Prima di procedere a considerare il funzionamento della vela, è necessario soffermarsi su due brevi ma importanti punti:
1. Determina che tipo di vento colpisce le vele.
2. Raccontare la terminologia marina specifica associata ai corsi relativi al vento.
Venti veri e di gagliardetto nella nautica da diporto.
Il vento che agisce su una nave in movimento e tutto su di essa è diverso da quello che agisce su qualsiasi oggetto fermo.
In realtà il vento come fenomeno atmosferico che soffia rispetto alla terra o all'acqua, lo chiamiamo vento vero.
Nello yachting, il vento relativo a uno yacht in movimento è chiamato vento di bandiera ed è la somma del vento reale e del flusso d'aria in arrivo causato dal movimento della nave.
Il vento apparente soffia sempre con un angolo più acuto rispetto alla barca rispetto al vento vero.
La velocità del vento apparente può essere maggiore (se il vento vero è contrario o laterale) o minore del vento reale (se proviene dalle giuste direzioni).
Direzioni relative al vento.
nel vento significa dalla direzione in cui soffia il vento.
sotto il vento dalla parte che tira il vento.
Questi termini, così come i loro derivati, come "sopravvento", "sottovento", sono usati molto ampiamente, e non solo nella nautica da diporto.
Quando questi termini sono applicati a una nave, è anche consuetudine parlare di lati sopravvento e sottovento.
Se il vento soffia dal lato di dritta dello yacht, viene chiamato questo lato sopravvento, lato sinistro - sottovento rispettivamente.
Vire a sinistra e mure a destra sono due termini direttamente correlati ai precedenti: se il vento soffia a dritta della nave, allora dicono che è mure a destra, se a sinistra, quindi a sinistra.
Nella terminologia marittima inglese, ciò che è associato a dritta e babordo è diverso dalle solite destra e sinistra. A proposito del lato di dritta e di tutto ciò che è ad esso correlato, dicono a dritta, sul lato sinistro - babordo.
Corsi di vento.
Le rotte del vento differiscono a seconda dell'angolo tra la direzione del vento apparente e la direzione della nave. Possono essere divisi in acuti e pieni.
Badewind - una rotta netta rispetto al vento. quando il vento soffia con un angolo inferiore a 80°. Può essere di bolina corta (fino a 50°) e di bolina completa (da 50 a 80°).
I percorsi di vento pieno sono percorsi quando il vento soffia con un angolo di 90° o più rispetto alla direzione dell'imbarcazione.
Questi corsi includono:
Gulfwind - il vento soffia con un angolo compreso tra 80 e 100°.
Paterazzo - il vento soffia con un angolo da 100 a 150° (paterazzo ripido) e da 150 a 170° (paterazzo completo).
strambata: il vento soffia a poppa con un angolo superiore a 170 °.
Leventik: il vento è rigorosamente in arrivo o vicino ad esso. Poiché una nave a vela non può muoversi contro un tale vento, più spesso viene chiamata non una rotta, ma una posizione relativa al vento.
Manovre del vento.
Quando uno yacht a vela cambia rotta in modo che l'angolo tra il vento e la direzione diminuisca, si dice che la nave lo sia viene data. In altre parole, dirigersi significa andare con un angolo più acuto rispetto al vento.
Se si verifica il processo inverso, cioè lo yacht cambia rotta nella direzione di aumentare l'angolo tra esso e il vento, la nave porta via .
Chiariamo che i termini (“drive” e “bear off” sono usati quando la barca cambia rotta rispetto al vento all'interno della stessa virata.
Se la nave cambia virata, allora (e solo allora!) tale manovra nello yachting è chiamata virata.
Ci sono due modi diversi per cambiare virata e, di conseguenza, due turni: virare e strambare .
Una virata è una virata contro vento. La nave è condotta, la prua della barca attraversa la linea del vento, ad un certo punto la nave passa attraverso la posizione del porto, dopodiché si trova sull'altra virata.
Lo yachting quando strambata avviene in modo opposto: la nave rolla via, la poppa attraversa la linea del vento, le vele vengono trasferite sull'altro lato, lo yacht giace sull'altra virata. Molto spesso questo è un passaggio da un corso completo all'altro.
Vela in nautica da diporto.
Uno dei compiti principali per il marinaio quando lavora con le vele è orientare la vela all'angolo ottimale rispetto al vento per ottenere il meglio in avanti. Per fare questo, devi capire come la vela interagisce con il vento.
Il lavoro della vela è per molti versi simile al lavoro dell'ala di un aeroplano e avviene secondo le leggi dell'aerodinamica. Per i diportisti particolarmente curiosi, puoi saperne di più sull'aerodinamica di una vela come ala in una serie di articoli:. Ma è meglio farlo dopo aver letto questo articolo, passando gradualmente da materiale facile a materiale più complesso. Ma a chi lo dico? I veri velisti non hanno paura delle difficoltà. E puoi fare tutto esattamente il contrario.
