Nicht der Wind, sondern das Segel bestimmt die Richtung. Thema: „Bewegungsphysik einer Segelyacht.“

Bevor wir uns mit der Funktionsweise eines Segels befassen, müssen zwei kurze, aber wichtige Punkte beachtet werden:
1. Bestimmen Sie, welcher Wind die Segel beeinflusst.
2. Sprechen Sie über spezifische Meeresterminologie im Zusammenhang mit Kursen in Bezug auf den Wind.

Wahre und scheinbare Winde beim Segeln.

Der Wind, der auf ein fahrendes Schiff und alles darauf einwirkt, unterscheidet sich von dem Wind, der auf ein stationäres Objekt wirkt.
Tatsächlich ist der Wind als atmosphärisches Phänomen, das relativ zum Land oder Wasser weht, das, was wir wahren Wind nennen.
Im Segelsport wird der Wind relativ zu einer fahrenden Yacht als scheinbarer Wind bezeichnet und ist die Summe aus dem wahren Wind und der entgegenkommenden Luftströmung, die durch die Bewegung des Schiffes verursacht wird.
Der scheinbare Wind weht immer in einem schärferen Winkel zum Boot als der wahre Wind.
Die scheinbare Windgeschwindigkeit kann größer sein (wenn der wahre Wind Gegenwind oder Seitenwind ist) oder kleiner als der wahre Wind (wenn er von Rückenwind kommt).

Richtungen relativ zum Wind.

Im Wind bedeutet aus der Richtung, aus der der Wind weht.
Gegen den Wind- aus der Richtung, aus der der Wind weht.
Diese Begriffe sowie Ableitungen davon wie „windward“, „leeward“ werden sehr häufig verwendet, nicht nur im Segelsport.
Wenn diese Begriffe auf ein Schiff angewendet werden, ist es üblich, auch von der Luv- und der Leeseite zu sprechen.
Wenn der Wind von der Steuerbordseite der Yacht weht, wird diese Seite angerufen windwärts, linke Seite - Lee jeweils.
Backbord und Steuerbordschlag sind zwei Begriffe, die in direktem Zusammenhang mit den vorherigen stehen: Wenn der Wind auf die Steuerbordseite des Schiffes weht, dann sagt man, dass es auf Steuerbordschlag segelt, wenn links, dann links.
In der englischen nautischen Terminologie unterscheiden sich die Begriffe „Steuerbord“ und „Backbord“ von den üblichen Begriffen „Rechts“ und „Links“. Man sagt Steuerbord über die Steuerbordseite und alles, was damit zusammenhängt, und Backbord über die linke Seite.

Kurse relativ zum Wind.

Der Kurs relativ zum Wind variiert je nach Winkel zwischen der Richtung des scheinbaren Windes und der Richtung, in die sich das Schiff bewegt. Sie können in akute und vollständige unterteilt werden.

Am Wind ist ein scharfer Kurs relativ zum Wind. wenn der Wind in einem Winkel von weniger als 80° weht. Es kann steiler Amwind (bis zu 50°) oder kräftiger Amwind (von 50 bis 80°) wehen.
Volle Kurse relativ zum Wind sind Kurse, bei denen der Wind in einem Winkel von 90° oder mehr zur Fahrtrichtung der Yacht weht.
Zu diesen Kursen gehören:
Golfwind – der Wind weht in einem Winkel von 80 bis 100°.
Achterstag – der Wind weht in einem Winkel von 100 bis 150° (steiles Achterstag) und von 150 bis 170° (voller Achterstag).
Vorwind – der Wind weht in einem Winkel von mehr als 170° nach hinten.
Links – der Wind ist ausschließlich Gegenwind oder nahe daran. Da sich ein Segelschiff gegen einen solchen Wind nicht bewegen kann, wird es häufiger nicht als Kurs, sondern als Position relativ zum Wind bezeichnet.

Manöver relativ zum Wind.

