектом общей аэродинамической силы (FT). В стазисе кренящий момент от ветра и восстанавливающий момент от силы крена лодки (F H) и ее противодействующая гидродинамическая подъемная сила на корпусе (F l), разделенные расстояния величиной (h = "кренящий рычаг ") по сравнению с его гидростатическим смещением веса (W) и его противодействующей вытянутой силой (Δ), разделенные расстояниями (b =" правое плечо ") находятся в равновесии:
. (опорная рука × сила наклона = правый рычаг × выталкивающая сила = кренящий рычаг × гидродинамическая подъемная сила на корпусе = правый рычаг × водоизмещающий вес)| Описанный термин | Вектор | Скаляр |
|---|---|---|
| Переменные, относящиеся к скорости ветра | ||
| Высота точки отсчета ветра | h0 | |
| Высота измерения ветра | h | |
| Скорость ветра на высоте | В (ч) | |
| Степенной закон | p | |
| Сила порыва | G | |
| Переменные, относящиеся к силам н а парус | ||
| Аэродинамический коэффициент | C | |
| Аэродинамическая сила | F | |
| Подъемный коэффициент | CL | |
| Коэффициент сопротивления | CD | |
| Плотность воздуха | ρ | |
| Площадь паруса | A |
Паруса бывают самых разных конфигураций, которые предназначены для различных возможностей парусного судна, приводимого в движение ими. Они разработаны, чтобы не выходить за пределы требований устойчивости и мощности корабля, которые являются функциями конструкции корпуса (для лодок) или шасси (для наземных судов). Паруса энергия от ветра, которая меняется во времени и с высотой над поверхностью. Для этого они предназначены для адаптации к силе ветра в различных точках паруса. Как их конструкция, так и метод управления включают средства согласования их подъемной силы и аэродинамического сопротивления с имеющимся вымпельным ветром путем изменения площади поверхности, угла поворота и кривизны.
Поры ветра увеличивают кренящий момент на правой лодке класса J / 22. Скорость увеличения с высоты над поверхностью; в то же время скорость ветра может изменяться в течение коротких периодов времени в виде порывов. Эти соображения можно описать эмпирически.
Измерения показывают, что скорость ветра (V (h)) изменяется в соответствии со степенным законом с высотой (h) над ненулевой точкой отсчета высоты измерения (h 0 - например, на высоте основания паруса), используя эталонную скорость ветра, измеренную на исходной высоте (V (h 0)), следующим образом:
Если показатель степени ( p) имеет значения, которые были эмпирически, в диапазоне от 0,11 над океаном до 0,31 над суш.
Это означает, что скорость ветра V (3 м) = 5 м / с (≈10 узлов) на высоте 3 м над водой будет примерно V (15 м) = 6 м / с (≈12 узлов) на высоте 15 м над уровнем воды. При ураганном ветре с V (3 м) = 40 м / с (≈78 узлов) скорость на 15 м будет V (15 м) = 49 м / с (≈95 узлов) с p = 0,128. Это говорит о том, что паруса, которые поднимаются выше над поверхностью, могут быть подвержены более сильным ветровым силам, которые перемещают центр усилий (CE) выше над поверхностью и увеличивают кренящий момент.
Кроме того, вымпельное направление ветра перемещается к корме с высотой над водой, что может потребовать соответствующее поворот в форме паруса для достижения присоединенного потока с высотой.
Hsu дает простую формулу для фактора порыва ветра (G) для ветра как функции показателя (p), приведенного выше, где G - отношение скорости порыва ветра к данной скорости ветра при заданной высоте:
Таким образом, для данной скорости ветра и рекомендованного Сюй значения p = 0,126 можно ожидать, что G = 1,5 (10 - узловой ветер может достигать 15 узлов). Это в сочетании с изменениями направления ветра, позволяет предположить, что в некоторой степени парусное судно адаптироваться к порывам на заданном курсе.