La principale differenza tra una vela e un'ala di aeroplano è che per la comparsa di una forza aerodinamica sulla vela è necessario un certo angolo diverso da zero tra essa e il vento, questo angolo è chiamato angolo di attacco. Un'ala di un aereo ha un profilo asimmetrico e può operare normalmente con angolo di attacco zero, ma una vela no.
Nel processo di flusso del vento attorno alla vela, si genera una forza aerodinamica, che alla fine sposta lo yacht in avanti.
Considera il lavoro di una vela nello yachting sotto diverse rotte rispetto al vento. Per prima cosa, per semplicità, immagina che l'albero con una vela sia scavato nel terreno e possiamo dirigere il vento con diverse angolazioni rispetto alla vela.
Angolo di attacco 0°. Il vento soffia lungo la vela, la vela sventola come una bandiera. Non c'è forza aerodinamica sulla vela, c'è solo forza di trascinamento.
Angolo di attacco 7°. La forza aerodinamica comincia ad apparire. È diretto perpendicolarmente alla vela ed è ancora di piccole dimensioni.
L'angolo di attacco è di circa 20°. La forza aerodinamica ha raggiunto il suo valore massimo in magnitudo, diretta perpendicolarmente alla vela.
Angolo di attacco 90°. In relazione al caso precedente, la forza aerodinamica non è cambiata significativamente né in grandezza né in direzione.
Quindi, vediamo che la forza aerodinamica è sempre diretta perpendicolarmente alla vela e la sua intensità praticamente non cambia nell'intervallo di angoli da 20 a 90°.
Angoli di attacco superiori a 90° non hanno senso, dal momento che le vele dello yacht di solito non sono disposte a tali angoli rispetto al vento.
Le dipendenze della forza aerodinamica dall'angolo di attacco sopra indicato sono semplificate e mediate in larga misura.
Queste proprietà, infatti, differiscono notevolmente a seconda della forma della vela. Ad esempio, una randa lunga, stretta e piuttosto piatta di yacht da regata avrà la massima forza aerodinamica con un angolo di attacco di circa 15°, ad angoli più alti la forza sarà leggermente inferiore. Se la vela è più panciuta e non ha un allungamento molto grande, la forza aerodinamica su di essa può essere massima con un angolo di attacco di circa 25-30 °.
Consideriamo ora il funzionamento della vela sullo yacht.
Per semplicità, immaginiamo che sullo yacht ci sia una sola vela. Che sia grotta.
La prima cosa da guardare è come si comporta il sistema yacht+vela quando si naviga nelle rotte più strette rispetto al vento, poiché questo di solito solleva la maggior parte delle domande.
Diciamo che il vento agisce sullo yacht con un angolo di 30-35° rispetto allo scafo. Orientando la vela sulla rotta con un angolo di circa 20° rispetto al vento, otterremo su di essa una forza aerodinamica A sufficiente.
Poiché questa forza agisce ad angolo retto rispetto alla vela, vediamo che tira fortemente lo yacht di lato. Scomponendo la forza A in due componenti, puoi vedere che la forza di spinta in avanti T è molte volte inferiore alla forza che spinge la barca lateralmente (D, forza di deriva).
A causa di cosa, in questo caso, lo yacht avanza?
Il fatto è che il disegno della parte subacquea dello scafo è tale che la resistenza dello scafo al movimento laterale (la cosiddetta resistenza laterale) è anche molte volte maggiore della resistenza al movimento in avanti. Ciò è facilitato dalla chiglia (o deriva), dal timone e dalla forma stessa dello scafo.
Tuttavia, la resistenza laterale si verifica quando c'è qualcosa a cui resistere, cioè, affinché inizi a funzionare, è necessario uno spostamento laterale del corpo, la cosiddetta deriva del vento.
Questo spostamento sorge naturalmente sotto l'azione della componente laterale della forza aerodinamica e, in risposta, sorge immediatamente la forza di trascinamento laterale S, diretta nella direzione opposta. Di norma, si bilanciano tra loro con un angolo di deriva di circa 10-15°.
Quindi, è ovvio che la componente laterale della forza aerodinamica, che è più pronunciata su percorsi bruschi rispetto al vento, provoca due fenomeni indesiderati: deriva e rollio del vento.
La deriva del vento significa che la traiettoria dello yacht non coincide con il suo piano diametrale (piano diametrale, o DP, è un termine "intelligente" per una linea di prua-poppa). C'è uno spostamento costante dello yacht sotto il vento, il movimento è, per così dire, un po' laterale.
