С тех пор пропеллер стал наиболее широко используемым движителем. Пропеллер изготавливали из разных материалов, варьируя количество и угол наклона лопастей.
Как работает парус.
Прежде чем углубиться в работу паруса, следует отметить два кратких, но важных момента: 1. 2. Объясните специфическую морскую терминологию, связанную с курсами по отношению к ветру.
Ветер, действующий на движущееся судно и все, что на нем находится, отличается от ветра, действующего на неподвижный объект. Настоящий ветер как атмосферное явление, дующий относительно земли или воды, называется истинным ветром. В парусном спорте ветер относительно движущегося судна называется копеечным ветром и представляет собой сумму истинного ветра и встречного ветра, вызванного движением судна. Копеечный ветер всегда дует под большим углом к судну, чем истинный ветер. Скорость флагового ветра может быть выше (при встречном или попутном ветре) или ниже истинного ветра (при встречном ветре).
Направления относительно ветра.
Наветренный означает находящийся с той стороны, с которой дует ветер. Downwind означает со стороны, с которой дует ветер. Эти термины и их производные, такие как «подветренный» и «подветренный», широко используются, и не только в парусном спорте. Когда эти термины применяются к судну, также принято говорить о подветренной и наветренной стороне. Если ветер дует на правый борт судна, то это подветренный ветер; на левый борт — наветренный. Галс по левому и правому борту — это два термина, которые напрямую связаны с первым термином: Когда ветер дует с правого борта, говорят, что судно идет правым или левым галсом. В английской морской терминологии термины правый и левый борт отличаются от более распространенных терминов правый и левый борт. Правый борт и все, что с ним связано, называется правым и левым бортом.
Курсы по отношению к ветру изменяются в зависимости от угла между направлением ветра с лагом и курсом судна. Их можно разделить на острые и полные.
Бейдевинд — это крутой курс по отношению к ветру. Когда ветер дует под углом менее 80°. Может быть крутой уклон (до 50°) и полный уклон (от 50° до 80°). Маршруты с полным ветром — это маршруты, на которых ветер дует под углом 90° или более в направлении судна. К таким курсам относятся: Гулкий ветер — ветер дует между 80° и 100°. Попутный ветер — ветер дует между 100° и 150° (сильный попутный ветер) и между 150° и 170° (полный попутный ветер). Fwd — ветер дует более чем на 170° в обратную сторону. Левентический — Ветер дует строго противоположно или почти противоположно. Поскольку парусное судно не может идти против такого ветра, обычно говорят о положении относительно ветра, а не о курсе.
Маневры относительно ветра.
Когда парусное судно меняет курс так, что угол между ветром и направлением движения становится меньше, это называется гибером. Другими словами, плавание против ветра означает плавание под большим углом к ветру. В обратном случае, т.е. при изменении курса в сторону увеличения угла между лодкой и ветром, лодка тонет. Мы хотели бы уточнить, что термины «галс» и «срыв» используются, когда яхта меняет курс относительно ветра в пределах одного галса. Если яхта меняет направление, то (и только тогда!) этот маневр в парусном спорте называется срывом. Существует два различных способа изменения поворота, и, следовательно, два поворота: поворот и вращение. Когда вы плывете вверх по склону, вы поворачиваете против ветра. Лодка заходит, нос пересекает линию ветра, в один момент лодка проходит поворот, а затем выходит из другого поворота. Кормовой парус работает противоположным образом: Лодка уходит в сторону, корма пересекает линию ветра, паруса перекладываются на другую сторону, и лодка поворачивает на другую корму. Чаще всего это переход с одного полного курса на другой.
Одна из самых сложных задач для парусного мастера при работе с парусами — выровнять парус под оптимальным углом к ветру, чтобы он двигался вперед наилучшим образом. Для этого необходимо знать, как парус взаимодействует с ветром. Парус работает как крыло самолета и подчиняется законам аэродинамики. Для особо любознательных моряков можно прочитать больше об аэродинамике паруса как крыла в серии статей Теория паруса. Но лучше всего сделать это после прочтения данной статьи и постепенно пройти путь от простого к более сложному. Хотя, кому я это говорю? Настоящие моряки не боятся трудностей. А вы можете сделать как раз наоборот.
Основное различие между парусом и крылом самолета заключается в том, что для создания аэродинамической силы парусу требуется ненулевой угол атаки; этот угол называется углом атаки. Крыло самолета имеет асимметричный профиль и может нормально работать при нулевом угле атаки, в то время как парус не может. Когда ветер дует на парус, он создает аэродинамическую силу, которая в конечном итоге приводит планер в движение. Давайте рассмотрим, как парус работает по отношению к ветру при плавании на разных курсах. Сначала, для простоты, представим, что парус зарыт в землю с одним парусом, и мы можем направить ветер под разными углами к парусу.