Движущая система парусного судна состоит из одного или нескольких нескольких поддерживаемых рангоутом и такелажем, которые обеспечивают энергию от ветра и реактивную силу днища парусной лодки или ходовая часть ледового катера или плавсредства. В зависимости от угла атаки парусов по отношению к вымпельному набора, каждый обеспечивает движущую силу потока либо от присоединенного потока с преобладающей подъемной силой, либо отрывного потока с преобладанием сопротивления. Кроме того, паруса могут взаимодействовать друг с другом, создаваемые силы, которые отличаются от суммы индивидуальных вкладов каждого паруса, когда они используются по отдельности.
Углы атаки паруса и результирующие (идеализированные) схемы для присоединенного потока, максимальной подъемной силы и остановки для гипотетического паруса. Линии застоя (красные) очерчивают воздух, проходящий с подветренной стороны (вверху) от проходящей к наветренной (нижней) стороне паруса. Паруса пропускному судну продвигаться по ветру благодаря своей способности создавать подъемную силу. (и способность корабля противостоять развивающим боковым силам). Каждая конфигурация паруса имеет характерный коэффициент подъемной силы и сопутствующий коэффициент лобового сопротивления, который можно определить экспериментально и рассчитать теоретически. Парусники ориентируют свои паруса с благоприятным углом отклонения между точкой входа паруса и вымпельным ветром при изменении их курса. Способность создавать подъемную силу ограничивается плаванием слишком близко к ветру, когда нет эффективного угла для создания подъемной силы (вылетом стрелы), и плаванием в достаточной степени от ветра, чтобы парус не мог быть ориентирован под подходящим углом атаки (движение по ветру). Вместо этого, после критического угла атаки , парус сваливается и обеспечивает разделению потока.
Каждый тип паруса, действующий как аэродинамический профиль, имеет характеристики коэффициенты подъемной силы (C L) и сопротивления подъемной силы (C D) при заданном угле атаки, которые следуют ниже та же самая основная форма:
Где сила (F) равна подъемной силе (L) для сил, измеренных перпендикулярно воздушному потоку, чтобы определить C = C L, или сила (F) равна сопротивлению (D) для сил, измеряемых параллельно воздушному потоку до определить C = C D на парусе площади (A) и заданном соотношении сторон (длина к средней ширине корда). Эти коэффициенты меняются в зависимости от угла атаки (α j для переднего паруса) относительно падающего ветра (V A для переднего паруса). Эта формулировка позволяет экспериментально определять C L и C D для заданной формы паруса путем изменения угла атаки при экспериментальной скорости ветра и измерения силы на парусе в направлении падающего ветра. ветер (D - сопротивление) и перпендикулярно ему (L - подъем). По мере увеличения угла атаки подъемная сила достигает максимума под некоторым углом; увеличение угла атаки сверх этого критического угла атаки вызывает отделение потока на верхней поверхности от выпуклой поверхности паруса; здесь меньше отклонение воздуха на ветер, поэтому парус в качестве аэродинамического профиля создает меньшую подъемную силу. Говорят, что парус остановился. В то же время индуцированное сопротивление увеличивается с увеличением угла атаки (для переднего паруса: α j).
Угол атаки : Коэффициент подъемной силы (C L) и коэффициент лобового сопротивления (C D) и их соотношение как функция угла атаки (α) для гипотетического паруса.
Полярная диаграмма : Коэффициенты подъемной силы (C L) и лобового сопротивления (C D) для углов атаки показаны для одного и того же паруса. Пунктирная линия является касательной к точке наивысшего отношения подъемной силы к сопротивлению (C L / C D).
Соотношение сторон : Полярные графики C L по сравнению с C D для изогнутых пластин того же изгиба, но с разными пропорциями, как показано. Значения для углов атаки 15 ° и 30 ° показаны для каждой пластины. Из исследований в аэродинамической трубе Эйфеля.
Фоссати представляет полярные диаграммы, связывающие коэффициенты подъемной силы и сопротивления для разных углов атаки, на основе работы Гюстава Эйфеля, который впервые провел эксперименты с аэродинамической трубой с аэродинамическими профилями, которые он опубликовал в 1910 г. Среди них были исследования изогнутых пластин. Показанные результаты к пластинам с другим изгибом и внешним сторонним, как показано. Они показывают, что при уменьшении соотношения максимальная подъемная сила смещается еще больше в сторону увеличения лобового сопротивления (вправо на диаграмме). Они показывают, что при более низких углах низкого давления внешних источников.