È noto che quando si naviga su una rotta di bolina in condizioni meteorologiche medie, la deriva del vento come angolo tra la DP e la traiettoria reale è di circa 10-15°.
Muoversi contro vento. Virata.
Dal momento che lo yachting sotto le vele è impossibile rigorosamente controvento e puoi muoverti solo con una certa angolazione, sarebbe bello avere un'idea di quanto uno yacht possa muoversi al vento in gradi. E cos'è, di conseguenza, quel settore immobile di percorsi rispetto al vento, in cui è impossibile il movimento controvento.
L'esperienza ha dimostrato che un normale yacht da crociera (non da regata) può navigare efficacemente con un angolo di 50-55° rispetto al vento reale.
Pertanto, se l'obiettivo da raggiungere è rigorosamente controvento, la navigazione verso di esso non avverrà in linea retta, ma a zigzag, poi una virata, poi un'altra. Allo stesso tempo, su ogni virata, ovviamente, dovrai cercare di andare il più bruscamente possibile al vento. Questo processo è chiamato laminazione.
L'angolo tra le traiettorie degli yacht su due mure adiacenti durante la virata è chiamato virata. È ovvio che quando la nitidezza del movimento al vento è di 50-55°, l'angolo di virata sarà di 100-110°.
Il valore dell'angolo di virata ci mostra quanto efficacemente possiamo muoverci verso il bersaglio se è direttamente controvento. Per un angolo di 110°, ad esempio, il percorso verso il bersaglio aumenta di 1,75 volte rispetto allo spostamento in linea retta.
Prestazioni veliche su altre rotte rispetto al vento
Ovviamente, già sulla rotta Gulfwind, la forza di spinta T supera significativamente la forza di deriva D, quindi la deriva e il rollio saranno piccoli.
Con il paterazzo, come si vede, non è cambiato molto rispetto alla rotta Gulfwind. La randa è posta in una posizione quasi perpendicolare al DP, e questa posizione è il limite per la maggior parte degli yacht, è tecnicamente impossibile dispiegarla ulteriormente.
La posizione della randa sulla rotta di strambata non è diversa dalla posizione sulla rotta di paterazzo.
Qui, per semplicità, quando consideriamo la fisica del processo nello yachting, prendiamo in considerazione solo una vela: la randa. Tipicamente, uno yacht ha due vele: una randa e una trinchetta (vela anteriore). Quindi, su una rotta di strambata, la trinchetta (se si trova dalla stessa parte della randa) è all'ombra del vento dalla randa e praticamente non funziona. Questo è uno dei tanti motivi per cui la strambata non piace ai diportisti.
FORZA MOTRICE DEL VENTO
Materiali molto interessanti sono stati pubblicati sul sito web della NASA su vari fattori che influenzano la formazione di portanza da parte di un'ala di aeroplano. Esistono anche modelli grafici interattivi che dimostrano che la portanza può essere generata anche da un'ala simmetrica a causa della deflessione del flusso.
La vela, essendo ad angolo rispetto al flusso d'aria, la devia (Fig. 1d). Passando attraverso il lato "superiore", sottovento della vela, il flusso d'aria percorre un percorso più lungo e, secondo il principio della continuità del flusso, si muove più velocemente che dal lato sopravvento, "inferiore". Il risultato è una pressione minore sul lato sottovento della vela che sul lato sopravvento.
In strambata, con la vela disposta perpendicolarmente alla direzione del vento, l'aumento di pressione sul lato sopravvento è maggiore della diminuzione di pressione sul lato sottovento, in altre parole, il vento spinge lo yacht più di quanto non tiri. Man mano che la barca vira verso il vento più forte, questo rapporto cambierà. Pertanto, se il vento soffia perpendicolarmente alla rotta della barca, un aumento della pressione della vela sopravvento ha un effetto minore sulla velocità rispetto a una diminuzione della pressione sottovento. In altre parole, la vela tira lo yacht più di quanto non spinga.
Il movimento dello yacht è dovuto al fatto che il vento interagisce con la vela. L'analisi di questa interazione porta a risultati inaspettati, per molti principianti. Si scopre che la velocità massima viene raggiunta, per niente quando il vento soffia esattamente dietro, ma il desiderio di un "vento buono" ha un significato del tutto inaspettato.
Sia la vela che la chiglia, quando interagiscono con il flusso, rispettivamente, di aria o acqua, creano una forza di sollevamento, quindi, per ottimizzare il loro lavoro, si può applicare la teoria dell'ala.