Угол атаки равен 0°. Ветер дует в парус, парус развевается, как флаг. На парус не действует аэродинамическая сила, только сопротивление воздуха. Угол атаки 7°. Начинает действовать аэродинамическая сила. Она перпендикулярна парусу, но лишь немного больше. Угол атаки составляет около 20°. Аэродинамическая сила достигает своего максимального значения и направлена перпендикулярно парусу. Угол атаки 90°. По сравнению с предыдущим случаем аэродинамическая сила существенно не изменилась ни по величине, ни по направлению. Таким образом, видно, что аэродинамическая сила всегда перпендикулярна парусу и ее величина практически не меняется в диапазоне от 20 до 90°. Угол атаки более 90° не имеет смысла, так как паруса на яхте обычно не устанавливаются под таким углом к ветру.
Как работает парус?
Обычный парус работает… как парус. Он управляется ветром и толкает лодку под его давлением в том же направлении — против ветра. Направление (курс) можно немного изменить, слегка повернув парус относительно оси судна, но сила ветра будет перпендикулярна парусу.
Плавучесть паруса
В случае наклонного паруса он может быть преобразован в крыло. Подобно самолету или птице, за исключением того, что он не является жестким. Как наклонный парус работает против ветра?
Что такое лавирование?
Парус — это как крыло
Когда вы наполняете парус ветром и устанавливаете его под небольшим углом, на изогнутой поверхности возникает подъемная сила (L). Эта сила тянет корабль вертикально в область паруса, но корабль не может двигаться туда, его блокирует сам киль. Сопротивление в этом направлении слишком велико.
Лестница. Обратный ход.
Но вдоль киля (от кормы до носа) сопротивление воды гораздо меньше, и парусник будет двигаться именно там.
Вектор привода паруса (зеленая стрелка) делится на две составляющие: вектор сноса (синий) и вектор тяги (желтый). Форма корпуса и киля сопротивляются дрейфу гораздо больше, чем тяге, поэтому лодка скользит вдоль оранжевой стрелки под острым углом к ветру.
Первая часть пути, к первой точке, завершена. Теперь необходимо направить нос судна по ветру, поставить парус с другой стороны и изменить курс. Этот маневр называется оверстейджем. Затем парусник переходит в точку 2 и повторяет маневр, но в другом направлении.
И это подводит нас к пункту 3, который меняет курс.
Существует еще один маневр, изменяющий курс — поворот вперед. В данном случае это петли для парусников. Линия ветра пересекается не носом, а кормой.
Наклон. Пирог из биллета
Независимо от используемых маневров, основная идея одинакова: чтобы идти против ветра, парусник должен использовать парус как крыло и двигаться зигзагообразным курсом в нужном направлении.
Может ли парусник плыть против ветра? Нет, парусник, каким бы совершенным он ни был, не плывет прямо против ветра.
Положение судна относительно ветра при попутном ветре называется левантеком, а при встречном — гидевиндом.
Все (или почти все) термины имеют голландское происхождение:
- Фордевинд — voor de wind — «по ветру». Означает попутный ветер, строго в корму
- Бакштаг — bakstaag — Ветер дует под углом к корме
- Халфвинд — halve wind — «половина ветра» Ветер в борт корабля, под углом около 90 градусов
- Бедевинд — bij de wind — «на ветер». Означает курс под углом к ветру относительно носа
- Левентик — le vent — «ветер». Означает встречный ветер. Этот термин, на удивление, французский.
Современные парусники
Время парусников, похоже, давно прошло. Они строятся и сегодня, и это не просто спортивные лодки. Вот несколько примеров:
Инновационные парусные яхты серий Maltese Falcon и Black Pearl. Вращающиеся мачты позволяют управлять прямыми парусами так же свободно, как если бы они были установлены под углом.
Инновационный «Мальтийский сокол
Огромная пятимачтовая шхуна Club Med 2, используемая в качестве круизного судна.
Парусное судно для круизов
Даже танкеры и контейнеровозы используют паруса и энергию ветра. Хотя это, конечно, «испытательные суда», а не современные технические решения, каждый из упомянутых кораблей оснащен современными двигателями внутреннего сгорания, и с их помощью парусник может идти против ветра.
И все же и парус, и умение плыть против ветра актуальны и сегодня.
РЕАКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
ЛОПАСТНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
Колесный движитель
В первых пароходах судостроители использовали гребное колесо в качестве главной движущей силы. Но это была, пожалуй, самая неудачная из всех силовых установок. Из-за многочисленных недостатков гребного винта — частые поломки и низкая производительность, так как он «выбрасывался» из воды при тангаже — гребное колесо показало себя плохо и заняло последнее место среди других видов движителей.
Королева на речном судне с пропеллером на Миссисипи.