Если коэффициенты подъемной силы и сопротивления (C L и C D) для паруса при заданном углу Используются используемые используемые подъемная сила (L) и сила лобового сопротивления (D) могут использоваться при следующих условиях, которые изменяются как квадратная скорость вымпельного ветра (V A):
Гаррет демонстрирует, как эти диаграммы преобразуются в подъемную силу и сопротивление для данного паруса в разных точкахса, на диаграммах, подобных этим:
Бейдевинг : боковая сила самая высокая, а движущая сила самая низкая близко по ветру.
Reach : Поднимите больше, выровненный с d Направление увеличивает силу и уменьшает поперечную силу.
На этих схемах направления движения изменяется в зависимости от вымпельного ветра (VA), которое является постоянным для целей иллюстрации. В действительности, при постоянном истинном ветре вымпельный ветер будет меняться в зависимости от положения паруса. Константа VAв этих примерах означает, что значение VTили VBзависит от точки паруса; это позволяет использовать ту же полярную диаграмму для сравнения с таким же преобразованием коэффициентов в единице силы (в данном случае ньютонов ). В примерах для буксировки и вылета (слева и справа) угол атаки паруса (α) по существу постоянен, хотя угол наклона стрелы лодки изменяется в зависимости от положения паруса, чтобы обрезать парус до максимальной подъемной силы на полярной кривой. В этих случаях подъемная сила и сопротивление одинаковы, но разложение общей аэродинамической силы (FT) на движущую силу вперед (FR) и поперечную силу (F LAT ) изменяются в зависимости от положения паруса. Движущая сила вперед (FR) движение увеличивается по мере того, как направление больше совпадает с ветром, поперечная сила (F LAT ) уменьшается.
Ссылаясь на приведенные выше диаграммы, направленный к подъемной силе и сопротивлению, Гарретт объясняет, что для достижения максимальной скорости с наветренной стороны стороны должен быть подрезан до угла поворота, превышающего максимальное отношение подъемной силы / лобового сопротивления (больше подъемной силы))), в то время как корпус эксплуатируется в режиме ниже, чем его максимальное значение подъемной силы / лобового сопротивления (большее сопротивление).
Когда парусные суда находятся курс, где угол атаки между парусом и вымпельным ветром (α) максимальная точка максимальной подъемной силы на полярной диаграмме C L–CD, происходит разделение поток. Разделение становится более заметным до тех пор, пока при α = 90 ° подъемная сила не становится небольшой и преобладает сопротивление. В дополнение к парусам, используемым против ветра, спинакеры устанавливаем площадь и кривизну, подходящие для плавания с разделенным потоком на подветренных точках паруса.
Широкий вылет : При вымпельном ветре за парусом (α = 45 °) парус остановился и подъемная сила уменьшилась.
Бег перед ветром : При вымпельном ветре за парусом (α = 90 °) преобладают силы сопротивления.
Опять же, на этих схемах направление движения изменяется в зависимости от вымпельного ветра (VA), который постоянен для иллюстрации, но в действительности будет меняться в зависимости от положения паруса для постоянного истинного ветра. На левой диаграмме (широкий вылет) выровнен против вылетающего ветра для создания оптимального угла атаки. Вместо этого застрял создаваемое сопротивление около 80% подъемной силы. Общая аэродинамическая сила (FT) отклонилась от больших значений подъемной силы. На правой диаграмме (бег против ветра) подъемная сила составляет одну пятую случаев против ветра (при той же силе встречного ветра), а сопротивление почти увеличилось в четыре раза.
Спинакер, установленный для широкого вылет, обеспечивающий подъемную силу с разделенным потоком, так и сопротивление.
Поперечное сечение спинакера, обрезанное для широкой досягаемости, демонстрирующее от пограничного слоя к отрывному переходному потоку, где начинается распространение вихрей.
Симметричный спинакер при движении по ветру, в основном создающий сопротивление.
Симметричное поперечное сечение спинакера со встречным ветром, показывающее отхождение вихрей.