Wenn eine Yacht unter Segeln ihren Kurs ändert, sodass der Winkel zwischen Wind und Bewegungsrichtung kleiner wird, spricht man von einem Schiff gegeben ist. Mit anderen Worten: Abflachen bedeutet, sich in einem schärferen Winkel zum Wind zu bewegen.
Tritt der umgekehrte Vorgang ein, d. h. die Yacht ändert ihren Kurs in Richtung einer Vergrößerung des Winkels zwischen ihr und dem Wind, dem Schiff Fällt weg .
Lassen Sie uns klarstellen, dass die Begriffe („Vorlauf“ und „Fall“) verwendet werden, wenn das Boot seinen Kurs relativ zum Wind innerhalb desselben Bugs ändert.
Ändert das Schiff den Kurs, dann (und nur dann!) wird ein solches Manöver im Segelsport als Wenden bezeichnet.
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten zum Wenden und dementsprechend zwei Wendungen: Heftzwecke Und Sticheleien .
Eine Wende ist eine Drehung in den Wind. Das Schiff wird angetrieben, der Bug des Bootes kreuzt die Windlinie, irgendwann durchläuft das Schiff die linke Position und liegt dann auf der anderen Seite.
Beim Segeln erfolgt die Halse umgekehrt: Das Schiff fällt weg, das Heck kreuzt die Windlinie, die Segel werden auf die andere Seite gelegt, die Yacht liegt auf einem anderen Bug. Meistens ist dies ein Wechsel von einem vollständigen Kurs zum nächsten.

Segelbetrieb beim Segeln.

Eine der größten Herausforderungen für einen Segler bei der Arbeit mit Segeln besteht darin, das Segel im optimalen Winkel relativ zum Wind auszurichten, um das Segel optimal vorwärts zu treiben. Dazu müssen Sie verstehen, wie das Segel mit dem Wind interagiert.
Die Arbeit eines Segels ähnelt in vielerlei Hinsicht der Arbeit eines Flugzeugflügels und erfolgt nach den Gesetzen der Aerodynamik. Für besonders neugierige Segler können Sie in einer Artikelserie mehr über die Aerodynamik eines Segels als Flügel erfahren: Es ist jedoch besser, dies nach der Lektüre dieses Artikels zu tun und schrittweise vom einfachen zum komplexeren Material überzugehen. Aber wem erzähle ich das? Echte Segler haben keine Angst vor Schwierigkeiten. Und Sie können alles genau umgekehrt machen.

Der Hauptunterschied zwischen einem Segel und einem Flugzeugflügel besteht darin, dass für das Auftreten einer aerodynamischen Kraft auf dem Segel ein bestimmter Winkel ungleich Null zwischen ihm und dem Wind erforderlich ist; dieser Winkel wird als Anstellwinkel bezeichnet. Der Flugzeugflügel hat ein asymmetrisches Profil und kann bei einem Anstellwinkel von Null normal funktionieren, das Segel jedoch nicht.
Wenn der Wind das Segel umströmt, entsteht eine aerodynamische Kraft, die letztendlich die Yacht vorwärts bewegt.
Betrachten wir die Funktionsweise eines Segels im Segelsport bei unterschiedlichen Kursen relativ zum Wind. Stellen wir uns der Einfachheit halber zunächst vor, dass ein Mast mit einem Segel in den Boden eingegraben ist und wir den Wind in verschiedenen Winkeln auf das Segel richten können.

Anstellwinkel 0°. Der Wind weht am Segel entlang, das Segel flattert wie eine Fahne. Auf das Segel wirkt keine aerodynamische Kraft, sondern nur der Widerstand.
Anstellwinkel 7°. Es entsteht eine aerodynamische Kraft. Es ist senkrecht zum Segel ausgerichtet und dennoch klein.
Der Anstellwinkel beträgt etwa 20°. Die aerodynamische Kraft hat ihren Maximalwert erreicht und ist senkrecht zum Segel gerichtet.
Anstellwinkel 90°. Im Vergleich zum vorherigen Fall änderte sich die aerodynamische Kraft weder in ihrer Größe noch in ihrer Richtung wesentlich.
Wir sehen also, dass die aerodynamische Kraft immer senkrecht zum Segel gerichtet ist und sich ihre Größe im Winkelbereich von 20 bis 90° praktisch nicht ändert.
Anstellwinkel größer als 90° sind nicht sinnvoll zu berücksichtigen, da die Segel einer Yacht in der Regel nicht in solchen Winkeln relativ zum Wind eingestellt sind.