FORZA MOTRICE DEL VENTO
Il flusso d'aria ha energia cinetica e, interagendo con le vele, è in grado di muovere lo yacht. Il lavoro sia della vela che dell'ala di un aeromobile è descritto dalla legge di Bernoulli, secondo la quale un aumento della velocità del flusso porta ad una diminuzione della pressione. Quando si muove nell'aria, l'ala separa il flusso. Parte di esso aggira l'ala dall'alto, parte dal basso. Un'ala di un aereo è progettata in modo che il flusso d'aria sopra la parte superiore dell'ala si muova più velocemente del flusso d'aria sotto la parte inferiore dell'ala. Il risultato è che la pressione sopra l'ala è molto più bassa che sotto. La differenza di pressione è la forza di sollevamento dell'ala (Fig. 1a). A causa della forma complessa, l'ala è in grado di generare portanza anche quando taglia il flusso, che si muove parallelamente al piano dell'ala.
La vela può muovere lo yacht solo se si trova ad una certa angolazione rispetto al flusso e lo devia. Rimane la domanda su quale parte della forza di sollevamento sia associata all'effetto Bernoulli e quale sia il risultato della deflessione del flusso. Secondo la teoria classica dell'ala, la forza di portanza deriva esclusivamente dalla differenza di velocità di flusso sopra e sotto l'ala asimmetrica. Allo stesso tempo, è noto che un'anta simmetrica è anche in grado di creare portanza se installata ad un certo angolo rispetto al flusso (Fig. 1b). In entrambi i casi, l'angolo tra la linea che collega i punti anteriore e posteriore dell'ala e la direzione del flusso d'aria è chiamato angolo di attacco.
La forza di sollevamento aumenta con l'angolo di attacco, tuttavia questa dipendenza funziona solo per piccoli valori di questo angolo. Non appena l'angolo di attacco supera un certo livello critico e si verifica lo stallo del flusso, si formano numerosi vortici sulla superficie superiore dell'ala e la forza di portanza diminuisce drasticamente (Fig. 1c).
I diportisti sanno che la strambata non è la rotta più veloce. Se il vento della stessa forza soffia con un angolo di 90 gradi rispetto alla rotta, la barca si muove molto più velocemente. In una strambata, la forza con cui il vento spinge contro la vela dipende dalla velocità dello yacht. Con la massima forza, il vento preme sulla vela di uno yacht fermo (Fig. 2a). All'aumentare della velocità, la pressione sulla vela diminuisce e diventa minima quando lo yacht raggiunge la sua velocità massima (Fig. 2b). La velocità massima su una strambata è sempre inferiore alla velocità del vento. Ci sono diverse ragioni per questo: in primo luogo, l'attrito, in qualsiasi movimento, parte dell'energia viene spesa per superare varie forze che impediscono il movimento. Ma la cosa principale è che la forza con cui il vento preme sulla vela è proporzionale al quadrato della velocità del vento apparente, e la velocità del vento apparente sulla strambata è uguale alla differenza tra la velocità del vento vero e la velocità dello yacht.
Su una rotta di vento di golfo (a 90º rispetto al vento), le barche a vela sono in grado di muoversi più velocemente del vento. Nell'ambito di questo articolo, non discuteremo le caratteristiche del vento pennant, noteremo solo che sulla rotta Gulfwind, la forza con cui il vento preme sulle vele dipende in misura minore dalla velocità dello yacht ( Fig. 2c).
Il fattore principale che impedisce l'aumento della velocità è l'attrito. Pertanto, le barche a vela con poca resistenza possono raggiungere velocità molto più elevate del vento, ma non in strambata. Ad esempio, un buer, a causa del fatto che i pattini hanno una resistenza allo scivolamento trascurabile, può accelerare fino a una velocità di 150 km / h con una velocità del vento di 50 km / h o anche meno.
La fisica della vela spiegata: un'introduzione
ISBN 1574091700, 9781574091700
Non meno importante della resistenza dello scafo è la forza di trazione sviluppata dalle vele. Per immaginare più chiaramente il lavoro delle vele, conosciamo i concetti base della teoria delle vele.
Abbiamo già parlato delle principali forze che agiscono sulle vele di uno yacht che naviga con vento in poppa (strambata) e con vento contrario (bolina). Si è riscontrato che la forza che agisce sulle vele può essere scomposta nella forza che provoca il rollio e la deriva sottovento dello yacht, la forza di deriva e la forza di spinta (vedi Fig. 2 e 3).
Vediamo ora come si determina la forza totale della pressione del vento sulle vele e da cosa dipendono le forze di trazione e di deriva.
Per immaginare il funzionamento di una vela su rotte strette, è conveniente considerare prima una vela piatta (Fig. 94), che subisce la pressione del vento ad un certo angolo di attacco. In questo caso, i vortici si formano dietro la vela, le forze di pressione sorgono sul lato sopravvento e le forze di rarefazione appaiono sul lato sottovento. La loro risultante R è diretta approssimativamente perpendicolarmente al piano della vela. Per una corretta comprensione del funzionamento di una vela, conviene presentarla come la risultante di due componenti di forze: X-diretto parallelamente al flusso d'aria (vento) e Y-perpendicolare ad esso.
