Как это работает

Однажды, сидя у костра, два моих знакомых ученых - физика заспорили об утверждении одного из них, что буер (это такая доска с парусом на коньках) способен двигаться со скоростью до 100км/час, что значительно быстрее ветра, который дует в тот момент. Чтобы подтвердить или опровергнуть это утверждение, они пару часов выводили разные формулы, выпили пол-литра и пришли к выводу, что это невозможно. А я сделал вывод, что мало кто толком понимает, как работают паруса, поскольку это не просто невозможно, а вполне реальный факт, и я вам сейчас открою секрет, которого не знают даже кандидаты наук.

Сначала представим, что мы на свою лодку поставили мачту, сверху прикрепили горизонтальную палку – рею, на нее привяжем квадратное полотнище, за нижние углы полотнища привяжем веревочки и закрепим их на палубе, тогда получим самое древнее парусное вооружение, типа всем известного золоторунного «Арго». Направим лодку так, чтобы ветер дул в корму, парус поставим перпендикулярно ветру и линии движения. Тогда ветер будет давить на парус с силой СВ (сила ветра), лодка, особенно ее подводная часть, будет сопротивляться движению с силой ЛС (лобовое сопротивление), а сила тяги Т при этом, безусловно, будет равна СВ - ЛС. (рис. 1а). Стоит ли разъяснять, что лодка с таким парусом действительно никогда не сможет плыть быстрее ветра.

Паруса. Рисунок 1

Тут вдруг мы увидели слева по-борту удобную бухту с пивной у причала и повернули влево на 45 градусов. Что произойдет? Надо вспомнить про вектора – кто не помнит – это такие отрезки со стрелками на схематическом чертеже, длина отрезка выражает величину силы, стрелочка – направление действия этой силы, а выходит этот отрезок из усредненной точки приложения этой силы (из центра тяжести или из центра парусности). Если парус оставить по-прежнему перпендикулярно ветру (так эффективнее – будет больше ветра ловить), то сила СВ будет прежней (рис.1б) .

Предположим, что сила ветра, действующая на парус нашей площадью равна 10 кг., тогда наш вектор будет направлен перпендикулярно парусу (вправо на 45градусов от линии движения) и длина вектора тогда будет 10 мм.  И тащить нас будет туда-же, а не в бухту. Но нам-то нужно в бухту, что делать?

Попробуем разложить наш 10мм-вый вектор на два – один направлен в сторону бухты, другой перпендикулярно ему вправо. Геометрическим способом (можно на листочке в клеточку) определяем, что вектор в бухту будет 7,5мм.. значит сила прямо (СП) равна 7,5 кг. и вектор вправо тоже 7,5мм., а сила вбок (СБ) тоже 7,5кг. Вектор СВ исчезнет – мы его заменили на два других. Чтобы идти в бухту, надо вектор СБ «убить». Это просто – засунуть в воду киль, тогда сила бокового сопротивления (БС) скомпенсирует силу вбок, и останется одна – сила прямо. Если из нее вычесть силу лобового сопротивления ЛС то останется сила тяги Т. (Очевидно, что в этом случае она будет еще меньше, чем в первом случае, поскольку там мы вычитали ЛС из 10кг, а тут из 7,5кг.)

А если мы увидели, что поворота на 45 градусов для попадания в бухту мало, начинаем доворачивать еще левее. Чем больше мы доворачиваем, тем длиннее будет становиться вектор СБ и короче СП, а когда угол поворота достигнет 90 градусов, СБ станет 10мм, а СП – 0мм. И лодка остановиться. Если будем поворачивать дальше, то вектор СП поменяет направление назад. Выводы: Прямое парусное вооружение годится только для ветров попутных направлений. Сила, которая движет судно в выбранном направлении, всегда будет меньше давления ветра на такой парус, а значит и скорость судна будет всегда меньше скорости ветра.