Полярная диаграмма для определения скорости при различных скоростях ветра для гипотетического водоизмещающего парусника и плана паруса. A Программа прогнозирования скорости может преобразовать характеристики паруса и характеристики корпуса в полярную диаграмму, отображающую скорость лодки для различных скоростей ветра в каждой точке паруса. Водоизмещающие парусные лодки показывают изменение курса с наилучшей приведенной скоростью (VMG), в зависимости от скорости ветра. В приведенном примере демонстрирует наилучшее ВМГ по ветру при скорости ветра 10 узлов и менее при курсе около 150 ° от ветра. Для более высоких скоростей ветра оптимальная VMG по ветру при отклонении от ветра более 170 °. Этот «обрыв с подветренной стороны» (резкое изменение оптимального курса по ветру) является результатом изменения баланса сил лобового сопротивления корпуса со скоростью.
Парусные лодки часто стаксель, перекрывающий грот - называется генуя. Арвел Джентри использует в 1981 году, что генуя и грот взаимодействуют симбиотическим образом, благодаря замедлению циркуляции воздуха между ними в промежутке между двумя парусами (вопреки традиционным объяснениям), что предотвращает разделение потока вдоль грот. Наличие кливера заставляет линию торможения на гроте двигаться вперед, что снижает скорость всасывания на гроте и снижает вероятность отрыва пограничного слоя и сваливания. Это позволяет использовать более высокие углы атаки. Точно так же наличие грота приводит к смещению линии застоя на стакселе вперед и позволяет указывать ближе к ветру из-за более высоких подветренных скоростей воздуха над обоими парусами.
Паруса обычно имеют коэффициент подъемной силы (C L) и коэффициент лобового сопротивления (C D) для каждого кажущегося угла ветра. Форма в плане, кривизна и площадь данного паруса определяющими факторами каждого коэффициента.
Паруса классифицируются как «треугольные паруса», «четырехугольные продольные паруса» (багровые паруса и т. Д..), и "квадратные паруса". Вершина треугольного паруса, голова, поднимается фалом. Передний нижний угол паруса, галс, прикреплен к фиксированной точке на лодке в способе поворота вокруг точки - либо на мачте, например для грота, или на палубе, например для стакселя или стакселя. Задний нижний угол, шкворень, устанавливается с помощью выносного элемента на стреле или непосредственно с листом, без стрелы. Симметричные паруса имеют две шкотовки, которые можно отрегулировать вперед или назад.
Наветренный край паруса называется передней шкаториной, задней кромкой - выщелачиванием, а нижний край - опорой. На симметричном парусах любой вертикальный край может быть обращен к наветренной стороне и, следовательно, имеется два вымывания. На парусах, прикрепленных к мачте и гикам, эти края могут быть изогнутыми, когда они лежат на плоской поверхности, как горизонтальной, так и вертикальной кривизне в поперечном сечении паруса после прикрепления. Использование планки позволяет парусу иметь дугу материала на задней шкаторине за линией, проведенной от головы к шкотовой шкатуре, называемой плотвой.
Как и в случае с крыльями самолета, двумя доминирующими факторами, влияющими на эффективность паруса, являются его форма в плане - в основном ширина паруса по сравнению с высотой паруса, выраженная как соотношение сторон - и кривизна поперечного сечения или осадка.
В аэродинамике аспектным отношением паруса является отношением его длина к ширине (хорда ). Высокое соотношение сторон указывает на короткое и широкое парусное. Для размеров парусов длина хорды не постоянна, а изменяется вдоль крыла, поэтому удлинение AR определяется как квадрат высоты паруса b, деленный на площадь A паруса в плане :
Соотношение сторон и форма в плане могут быть для прогнозирования аэродинамических характеристик паруса.. Для расчета коэффициента индуцированного сопротивления паруса используется особое значение при определении сопротивления, вызываемого подъемной силой. 