Die obigen Abhängigkeiten der aerodynamischen Kraft vom Anstellwinkel sind weitgehend vereinfacht und gemittelt.
Tatsächlich variieren diese Eigenschaften je nach Segelform deutlich. Beispielsweise hat ein langes, schmales und ziemlich flaches Großsegel von Rennyachten eine maximale aerodynamische Kraft bei einem Anstellwinkel von etwa 15°; bei größeren Winkeln wird die Kraft etwas geringer sein. Wenn das Segel dicker ist und keine sehr große Streckung aufweist, kann die auf das Segel einwirkende aerodynamische Kraft bei einem Anstellwinkel von etwa 25–30° maximal sein.

Schauen wir uns nun an, wie ein Segel auf einer Yacht funktioniert.

Stellen wir uns der Einfachheit halber vor, dass sich auf der Yacht nur ein Segel befindet. Lass es eine Grotte sein.
Zunächst lohnt es sich, einen Blick darauf zu werfen, wie sich das System Yacht + Segel bei der Bewegung auf den schärfsten Kursen relativ zum Wind verhält, da dies normalerweise die meisten Fragen aufwirft.

Nehmen wir an, dass der Wind in einem Winkel von 30–35° zum Rumpf auf die Yacht einwirkt. Indem wir das Segel auf Kurs in einem Winkel von etwa 20° zum Wind ausrichten, erhalten wir eine ausreichende aerodynamische Kraft A auf das Segel.
Da diese Kraft im rechten Winkel zum Segel wirkt, sehen wir, dass sie die Yacht stark zur Seite zieht. Wenn man die Kraft A in zwei Komponenten zerlegt, erkennt man, dass die Vorwärtsschubkraft T um ein Vielfaches geringer ist als die Kraft, die das Boot seitwärts drückt (D, Driftkraft).
Was bewirkt in diesem Fall, dass sich die Yacht vorwärtsbewegt?
Tatsache ist, dass der Unterwasserteil des Rumpfes so konstruiert ist, dass der Widerstand des Rumpfes gegen eine Bewegung zur Seite (der sogenannte seitliche Widerstand) ebenfalls um ein Vielfaches größer ist als der Widerstand gegen eine Bewegung nach vorne. Dies wird durch den Kiel (oder Schwertschwert), das Ruder und die Form des Rumpfes erleichtert.
Allerdings entsteht seitlicher Widerstand dann, wenn es etwas gibt, dem man widerstehen kann, d. h. damit er wirken kann, ist eine seitliche Verschiebung des Körpers, die sogenannte Winddrift, erforderlich.

Diese Verschiebung erfolgt natürlich unter der Wirkung der seitlichen Komponente der aerodynamischen Kraft, und als Reaktion darauf entsteht sofort eine seitliche Widerstandskraft S, die in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. In der Regel gleichen sie sich bei einem Driftwinkel von ca. 10-15° aus.
Es ist also offensichtlich, dass die seitliche Komponente der aerodynamischen Kraft, die auf scharfen Kursen relativ zum Wind am stärksten ausgeprägt ist, zwei unerwünschte Phänomene verursacht: Winddrift und Rollen.

Winddrift bedeutet, dass die Flugbahn der Yacht nicht mit ihrer Mittellinie übereinstimmt (Durchmesserebene oder DP ist ein kluger Begriff für die Bug-Heck-Linie). Die Yacht dreht sich ständig zum Wind und bewegt sich ein wenig seitwärts.
Es ist bekannt, dass beim Segeln auf einem Am-Wind-Kurs unter durchschnittlichen Wetterbedingungen die Winddrift als Winkel zwischen dem DP und der tatsächlichen Flugbahn etwa 10–15° beträgt.

Vorwärts gegen den Wind. Heften.