Однажды какой-то древний безумный изобретатель, имя которого история не сохранила, взял и привязал один край полотнища не к горизонтальной рее, а прямо к вертикальной мачте (наверное, рея потерялась). Тогда веревочку наверху оказалось невозможно достать, он взял и отрезал кусок полотнища по диагонали, чтобы можно было прикрепить его к палубе одной веревочкой и парус превратился из квадратного в треугольный (косой). Потом, нечаянно, заметил, что если повернуть парус не традиционно перпендикулярно к ветру, а ребром (мачтой) к ветру (а, вернее, наоборот – шкотовый угол отвести вправо, если ветер дует слева), то получается гораздо эффективнее. Тогда, очевидно, все это получилось случайно, но теперь мы стали умнее, поэтому сможем это объяснить и в этом, как раз и состоит вышеупомянутый великий секрет:

Если ветер дует не в полотнище, а в ребро паруса с определенным, небольшим углом (углом атаки), и если парус пошит соответствующим образом, то на парусе образуется «пузо» и профиль паруса станет похож на профиль самолетного крыла. При обтекании воздухом самолетного крыла, в результате возникновения давления снизу и разрежения сверху возникает подъемная сила. Все тоже происходит при обтекании ветром паруса вдоль полотнища, только подъемная сила направлена не вверх-вертикально, а вперед-горизонтально и больше реальной силы ветра в шесть! раз. Дальше по аналогии (рис.2) раскладываем силы на вектора, только вектор СВ будет уже не 10мм., а 60мм. И это в корне меняет картину. Становится понятно, что если убрать силу лобового сопротивления (как у буера), то скорость судна может быть в шесть раз быстрее ветра, если ветер дует сбоку.

Паруса. Рисунок 2

На деле, конечно, такого усиления не происходит, потому, что на этот процесс влияет еще куча разных тормозящих явлений, но это уже целая наука, кому интересно, изучайте соответствующую литературу.

Сами треугольные паруса имеют тоже немало разновидностей. Связано это, как все в жизни, с законом – чем лучше одни качества, тем хуже другие. Точнее, чем парус и весь такелаж легче в изготовлении и проще в эксплуатации, тем он менее эффективен, и наоборот.

Во многом из-за этого, на небольших парусных судах применяют одновременно два основных треугольных паруса: грот - который крепиться своим передним краем (передней шкаториной) к мачте, а нижней шкаториной к гику; стаксель – который крепиться передней шкаториной к переднему тросу – растяжке мачты (штагу), гика не имеет, а натягивается веревкой от заднего угла (шкотом) к корпусу лодки. В чем разница?

Грот жестко растянут между мачтой и гиком, поэтому сохраняет свою форму даже при сильных ветрах. Но ветер, попадая на парус, огибает сначала мачту, где возникают тормозящие завихрения, к тому же не всегда может быть отпущен во флюгерное положение, поскольку ляжет гиком на ванты. Это может привести к неконтролируемому движению в узостях или у причала и является основной причиной переворота или поломки такелажа. Стаксель, не имея гика, наоборот, может быть всегда отпущен во флюгерное положение и даже использоваться для заднего хода, но подходящее растянутое положение ограничивается шириной корпуса. Не имея мачты на переднем ребре, гораздо более эффективен, но до некоторого предела – пока усилия не растянут трос-ванту в передней шкаторине или не согнут мачту – тогда «пузо» изменится и парус превратиться из движителя в тормоз. Вот и получается, что применяя два паруса, мы в зависимости от ветровых условий можем идти или на одном из них или на обоих сразу.

В заключение хочу посвятить несколько строк тем, кто хотел бы ходить под парусом, но кого останавливает неуверенность в том, что он сможет управлять парусным судном. Я сам через это прошел, заявляю, что бояться нечего. Если вы начнете где-то обучаться, или попробуете изучать яхтенное дело по литературе, то первое впечатление будет, что это целая наука, которую непросто освоить. Действительно, на первый взгляд это так, но это для тех, кто хочет выигрывать соревнования, ставить рекорды или путешествовать на крейсерской яхте по Средиземному морю. Вам, которым хочется походить под парусом на своем туристском, разборном судне по Днепру или какой-нибудь другой не очень экстремальной акватории, для начала достаточно нескольких простых правил, а дальше руководствуйтесь своим опытом, который наберется уже в первый день плавания.