La forza X, diretta parallelamente al flusso d'aria, è chiamata forza di trascinamento; è creato, oltre alla vela, anche dallo scafo, dal sartiame, dai longheroni e dall'equipaggio dello yacht.
La forza Y, diretta perpendicolarmente al flusso d'aria, è chiamata portanza in aerodinamica. È lei che, su rotte strette, crea spinta nella direzione di movimento dello yacht.
Se, con la stessa resistenza della vela X (Fig. 95), la forza di portanza aumenta, ad esempio, fino a un valore Y1, allora, come mostrato in figura, la portanza e la resistenza risultanti cambieranno di R e, di conseguenza, la forza di spinta T aumenterà a T1.
Tale costruzione consente di verificare facilmente che con un aumento della resistenza X (a parità di forza di sollevamento), la spinta T diminuisce.
Pertanto, ci sono due modi per aumentare la forza di trazione, e quindi la velocità su rotte strette: un aumento della forza di sollevamento della vela e una diminuzione della resistenza della vela e dello yacht.
Nella nautica moderna, la forza di sollevamento della vela viene aumentata conferendole una forma concava con alcuni “panciuti” (Fig. 96): la dimensione dall'albero al punto più profondo del “ventre” è solitamente di 0,3-0,4 della larghezza della vela e della profondità della "pancia" - circa il 6-10% della larghezza. La forza di sollevamento di una tale vela è del 20-25% maggiore di quella di una vela completamente piatta con quasi la stessa resistenza. È vero, uno yacht con vele piatte va un po' più ripido verso il vento. Tuttavia, con le vele "panciute", la velocità di avanzamento nella virata è maggiore a causa della maggiore spinta.
Riso. 96. Profilo velico
Si noti che per le vele panciute, non solo aumenta la trazione, ma anche la forza di deriva, il che significa che il rollio e la deriva degli yacht con vele panciute è maggiore rispetto a quelli relativamente piatti. Pertanto, la vela "panciuta" di oltre il 6-7% con vento forte non è redditizia, poiché un aumento del rollio e della deriva porta ad un aumento significativo della resistenza dello scafo e ad una diminuzione dell'efficienza delle vele, che "mangiano up” l'effetto di una maggiore spinta. Con vento leggero, le vele con una "pancia" del 9-10% vengono tirate meglio, poiché a causa della bassa pressione totale del vento sulla vela, il rollio è piccolo.
Qualsiasi vela con angoli di attacco superiori a 15-20 °, cioè su rotte dello yacht di 40-50 ° rispetto al vento e oltre, consente di ridurre la portanza e aumentare la resistenza, poiché si formano turbolenze significative sul lato sottovento. E poiché la parte principale della forza di sollevamento è creata da un flusso regolare, senza turbolenza, attorno al lato sottovento della vela, la distruzione di queste turbolenze dovrebbe avere un grande effetto.
Distruggono le turbolenze che si formano dietro la randa posizionando la trinchetta (Fig. 97). Il flusso d'aria che entra nello spazio tra randa e trinchetta ne aumenta la velocità (il cosiddetto effetto bocchetta) e, con la corretta regolazione della trinchetta, “lecca” i vortici della randa.
Riso. 97. Lavoro di trinchetta
Il profilo di una vela morbida è difficile da mantenere uguale a diversi angoli di attacco. In precedenza, i gommoni erano dotati di un'armatura passante che passava attraverso l'intera vela: erano resi più sottili all'interno del "ventre" e più spessi verso la balumina, dove la vela è molto più piatta. Ora l'armatura passante viene installata principalmente su barche da ghiaccio e catamarani, dove è particolarmente importante mantenere il profilo e la rigidità della vela a bassi angoli di attacco, quando una normale vela sta già sciacquando lungo l'inferitura.
Se solo la vela è la fonte di sollevamento, la resistenza è creata da tutto ciò che accade nel flusso d'aria attorno allo yacht. Pertanto, il miglioramento delle proprietà di trazione della vela può essere ottenuto anche riducendo la resistenza dello scafo, dei longheroni, del sartiame e dell'equipaggio dello yacht. A tale scopo vengono utilizzati vari tipi di carenature sui longheroni e sulle manovre.
La quantità di resistenza su una vela dipende dalla sua forma. Secondo le leggi dell'aerodinamica, la resistenza dell'ala di un aeroplano è tanto più piccola quanto più stretta e lunga è a parità di area. Ecco perché la vela (essenzialmente la stessa ala, ma disposta verticalmente) si cerca di renderla alta e stretta. Questo ti permette anche di usare il vento di guida.