Da Segeln unter Segeln nicht ausschließlich gegen den Wind möglich ist und man sich nur in einem bestimmten Winkel bewegen kann, wäre es gut, eine Vorstellung davon zu haben, wie stark sich die Yacht in Grad gegen den Wind bewegen kann. Und was ist dementsprechend dieser langsame Kursabschnitt relativ zum Wind, in dem eine Bewegung gegen den Wind unmöglich ist?
Die Erfahrung zeigt, dass eine normale Fahrtenyacht (keine Rennyacht) effektiv in einem Winkel von 50–55° zum wahren Wind segeln kann.

Wenn also das zu erreichende Ziel streng gegen den Wind liegt, erfolgt die Fahrt dorthin nicht geradlinig, sondern im Zickzack, zuerst auf einer Seite, dann auf der anderen Seite. In diesem Fall müssen Sie natürlich bei jeder Wende versuchen, so scharf wie möglich gegen den Wind zu segeln. Dieser Vorgang wird als Heften bezeichnet.

Der Winkel zwischen den Flugbahnen von Yachten auf zwei benachbarten Winden beim Wenden wird als Wenden bezeichnet. Offensichtlich beträgt der Wendewinkel bei einer Stärke der Bewegung zum Wind von 50–55° 100–110°.

Die Größe des Wendewinkels zeigt uns, wie effektiv wir uns dem Ziel nähern können, wenn es streng gegen den Wind ausgerichtet ist. Bei einem Winkel von 110° vergrößert sich der Weg zum Ziel beispielsweise um das 1,75-fache gegenüber einer geradlinigen Bewegung.

Segelbetrieb auf anderen Kursen relativ zum Wind

Es ist offensichtlich, dass bereits auf einem Golfwindkurs die Schubkraft T die Driftkraft D deutlich übersteigt, sodass Drift und Roll gering sein werden.

Mit dem Achterstag hat sich, wie wir sehen, im Vergleich zum Golfwindkurs nicht viel geändert. Das Großsegel ist fast senkrecht zum DP platziert, und diese Position ist für die meisten Yachten extrem; es ist technisch unmöglich, es noch weiter auszufahren.

Die Position des Großsegels auf dem Halsenkurs unterscheidet sich nicht von der Position auf dem Achterstagkurs.
Der Einfachheit halber berücksichtigen wir hier bei der Betrachtung der Physik des Prozesses im Segelsport nur ein Segel – das Großsegel. Typischerweise verfügt eine Yacht über zwei Segel – ein Großsegel und ein Stagsegel (Vorsegel). Bei einem Halsenkurs liegt die Fock (wenn sie sich auf derselben Seite wie das Großsegel befindet) also im Windschatten des Großsegels und funktioniert praktisch nicht. Dies ist einer von mehreren Gründen, warum Halsen bei Bootsfahrern nicht so beliebt sind.

Winde, die im Südpazifik aus westlicher Richtung wehen. Deshalb wurde unsere Route so gestaltet, dass wir uns auf der Segelyacht „Juliet“ von Ost nach West bewegen, also so, dass uns der Wind im Rücken weht.

Wenn man sich jedoch unsere Route anschaut, wird einem auffallen, dass wir uns oft, zum Beispiel bei der Fahrt von Süden nach Norden von Samoa nach Tokelau, senkrecht zum Wind bewegen mussten. Und manchmal änderte sich die Windrichtung komplett und wir mussten gegen den Wind fahren.

Julias Route

Was ist in diesem Fall zu tun?

Segelschiffe können seit langem gegen den Wind segeln. Der Klassiker Yakov Perelman hat darüber vor langer Zeit gut und einfach in seinem zweiten Buch aus der Reihe „Entertaining Physics“ geschrieben. Ich stelle dieses Stück hier wörtlich mit Bildern vor.

„Segeln gegen den Wind

Es ist schwer vorstellbar, wie Segelschiffe „gegen den Wind“ fahren können – oder, wie Segler sagen, „am Wind“ fahren können. Ein Segler wird Ihnen zwar sagen, dass Sie nicht direkt gegen den Wind segeln können, sondern dass Sie sich nur in einem spitzen Winkel zur Windrichtung bewegen können. Aber dieser Winkel ist klein – etwa ein Viertel eines rechten Winkels – und es scheint vielleicht ebenso unverständlich: ob man direkt gegen den Wind oder in einem Winkel von 22° dazu segelt.