Правило первое: парус всегда должен быть наполнен и не должен «полоскаться». Полоскающийся парус тормозит.

Правило второе: пузо паруса всегда должно торчать хоть немного, но вперед, чтобы равнодействующая всех сил была направлена в сторону движения.

Правило третье: чем меньше угол к ветру, тем больше подъемная сила, а силы, бесполезно перегружающие конструкцию  меньше.

Правило четвертое: прежде, чем поднимать паруса, не забудьте опустить шверт и руль (если они подъемные).

Правило пятое: Никогда не забывайте о мерах безопасности (спасжилет в первую очередь). Помните – тонут чаще те, кто хорошо умеет плавать.

Теперь предлагаю алгоритм действий тем, кто первый раз вышел на воду с парусом, не имея никакого практического и теоретического опыта:

Убедитесь, что ветер не очень сильный (по крайней мере, для первого раза пусть на волнах не будет барашков), наденьте спасжилеты, определите направление движения для первого раза лучше примерно под 90 градусов к ветру (вопреки пословицам, с боковым ветром ходить легче, чем с попутным). Отгребите на веслах подальше от берега, хотя-бы метров на 50-100.

Опустите шверт (подветренный шверц) и руль. Выставьте судно носом к ветру и поднимите грот (при подъеме на ветру, грот будет затирать по мачте, бывает так сильно, что поднять невозможно). Грота-шкот при этом пусть висит свободно. Теперь веслом разверните судно в сторону выбранного направления движения. Грот при этом развернется по ветру, как флюгер (Опытные яхтсмены отходят от причала и разворачиваются с помощью стакселя). Возьмите в правую руку румпель руля, а в левую конец грота-шкота. Потяните за этот конец, лучше предварительно перехлестнув его через какую- нибудь подходящую часть судна, если специальные устройства не предусмотрены, пока парус не надуется. Тут вы почувствуете усилия на шкоте и на румпеле, судно приобретет ход. Скорректируйте рулем выбранный курс, лучше взяв в «прицел» какой – нибудь железяки на носу подходящий ориентир. Подтягивая и отпуская шкот, расположите грот так, как, по вашему мнению, быстрее идет судно. Закрепите шкот на ту же часть конструкции легкосбрасывающимся узлом (шкотовым или просто на бантик).

Двигайтесь прямо, пока не осмелеете. Потом попробуйте несильно поворачивать рулем влево-вправо. Видите – судно маневрирует, даже если парус закреплен в одном положении? Теперь отпустите узел шкота, возьмите шкот в руку и попробуйте поворачивать рулем более круто, отпуская или подтягивая шкот для корректировки положения паруса. Теперь снова закрепите грота-шкот и поднимите стаксель. Это можно делать и на ветру, поскольку стаксель ползет не по мачте, а по штагу и не затирает. Правда, если у вас нет устройств, позволяющих сделать это не вставая с места, придется попросить матроса. Когда стаксель поднят, так-же потяните стаксель-шкот, пока парус не надуется и не установиться в устойчивом положении – примерно параллельно гроту, и тогда стаксель можно тоже закрепить.

Чтобы затормозить, надо обезветрить паруса. Со стакселем это просто – отпустить шкот, он и заполощет. С гротом сложнее – он может лечь гиком на ванту и не обезветрится. Поэтому, отпустив узел, возьмите грота-шкот в руку и постепенно отпускайте. Если видите, что гик ложиться на ванту – подверните носом против ветра.

В результате этих нехитрых действий, вы научитесь трогаться с места, поворачивать и тормозить. Дальше, как и в любом транспортном средстве – дело техники.