La resistenza di una vela dipende in larga misura dalle condizioni del suo bordo d'attacco. Le ralle di tutte le vele devono essere avvolte strettamente per prevenire la possibilità di vibrazioni.
È necessario menzionare un'altra circostanza molto importante: il cosiddetto centraggio delle vele.
È noto dalla meccanica che qualsiasi forza è determinata dalla sua intensità, direzione e punto di applicazione. Finora abbiamo parlato solo dell'entità e della direzione delle forze applicate alla vela. Come vedremo in seguito, conoscere i punti di applicazione è fondamentale per capire come funzionano le vele.
La pressione del vento è distribuita in modo non uniforme sulla superficie della vela (la sua parte anteriore subisce più pressione), tuttavia, per semplificare i calcoli comparativi, si considera che sia distribuita uniformemente. Per calcoli approssimativi, si presume che la forza risultante della pressione del vento sulle vele sia applicata in un punto; viene preso come baricentro della superficie delle vele quando sono posizionate sul piano diametrale dello yacht. Questo punto è chiamato centro di deriva (CP).
Soffermiamoci sul metodo grafico più semplice per determinare la posizione della CPU (Fig. 98). Disegna la vela dello yacht nella giusta scala. Quindi, all'intersezione delle mediane - linee che collegano i vertici del triangolo con i punti medi dei lati opposti - trova il centro di ciascuna vela. Avendo così ottenuto nel disegno i centri O e O1 dei due triangoli che compongono la randa e la trinchetta, due linee parallele OA e O1B vengono tracciate attraverso questi centri e disposte in direzioni opposte in una scala qualsiasi tranne che nella stessa scala di tante unità lineari come metri quadrati nel triangolo; dal centro della grotta giaceva l'area della trinchetta e dal centro della trinchetta - l'area della grotta. I punti finali A e B sono collegati da una retta AB. Un'altra linea retta - O1O collega i centri dei triangoli. All'incrocio delle linee A B e O1O ci sarà un centro comune.
Riso. 98. Modo grafico per trovare il centro della deriva
Come abbiamo già detto, la forza di deriva (la consideriamo applicata al centro della deriva) è contrastata dalla forza di resistenza laterale dello scafo dello yacht. La forza di resistenza laterale è considerata applicata al centro di resistenza laterale (CLC). Il centro di resistenza laterale è il baricentro della proiezione della parte subacquea dello yacht sul piano diametrale.
Il centro della resistenza laterale può essere trovato ritagliando il contorno della parte subacquea dello yacht da carta spessa e posizionando questo modello su una lama di coltello. Quando il modello è bilanciato, premerlo leggermente, quindi ruotarlo di 90° e bilanciarlo nuovamente. L'intersezione di queste linee ci dà il centro di resistenza laterale.
Quando lo yacht sta andando senza rollio, la CPU dovrebbe trovarsi sulla stessa linea verticale con il CBS (Fig. 99). Se la CPU si trova davanti al CBS (Fig. 99, b), la forza di deriva, spostata in avanti rispetto alla forza di resistenza laterale, gira la prua della nave nel vento - lo yacht poggia. Se la CPU è dietro il CBS, lo yacht virerà con la prua al vento, o sarà guidato (Fig. 99, c).
Riso. 99. Allineamento dello yacht
Sia l'eccessivo portamento al vento, sia in particolare l'accostamento (centratura impropria) sono dannosi per la rotta della barca, in quanto obbligano il timoniere a lavorare continuamente il volante per mantenere la rettilineità del movimento, e questo aumenta la resistenza dello scafo e riduce la velocità della nave. Inoltre, un centraggio errato porta ad un deterioramento della controllabilità e in alcuni casi alla sua completa perdita.
Se centramo lo yacht come mostrato in fig. 99, a, cioè la CPU e la CBS saranno sulla stessa verticale, quindi la nave sarà spinta molto forte e diventerà molto difficile controllarla. Che cosa c'é? Ci sono due ragioni principali qui. In primo luogo, la vera posizione della CPU e del CLS non coincide con quella teorica (entrambi i centri sono spostati in avanti, ma non allo stesso modo).
In secondo luogo, e questa è la cosa principale, quando lo sbandamento, la forza di trazione delle vele e la forza della resistenza longitudinale dello scafo risultano giacere su diversi piani verticali (Fig. 100), risulta, per così dire, una leva che costringe lo yacht a essere guidato. Maggiore è l'elenco, maggiore è la propensione alla guida della nave.
Per eliminare tale cast, la CPU viene posizionata davanti alla CBS. Il momento della forza di spinta e la resistenza longitudinale che si verificano con un rollio, che provoca la guida dello yacht, sono compensati dal momento di intrappolamento delle forze di deriva e dalla resistenza laterale con la posizione anteriore della CPU. Per un buon centraggio, la CPU deve essere posizionata davanti al CLS ad una distanza pari al 10-18% della lunghezza dello yacht lungo la linea di galleggiamento. Meno stabile è lo yacht e più alta è la CPU al di sopra del CBS, più deve essere spostato in avanti.