In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht gleichgültig, und wir erklären nun, wie es möglich ist, sich durch die Kraft des Windes in einem leichten Winkel darauf zu bewegen. Schauen wir uns zunächst an, wie der Wind generell auf das Segel wirkt, also wohin er das Segel drückt, wenn er darauf bläst. Sie denken wahrscheinlich, dass der Wind das Segel immer in die Richtung drückt, in die es weht. Dies ist jedoch nicht der Fall: Wo immer der Wind weht, drückt er das Segel senkrecht zur Segelebene. In der Tat: Lassen Sie den Wind in die Richtung wehen, die durch die Pfeile in der Abbildung unten angegeben ist; die Linie AB stellt das Segel dar.

Der Wind drückt das Segel immer im rechten Winkel zu seiner Ebene.

Da der Wind gleichmäßig auf die gesamte Segelfläche drückt, ersetzen wir den Winddruck durch eine Kraft R, die in der Mitte des Segels wirkt. Wir teilen diese Kraft in zwei Teile auf: die Kraft Q senkrecht zum Segel und die Kraft P entlang des Segels (siehe Abbildung oben rechts). Die letzte Kraft drückt das Segel nirgendwo hin, da die Reibung des Windes auf der Leinwand unbedeutend ist. Es bleibt die Kraft Q übrig, die das Segel im rechten Winkel dazu drückt.

Wenn wir das wissen, können wir leicht verstehen, wie ein Segelschiff in einem spitzen Winkel gegen den Wind segeln kann. Die Linie KK sei die Kiellinie des Schiffes.

Wie kann man gegen den Wind segeln?

Der Wind weht in einem spitzen Winkel zu dieser Linie in die durch eine Reihe von Pfeilen angegebene Richtung. Linie AB stellt ein Segel dar; Es wird so platziert, dass seine Ebene den Winkel zwischen der Kielrichtung und der Windrichtung halbiert. Verfolgen Sie die Kräfteverteilung in der Abbildung. Wir stellen den Winddruck auf das Segel durch die Kraft Q dar, die, wie wir wissen, senkrecht zum Segel sein muss. Teilen wir diese Kraft in zwei Teile: die Kraft R senkrecht zum Kiel und die Kraft S, die entlang der Kiellinie des Schiffes nach vorne gerichtet ist. Da die Bewegung des Schiffes in Richtung R auf starken Widerstand des Wassers stößt (bei Segelschiffen liegt der Kiel sehr tief), wird die Kraft R fast vollständig durch den Widerstand des Wassers ausgeglichen. Es bleibt nur eine Kraft S übrig, die, wie Sie sehen, nach vorne gerichtet ist und daher das Schiff schräg bewegt, als ob es gegen den Wind wäre. [Es lässt sich nachweisen, dass die Kraft S am größten ist, wenn die Segelebene den Winkel zwischen Kiel und Windrichtung halbiert.]. Typischerweise wird diese Bewegung im Zickzack ausgeführt, wie in der Abbildung unten dargestellt. In der Sprache der Seeleute wird eine solche Schiffsbewegung im engeren Sinne „Wenden“ genannt.

Betrachten wir nun alle möglichen Windrichtungen relativ zum Kurs des Bootes.

Diagramm des Schiffskurses relativ zum Wind, also des Winkels zwischen der Windrichtung und dem Vektor vom Heck zum Bug (Kurs).

Wenn Ihnen der Wind ins Gesicht bläst (leventik), baumeln die Segel hin und her und es ist unmöglich, sich mit dem Segel zu bewegen. Natürlich kann man jederzeit die Segel holen und den Motor einschalten, aber das hat mit Segeln nichts mehr zu tun.

Wenn der Wind direkt von hinten weht (Halse, Rückenwind), üben die beschleunigten Luftmoleküle auf einer Seite Druck auf das Segel aus und das Boot bewegt sich. In diesem Fall kann sich das Schiff nur langsamer als die Windgeschwindigkeit bewegen. Hier funktioniert die Analogie zum Fahrradfahren im Wind: Der Wind weht in den Rücken und man lässt sich leichter in die Pedale treten.

