Общие соотношения для парусников
(Aleon 1999г, посл. редакция апрель 2008)
1.. Нижеприведенные закономерности (1)-(2) из п.3. были известны с прошлого века и являются общими для всех парусников.
Так же они справедливы и для виндсерфинга. Когда вы движетесь, все сбалансировано. При равномерном движении с заданным курсом уравновешены все силы и моменты сил. Боковая часть силы на парусе компенсируется тем, что плавник и доска дрейфуют под некоторым углом - на них возникает сила в противоположном направлении сноса. Компонента силы паруса вперед по направлению движения разгоняет доску до тер пока эта составляющая не сравняется с сопротивлением системы. К природному( истинному) ветру прибавляется встречный “ветер” от вашего движения . Из –за этого вымпельный поток( реально ощущаемый на доске во время движения) будет другого значения и направления ,повернут острее.
Также
 
если обозначить
Vv, a - скорость природного( истинного) ветра и угол ветра(курс) в покоящейся системе,
Vd- скорость движения системы(доски)
Vi, b - скорость и направление вымпельного ветра,
то по сложению векторов
 (1)
2. Из равенства Cил в горизонтальной плоскости получают некоторые взаимосвязи
При рассмотрении сил действующих на систему удобно использовать обозначения:
Fxn - сила сопротивления движению в воде подводной части (корпуса, шверта, плавника) - направлена против движения
Fyn - сила противодействующая дрейфу подводной части
- в основном это шверт( плавник), частично сам корпус - направлена перпендикулярно движению,
а также их соотношение и обратное значение , для niza
  Аналогично для надводной части
Fyv - сила на парусном вооружении перпендикулярная направлению вымпельного ветра Fxv -сила сопротивления движению надводной части (паруса, человека,доски ,гика)- действует в направлении вымпельного ветра. И их соотношение и обратная величина, для vерха   Kv означает во сколько раз аэродинамическая сила верхушки, перпендикулярная вымпельному ветру ( собственно, только от паруса она возникает) больше аэродин. сопротивления всей верхушки( парус, человек, доска) действующего вдоль направления вымпельного потока
Kn же обозначает то, как эффективно может оказывать боковое сопротивление находящаяся в воде часть сносу, Т.е.какую часть этой боковой силы, которую нужно уравновешивать , при этом будет составлять сопротивление низа...
3. Тогда при прямолинейном установившемся движении получаются очень простые соотношения
из сложения векторов
(1)
из равенства сил
 (2)
Соотношения (1) ,(2) являются самими общими . Конечно , сами величины KV, KN ( и соответственно обратные величины Ev, En) в большой степени зависят от скорости движения, скорости ветра и курса(угла a) , т.е могут сильно изменяться и для получения более точного решения требуется тщательное рассмотрения характеристик аэродинамики верха и скольжения низа . . Кроме того, равенство Моментов сил, обеспечение УСТОЙЧИВОСТИ накладывает дополнительные соотношения и ограничения на систему. Обычно строят экспериментальные полярные диаграммы Vd/Vv от курса a при разных скоростях ветра
Но основные выводы которые можно сделать не прибегая к сложным моделям :чем выше могут достигаться величины Kv и Kn ( соответсвенно ниже Ev и En ),тем система может двигаться быстрее и острее.. В общем то это и понятно -чем выше Kv и Kn тем меньшим сопротивлением верха и низа обладает система по отношению к их полезным свойствам.
4. Также с помощью такого подхода для очень скоростных систем (при больших Kv и Kn, слабо меняющихся от курса и скорости )
можно в первом приближении получить некоторые выводы :
максимальные скорости достигаются приблизительно при курсах
amax =b+90 , в радианах это amax=PI/2 +En+Ev
т.е курсы для максимальной скорости для объектов с большимии Kv, Kn полнее галфвинда .
А отношение максимальной скорости к скорости ветра в этом случае в первом приближении приобретает простой вид
 , напомним En и Ev это обратные величины к kv и kn ,
угол предельно острого курса возможного движения aмин= β= En+Ev,
В-общем ,для скоростных парусников : чем более эффективно работает верх и низ ( чем больше значения Kv и Kn ) тем и выше скорости можно достичь по отношению к скорости ветра и тем острее можно двигаться и еще один вывод: тем больше курс для получения максимальной скорости приближается к галфвинду , но полнее галфвинда. Видно также что характеристики верхней и нижней части абсолютно симметрично ( одинаково) определяют максимальную скорость . Не имеет большого смысла все средства бросать на улучшения аэродинамичности верхушки, если низ совсем не эффективен ( плохо скользит )при удержании дрейфа и наоборот
Также не следует забывать что еще есть соотношения равенства Моментов сил и равенство сил в вертикальных плоскостях , И к тому же отдельно проблемы устойчивости, которые здесь вообще не рассматриваются .Например увеличивать Kv ( эффективность верха)за счет удлинения паруса-крыла сложно, нужно еще учитывать что при этом увеличивается кренящий момент от верхушки, который необходимо как-то компенсировать.
При порывистости ветра и чопе на воде КОНТРОЛЬ на большой скорости выходит на первый план, а меры по повышению устойчивости как правило приводят к ухудшением эффективности Kv, Kn ! Для доски - меньшая ширина , большее V в днище, больший задний рокер, для паруса - хорошо открываемая верхушка, S-образный профиль, для плавника - бо'льшие стреловидности , скручиваемость Twist .