Винтовой движитель
Типичный пропеллер состоит из ступицы с установленными на ней лопастями. Его работа основана на гидродинамической силе, создаваемой перепадом давления на сторонах лопастей. Каждое концентрическое сечение лопастей представляет собой элемент планера самолета. Поэтому при вращении пропеллера на каждый элемент действуют те же силы, что и на крыло. Поток вокруг выпуклой стороны крыла (сторона всасывания) слегка сжимается и тем самым ускоряется в своем движении. Поток на пологой стороне крыла (со стороны нисходящего потока) замедляется при столкновении с препятствием. Закон Бернулли гласит, что на всасывающей стороне лопасти давление уменьшается и создается зона разбавления. Однако на нагнетательной стороне лопасти создается зона повышенного давления. Эта разница давлений приводит к возникновению гидродинамической силы со стороны лопастей. На основании многолетних исследований было установлено, что 70 процентов основной гидродинамической силы создается давлением на всасывающей стороне лопастей гребного винта и только 30 процентов — давлением на нагнетательной стороне лопастей. Проекция гидродинамической силы на вал гребного винта представляет собой тягу гребного винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые передают ее на судно через ступицу и гребной вал.
Принцип работы гребного винта
Поскольку лопасти имеют поверхность, напоминающую пропеллер, вода не только выбрасывается, но и закручивается лопастями пропеллера. Однако работа гребного винта заключается только в том, чтобы отбрасывать воду назад, а не вращать ее, что создает реактивный момент — силу тяги. Большая часть мощности, подводимой к двигателю, расходуется на турбулентность потока и сопротивление вращению гребного винта в воде. Поэтому КПД винта, который представляет собой отношение мощности, затраченной на создание тяги винта (активная мощность), к общей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше 1.
Пропеллер всегда устанавливается на двигатель, иначе происходит ненужная потеря мощности. Кроме того, существуют нереверсивные двигатели, которые не могут изменять направление вращения вала. Для таких случаев существует регулируемый пропеллер. В ступице находится механизм, который поворачивает лопасти на определенный угол и удерживает их в этом положении. Вращение лопастей позволяет адаптировать тягу к постоянной скорости вращения гребного вала и наоборот, поддерживать тягу постоянной при различных скоростях вращения вала и вообще адаптировать направление тяги (реверс) к неизменному направлению вращения гребного вала.
Немного об изготовлении гребных винтов
Самые большие пропеллеры достигают высоты трехэтажного дома, и их строительство требует уникальных навыков. Во времена SS Great Britain изготовление форм для гребных винтов занимало до 10 дней. Сегодня, благодаря компьютерным технологиям, автоматический оператор может сделать это за несколько часов. Форма пропеллера вводится в компьютер, и алмазное сверло на конце руки создает идеальную копию лопасти пропеллера из огромного количества пены с точностью до 1 мм. Затем на готовую модель наносится смесь песка и цемента для создания точного отпечатка. После того как бетон остынет, две половинки соединяются в форме, и в них заливается металл, расплавленный при температуре 3 000 градусов.
Пропеллер не должен быть сделан из чего-либо. Пропеллер должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать давление в тысячи тонн и не ржаветь в соленой воде. Наиболее распространенными материалами для гребных винтов являются сталь, латунь и бронза. В последние годы для этой же цели используются пластмассы.
Сплав цветных металлов для гребных винтов называется «куниаль». Он обладает прочностью стали, но гораздо более устойчив к коррозии. Куниаль может находиться в воде в течение десятилетий, не ржавея. Чтобы сделать сплав чрезвычайно точным, к 80 % меди добавляют 5 % никеля, 5 % алюминия и 10 % других металлов. Плавление происходит при температуре 3 200 градусов Цельсия.
После прохождения контроля качества расплавленные металлы заливаются в форму. Чтобы предотвратить попадание воздуха в конструкцию, металл заливается сплошным потоком. Форма остывает через два дня. Затем лопасти освобождаются из формы.
Изготовление пропеллера с помощью 3D-принтера
Производительность пропеллера зависит от гладкой и слоистой формы лопастей. Поверхность отливки не идеальна и покрыта литейной коркой. Для определения толщины слоя используется лазерный измеритель. Затем лишний слой удаляется твердосплавной фрезой. Затем пропеллер полируется до идеально гладкой поверхности, пока его толщина не достигнет 1,6 микрометра. В результате получается гладкая, как стекло, поверхность.
Гребной винт — это особый продукт, который должен иметь оптимальную форму для каждого современного судна, чтобы скользить и поглощать необходимое количество энергии с учетом условий эксплуатации.
Эффект кавитации
Основной проблемой всех гребных винтов является кавитация. Причина этого заключается в том, что когда лопасти вращаются под водой, они создают область отрицательного давления, в которой вода буквально начинает кипеть даже при низких температурах. Поэтому пропеллеры испытываются на специальных испытательных стендах, где оптимизируются параметры пропеллера и проверяется правильность угла наклона лопастей.
Влияние кавитации на гребной винт
К сожалению, гребные винты невероятной красоты обречены на тяжелую работу, скрытую от людских глаз под морскими волнами. Таким образом, из всех имеющихся типов движителей пропеллер является доминирующим, и нет причин полагать, что в ближайшие годы появится лучший. Тем временем конструкторы по всему миру проводят бесконечные испытания, чтобы найти наиболее эффективную силовую установку для кораблей.