Affinché lo yacht abbia un buon movimento, deve essere centrato, cioè mettere CPU e CLS in una posizione tale che la nave in rotta di bolina con vento leggero fosse completamente bilanciata dalle vele, in altre parole , era stabile sulla rotta con il timone lanciato o fisso in DP (è consentita una leggera tendenza a poggiare con vento molto debole), e con vento più forte tendeva a rollare. Ogni timoniere deve essere in grado di centrare correttamente lo yacht. Sulla maggior parte degli yacht, la tendenza a orzare aumenta se si tirano le vele posteriori e si abbassano le vele anteriori. Se le vele di prua vengono allargate e le vele posteriori vengono allargate, la nave poggerà. Con un aumento della randa "panciuta", così come le vele mal posizionate, lo yacht tende a essere guidato in misura maggiore.
Riso. 100. Influenza del rollio nel portare lo yacht al vento
È difficile immaginare come i velieri possano andare "contro vento" - o, nelle parole dei marinai, andare "al traino". È vero, un marinaio ti dirà che non puoi navigare direttamente nel vento, ma puoi muoverti solo ad angolo acuto rispetto alla direzione del vento. Ma questo angolo è piccolo - circa un quarto di angolo retto - e sembra, forse, altrettanto incomprensibile: se navigare direttamente contro vento o con un angolo di 22° rispetto ad esso.
In realtà, però, questo non è indifferente, e spiegheremo ora come sia possibile avvicinarsi ad esso con una leggera angolazione grazie alla forza del vento. Consideriamo prima di tutto come agisce il vento sulla vela in generale, cioè dove spinge la vela quando ci soffia sopra. Probabilmente pensi che il vento spinga sempre la vela nella direzione in cui sta soffiando. Ma non è così: ovunque soffia il vento, spinge la vela perpendicolarmente al piano della vela. Infatti: lasciate che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sottostante; linea AB significa vela.
Il vento spinge la vela sempre ad angolo retto rispetto al suo piano.
Poiché il vento spinge uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con la forza R applicata al centro della vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza Q, perpendicolare alla vela, e la forza P diretta lungo di essa (vedi figura sopra, a destra). L'ultima forza non spinge la vela da nessuna parte, poiché l'attrito del vento sulla tela è trascurabile. Il potere resta Q, che spinge la vela perpendicolarmente ad essa.
Sapendo questo, possiamo facilmente capire come un veliero possa andare ad angolo acuto rispetto al vento. Lascia la linea controllo di qualità raffigura la linea della chiglia della nave.
Come puoi navigare controvento.
Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata dalla fila di frecce. Linea AB raffigura una vela; è posizionato in modo che il suo piano bisechi l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Seguire il diagramma per la distribuzione delle forze. Rappresentiamo la pressione del vento sulla vela con la forza Q, che sappiamo essere perpendicolare alla vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza R, perpendicolare alla chiglia, e la forza S puntando in avanti lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento della nave nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (la chiglia nei velieri diventa molto profonda), quindi la forza R quasi completamente bilanciato dalla resistenza all'acqua. Rimane solo il potere S, che, come si può vedere, è diretta in avanti e, quindi, muove la nave in un angolo, come se fosse verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S ottiene il valore massimo quando il piano della vela divide in due l'angolo tra le direzioni della chiglia e del vento.]. Di solito questo movimento viene eseguito a zigzag, come mostrato nella figura seguente. Nel linguaggio dei marinai, un tale movimento della nave è chiamato "virata" nel senso stretto della parola.
Venti che soffiano verso ovest nel Pacifico meridionale. Ecco perché la nostra rotta è stata disegnata in modo che sulla barca a vela "Juliet" ci spostiamo da est a ovest, cioè in modo che il vento soffi dietro.
Tuttavia, se guardi il nostro percorso, noterai che spesso, ad esempio spostandoci da sud a nord da Samoa a Tokelau, dovevamo muoverci perpendicolarmente al vento. E a volte la direzione del vento cambiava completamente e dovevi andare controvento.
Il percorso di Giulietta
Cosa fare in questo caso?
Le navi a vela sono state a lungo in grado di navigare controvento. Il classico Yakov Perelman ne ha scritto a lungo bene e semplicemente nel suo secondo libro della serie Entertaining Physics. Questo pezzo lo cito qui testualmente con le immagini.