5. Величины kv и kn для "верхней" и "нижней" части и их обратные величины вводятся не случайно - они аналогичны понятиям качества крыла в аэро-гидродинамике и часто их можно выразить через соответствующие качества компонент верхушки , низа
KV- это по сути аэродинамическое качество всей верхушки( парус+ человек+ надводная часть доски)) в вертикальной плоскости . KN - аналогично гидродинамическое качество оказания противодействия дрейфу всех движущихся в воде компонет( доска + плавник) . Качество –довольно важное понятие для крыла. Это -отношение подъемной силы (в поперечном направлении к набегающему потоку (движению)) к силе сопротивления .Оно определяет эффективность работы крыла. Например , крыло самолета или дельтаплана с большим качеством при той же подъемной силе и скорости имеет меньшее сопротивление а значит и требует меньшей тяги для удерживания в воздухе определенного веса. Или, другими словами при той же тяге сможет двигаться быстрее !
Плавник с большим качеством оказывает более эффективное сопротивление дрейфу (движение в бок) при меньшем сопротивлении в направлении движения.
Именно использование крыльев дает возможность большом ряду парусных снарядов двигаться по многим направлениям ,например перпендикулярным и более острым к ветру и со скоростью даже большей скорости ветра.
Для аэродинамичных парусников на льду и на колесах на земле см ниже. удается достичь соотношения к скорости ветра 3-5!
Но для виндсерфинга ,как ни смешно это звучит , спортсмен - виндсерфингист на большой скорости довольно сильно тормозит всю систему из-за своей плохой аэродинамики.
Так как максимальная нагрузка на парусе которую можно удержать на виндсерфинге ,связана с весом и стойкой человека , а сила сопротивления человека( из-за плохого обтекания) быстро растет от скорости вымпельного ветра , то каким бы высоким аэродинамичным качеством не обладал парус , не удается получить высокие качества всей верхушки Kv. Тело человека вносит весомый вклад в сопротивление всей верхушки. Суммарное качество верхушки(Kv) быстро падает при росте скорости движения несмотря на аэродинамичный парус. Также быстрое образование чопа от сильного ветра увеличивает сопротивление досок и в совокупности с порывистостью ветра выдвигает на передний план проблемы контроля
Для современных парусных досок типа формулы, рассчитанных на лавировку и небольшие скорости ( относительно рекордных) удается достичь при умеренных ветрах(4-8м.с) отношения скорости доски к скорости ветра больше 2-2.3 ( соответственно при курсах 110 -115град).На более сильных ветрах и скоростях, при которых вклад сопротивления человека возрастает, обычные курсы скоростных заездов -125-140 град , бакштаг. Отношение макс скорость/ скорость ветра падает до 1.7-1.5 и ниже . Для повышения максимальной полезной нагрузки на парус по отношению к весу человека и по отношению к сопротивлению его тела спидовики виндсерферы практически всегда используют грудные жилеты-утяжелители( 5-15кг) . Утяжелитель смещает центр тяжести вверх и увеличивает рычаг откренивания телом паруса , причем этот полезный эффект от утяжелителя оказывается выше чем вредный -небольшое ухудшение обтекания тела ( рост площади сечения), то есть в итоге за счет грудного утяжелителя качество верхушки можно чуть повысить .
Главное не прикреплять утяжелители на ступни ног :)(ниже центра тяжести спортсмена), эффект будет противоположный
Finian Miniard в заезде на канале в 2006 году
Если пилот спрятан в аэродинамичный корпус , то максимальное аэродинамическое качество "верха" существенно увеличивается , кроме того для колесных и коньковых аппаратов можно получать очень низкое сопротивление "Низа"( высокое Kn) для обеспечения противодействия сносу вбок от паруса.
На земле и на льду трехточечные аппараты парусники показывают хорошие отношения скорости к скорости ветра - до 4-5
а) на земле класс Nalsa снаряды и подобные www.nalsa.org : для высохших озер и береговых линий
,типичная скорость в 3-5 раз выше скорости ветра
рекорд на таких аппаратах около 130 км .час при ветре 8-12 м.сек( 25-44км.час)
рекордсмен с тягой от ветра на колесах по земле - 187 км.час , , http://www.windjet.co.uk
хотя это и не чистый "парусник" а специально созданный аппарат 'Iron Duck'
с жестким крылом большого удлинения и очень аэродинамичным обтеканием корпуса ,
рекорд поставлен 20 марта 1999г.
б) на льду ,буера класс DN типичная скорость в 2-4 раза выше скорости ветра, скорость до 100 км.
час
рекордсмены на льду skeeters зафиксированный рекорд около 130км.час , неофициальный 160 км.час
в) На воде - низ не такой быстрый,
самые Тримаран Macquarie Innovation( http://www.macquarie.com.au/speedsailing/updates.htm) с жеcтким крылом обладающий хорошей аэродинамикой сумел достичь 47 узлов( 87 км.час) при ветре всего около
15-18 узлов ( 7-9 м.сек или до 33.5 км.час), эксплутация скоростного тримарана была рассчитана на супер гладкую воду и ветер до 10-11 м.сек, отношение скорости к скорости ветра чуть меньше 3, но в одной из попыток в 2004 году предыдущая модель при более сильном ветре 10-12 м.сек развалилась на мелкие кусочки, пилот не справился с управлением , обошлось без жертв http://www.voilesnews.fr/fr/info_10_35.html
 
Aleon 1999г.( последняя редакция апрель 2008 год) ССЫЛКИ:
СКОРОСТНЫЕ ПАРУСНЫЕ СНАРЯДЫ:
Nalsa -парус на колесах
(рекорд 175 км.час-50 м/сек при ветре 15-20 м/сек )
DN Ice Yacht(самый крупные парусники на льду
- типичная характеристика -в 2-4 раза быстрее скорости ветра)
Skate Sailing ( человек внутри паруса) |