Яхта на реке

ЗАДАЧА

Рисунок - макет парусной яхты

Можно ли на парусной яхте в безветренную погоду перебраться на другой берег реки, если нет ни весла, ни двигателя? Течение в реке довольно сильное, скорость течения - Vтеч.

Тривиальный ответ: нельзя, яхту будет просто сносить течением вниз по реке со скоростью Vтеч. Однако ответ этот неверный – яхта может двигаться под углом к течению.

Рассмотрим, как это получается. Возьмём для простоты простейший случай: яхту с одним треугольным парусом.

На рисунке показано сечение паруса. Предположим также, что справа дует ровный ветер. Если парус не зафиксирован, то его полощет, так же, как свободно развивающийся флаг.

Рисунок - Незафиксированный парус полощет, как развивающийся флаг

Зафиксируем парус под некоторым углом к ветру (углом атаки паруса – угол между направлением ветра и хордой, стягивающей концы сечения паруса). Он примет вполне определённую форму. Конечно, в сечениях на разной высоте формы паруса будут разными, но сути дела это не меняет.

Рисунок - Угол атаки паруса

Воздушный поток над парусом (отмечен красным – подветренный, как говорят яхтсмены) проходит за одно и то же время более длинный путь по кривой, чем под парусом (наветренный поток).

Рисунок - Появление подъёмной силы

Следовательно, скорость подветренного потока выше скорости наветренного потока. Из закона Бернулли следует, что при возрастании скорости потока давление в нём падает: давление над парусом ниже давления под парусом, в результате чего возникает так называемая подъёмная сила F (так же, как и у крыла самолёта), движущая яхту вперёд.

Википедия

«Подъёмная сила» — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. В соответствии с законом Бернулли, статическое давление среды в тех областях, где скорость потока более высока, будет ниже, и наоборот.

Википедия

В зависимости от угла атаки изменяется величина и направление подъёмной силы. Этот угол задаёт рулевой (и команда яхты), управляя парусами и добиваясь максимальной движущей силы на требуемом курсе при данном ветре (учтём, что ветер, как правило, дует неравномерно – и по силе и по направлению). Современные парусные яхты могут развивать скорость движения относительно воды, равную скорости ветра на курсах к ветру от 30о (крутой бейдевинд) до 150о (полный бакштаг).

Рисунок - Курсы направлений к ветру

Итак, пусть наша яхта оказалась в реке с сильным течением. Её, естественно, сносит вниз по течению со скоростью Vтеч. Хотя ветра нет (говорят: скорость истинного ветра Vв = 0), рулевой ощущает действующий ветер Vдв (вымпельный ветер - встречный поток, возникающий из-за движения яхты, действующий ветер - возникает при сносе яхты течением).

Рисунок - Появление действующего ветра

Вот используя этот действующий ветер, и можно перебраться на другой берег.

Применяя преобразование Галилея и правило сложения векторов найдём скорость движения яхты относительно берега:

Vабс = Vотн + Vтеч

Vотн – скорость движения относительно воды (в подвижной системе координат), направление вектора – выбранный курс (от бейдевинда до бакштага);

Vабс – движение относительно берега (неподвижной системы координат), скорость с учётом течения.

Рисунок - Сложение векторов - по правила параллелограмма

Из рисунка видно, что меняя в определённых пределах направление относительной скорости (то есть управляя яхтой), можно менять абсолютную скорость яхты. Максимальная скорость пересечения реки достигается при перпендикулярном движении к течению (и следовательно, к действующему ветру), то есть при курсе галфвинд. Пунктиром указан путь, который пройдет яхта.

4 апреля 2011 года


Наверх

Используются технологии uCoz