где 
Горизонтальная кривизна паруса называется «осадкой» и соответствует изгибу профиля. Увеличение осадки обычно увеличивает подъемную силу паруса. Королевская яхтенная ассоциация классифицирует осадку по глубине и размещению максимальной глубины в процентах от расстояния от передней шкаторины до выщелачивания. Осадка паруса регулируется в зависимости от скорости ветра, чтобы получить более плоский парус (больший осадку) при более слабом ветре. Стаксель и паруса, прикрепленные к мачте (например, к гроту), имеют разные, но похожие средства управления для достижения и положения осадки. На стакселе затягивание передней передней шкаторины с помощью фала помогает сплющить парус и регулирует положение максимальной осадки. На гроте изгиб мачты в соответствии с изгибом передней шкаторины помогает сплющить парус. В зависимости от силы ветра Делленбо предлагает следующие рекомендации по настройке осадки парусной лодки:
Графики Ларссона и др. Показывают, что осадка является гораздо более значительным фактором, воздействующим на движущую силуса, чем положение максимальной осадки.
Глубина осадки.
Положение максимальной тяги от передней шкаторины.
Основным инструментом регулировки формы грота является изгиб мачты; прямая мачта осадку и подъемную силу; изогнутая мачта снижает осадку и подъемную силу - натяжитель ахтерштага является основным инструментом для изгиба мачты. Вторичными инструментами для формы паруса являются шкатулка, бегунок, оттяжка и каннингем.
Спинакеры традиционно оптимизировались для мобилизации сопротивления как более важного движущего компонента, чем подъемная сила. Повышенная скорость движения на заданной скорости (VMG) на заданном курсе движения при углах кажущегося ветра, которые увеличиваются в скорости. Это говорит о том, что использует этот VMG для данного курса может быть в режиме, когда спинакер может значительную подъемную силу. Традиционные водоизмещающие парусники иногда иметь другой курс VMG близко к подветренной части; для них преобладающая сила в парусах - это сопротивление. Согласно Кимбаллу, C D ≈ 4/3 для большинства парусов с кажущимся углом ветра за кормой, поэтому сила лобового сопротивления на подветренном парусе становится в степени функции площади и скорости ветра, соответственно следующим образом:
Дизайн парусов основан на эмпирических измерениях давления, которые подтверждают современные инструменты анализа, включая вычислительную гидродинамику.
Современная конструкция паруса и производство использует исследования в аэродинамической трубе, натурные эксперименты и компьютерные модели в качестве основы для эффективного использования на парусах.
Инструменты для измерения воздействия давления воздуха в исследованиях в аэродинамической трубе парусов включают трубки Пито, которые измеряют скорость воздуха, и манометры, измеряющие статическое давление и атмосферное давление (статическое давление в единицах измерения). возмущенный поток). Исследователи наносят на график давление поперек наветренной и подветренной сторон испытательныхсов вдоль хорды и вычисляют коэффициенты давления (разница статического давления над вызванным ветром динамическим давлением ).
Результаты исследований описывают поток вокруг паруса и в пограничный слой. Уилкинсон, моделируя пограничный слой в двух измерениях, описал девять областей вокруг паруса:
Конструкция паруса отличается от конструкции крыла во многих отношениях, особенно, что на Воздушный поток паруса меняется в зависи мости от ветра и движения лодки, а паруса обычно представляют собой деформируемые аэродинамические поверхности, иногда мачтой в качестве передней кромки. Часто предполагаемое предположение используется при выполнении проектных расчетов, в том числе: плоская поверхность движения - вода, лед или суша, постоянная скорость ветра и неизменная регулировка паруса.
Анализ сил на парусах учитывает аэродинамику поверхностная сила, ее центр усилий на парусе, ее направление и ее переменное распределение по парусу. В современных анализах используются расчеты гидромеханики и аэродинамики воздушного потока для проектирования и изготовления парусов с использованием моделей аэроупругости, объединяют вычислительную гидродинамику и структурный анализ. Вторичные эффекты, относящиеся к турбулентности и разделению пограничного слоя, являются вторичными факторами. Вычислительные ограничения сохраняются. Теоретические результаты требуют эмпирического подтверждения испытаний в аэродинамической трубе на масштабных моделях и натурных испытаний парусов. Программы прогнозирования скорости комбинируют элементы гидродинамических сил (в основном лобовое сопротивление) и аэродинамических сил (подъемная сила и сопротивление) для прогнозирования характеристик парусника при различных скоростях ветра для всех точек паруса.
Спорт портал 
Транспортный портал 