"Navigando controvento
È difficile immaginare come i velieri possano andare "contro vento" - o, nelle parole dei marinai, andare "al traino". È vero, un marinaio ti dirà che non puoi navigare direttamente nel vento, ma puoi muoverti solo ad angolo acuto rispetto alla direzione del vento. Ma questo angolo è piccolo - circa un quarto di angolo retto - e sembra, forse, altrettanto incomprensibile: se navigare direttamente contro vento o con un angolo di 22° rispetto ad esso.
In realtà, però, questo non è indifferente, e spiegheremo ora come sia possibile avvicinarsi ad esso con una leggera angolazione grazie alla forza del vento. Consideriamo prima di tutto come agisce il vento sulla vela in generale, cioè dove spinge la vela quando ci soffia sopra. Probabilmente pensi che il vento spinga sempre la vela nella direzione in cui sta soffiando. Ma non è così: ovunque soffia il vento, spinge la vela perpendicolarmente al piano della vela. Infatti: lasciate che il vento soffi nella direzione indicata dalle frecce nella figura sottostante; la linea AB rappresenta la vela.
Il vento spinge la vela sempre ad angolo retto rispetto al suo piano.
Poiché il vento spinge uniformemente su tutta la superficie della vela, sostituiamo la pressione del vento con la forza R applicata al centro della vela. Scomponiamo questa forza in due: la forza Q, perpendicolare alla vela, e la forza P, diretta lungo di essa (vedi figura sopra, a destra). L'ultima forza non spinge la vela da nessuna parte, poiché l'attrito del vento sulla tela è trascurabile. Rimane una forza Q che spinge la vela perpendicolarmente ad essa.
Sapendo questo, possiamo facilmente capire come un veliero possa andare ad angolo acuto rispetto al vento. Lascia che la linea KK rappresenti la linea di chiglia della nave.
Come puoi navigare controvento.
Il vento soffia ad angolo acuto rispetto a questa linea nella direzione indicata dalla fila di frecce. La linea AB rappresenta la vela; è posizionato in modo che il suo piano bisechi l'angolo tra la direzione della chiglia e la direzione del vento. Seguire il diagramma per la distribuzione delle forze. Rappresentiamo la pressione del vento sulla vela con la forza Q, che, come sappiamo, dovrebbe essere perpendicolare alla vela. Decomponiamo questa forza in due: la forza R, perpendicolare alla chiglia, e la forza S, diretta in avanti lungo la linea della chiglia della nave. Poiché il movimento della nave nella direzione R incontra una forte resistenza all'acqua (la chiglia nei velieri è molto profonda), la forza R è quasi completamente bilanciata dalla resistenza all'acqua. Rimane solo la forza S, che, come vedi, è diretta in avanti e, quindi, muove la nave di un angolo, come se fosse verso il vento. [Si può dimostrare che la forza S è massima quando il piano della vela divide in due l'angolo tra le direzioni della chiglia e del vento.]. Di solito questo movimento viene eseguito a zigzag, come mostrato nella figura seguente. Nel linguaggio dei marinai, un tale movimento della nave è chiamato "virata" nel senso stretto della parola.
Consideriamo ora tutte le possibili direzioni del vento relative alla rotta della barca.
Un diagramma delle rotte della nave rispetto al vento, cioè l'angolo tra la direzione del vento e il vettore da poppa a prua (rotta). 
Quando il vento soffia in faccia (vento contrario), le vele penzolano da un lato all'altro ed è impossibile muoversi con la vela. Certo, puoi sempre abbassare le vele e accendere il motore, ma questo non è più rilevante per la navigazione.
Quando il vento soffia esattamente dietro (strambata, vento in coda), le molecole d'aria disperse esercitano una pressione sulla vela da un lato e la barca si muove. In questo caso, la nave può muoversi solo più lentamente della velocità del vento. L'analogia di andare in bicicletta nel vento funziona qui: il vento soffia nella schiena ed è più facile pedalare.
Quando si muove controvento (di bolina), la vela si muove non per la pressione delle molecole d'aria sulla vela da dietro, come nel caso di una strambata, ma per la forza di sollevamento che si crea a causa delle diverse velocità dell'aria su entrambi lati lungo la vela. Allo stesso tempo, a causa della chiglia, la barca non si muove in una direzione perpendicolare alla rotta della barca, ma solo in avanti. Cioè, la vela in questo caso non è un ombrello, come nel caso di vento cattivo, ma un'ala di aeroplano.
Durante i nostri passaggi abbiamo navigato principalmente con paterazzo e vento di golfo ad una velocità media di 7-8 nodi con una velocità del vento di 15 nodi. A volte andavamo controvento, di mezzo vento e di bolina stretta. E quando il vento si è calmato, hanno acceso il motore.
In generale, una barca con la vela che va controvento non è un miracolo, ma una realtà.
La cosa più interessante è che le barche possono andare non solo controvento, ma anche più veloci del vento. Questo accade quando la barca va indietro, creando il proprio vento.