Bei der Bewegung gegen den Wind (am Wind) bewegt sich das Segel nicht aufgrund des Drucks von Luftmolekülen, die von hinten auf das Segel wirken, wie bei einer Halse, sondern aufgrund der Auftriebskraft, die aufgrund unterschiedlicher Luftgeschwindigkeiten entsteht auf beiden Seiten entlang des Segels. Darüber hinaus bewegt sich das Boot aufgrund des Kiels nicht in einer Richtung senkrecht zum Bootskurs, sondern nur vorwärts. Das heißt, das Segel ist in diesem Fall kein Regenschirm wie bei einem Am-Wind-Segel, sondern ein Flugzeugflügel.

Während unserer Passagen segelten wir hauptsächlich mit Achterstagen und Golfwind mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 7-8 Knoten und einer Windgeschwindigkeit von 15 Knoten. Manchmal segelten wir gegen den Wind, bei Halbwind und am Wind. Und als der Wind nachließ, schalteten sie den Motor ein.

Im Allgemeinen ist ein Boot mit Segel, das gegen den Wind fährt, kein Wunder, sondern Realität.

Das Interessanteste ist, dass Boote nicht nur gegen den Wind, sondern sogar schneller als der Wind segeln können. Dies geschieht, wenn das Boot achterstags bleibt und so seinen eigenen Wind erzeugt.

Ein Boot unter Segeln wird von zwei Umgebungen beeinflusst: der Luftströmung, die auf das Segel und den Überwasserteil des Bootes einwirkt, und dem Wasser, das auf den Unterwasserteil des Bootes einwirkt.

Dank der Form des Segels kann das Boot auch bei ungünstigstem Wind (am Wind) vorwärts fahren.

Das Segel ähnelt einem Flügel, dessen größte Auslenkung 1/3 – 1/4 der Segelbreite vom Vorliek entfernt liegt und einen Wert von 8 – 10 % der Segelbreite hat (Abb. 18).

Reis. 18. Segelprofil: B – die Breite des Segels entlang der Sehne (nach I.I. Khomyakov, 1976).

Wenn der Wind eine Richtung hat IN(Abb. 19, a), trifft unterwegs auf ein Segel, es umgeht es auf beiden Seiten. Die Luvseite des Segels erzeugt einen höheren Druck (+) als die Leeseite (-). Die Resultierende der Druckkräfte bildet eine Kraft R, senkrecht zur Ebene des Segels oder der Sehne gerichtet, die durch Vorliek und Vorliek verläuft und auf die Mitte des Segels angewendet wird CPU(Abbildung 19, b).

Reis. 19 Auf Segel und Rumpf des Bootes wirkende Kräfte (nach I.I. Khomyakov, 1976):

a ist die Wirkung des Windes auf das Segel; b – die Wirkung von Wind auf das Segel und Wasser auf den Bootsrumpf.

Gewalt R zerfällt in Zugkraft T, parallel zur diametralen Ebene gerichtet ( DP) des Bootes, wodurch sich das Boot vorwärts bewegt, und die Driftkraft D, senkrecht gerichtet DP, was dazu führte, dass das Boot driftete und rollte.

Gewalt R hängt von der Geschwindigkeit und Richtung des Windes relativ zum Segel ab. Je mehr Ðb zwischen Windrichtung IN und die Ebene des Segels PP, desto größer ist die Leistung R. Wenn Ðb=90°, Gewalt R erreicht seinen Maximalwert.

Befugnisse T Und D kommt drauf an Ðg zwischen DP Boot und die Ebene des Segels. Mit Steigerung Ðg Gewalt T steigert und Kraft D nimmt ab.

Die Wirkung von Wasser auf ein Boot hängt weitgehend von den Konturen seines Unterwasserteils ab.

Abb. 20. Richtige Position des Segels bei verschiedenen Windrichtungen (nach I.I. Khomyakov, 1976): a - am Wind; b – Golfwind, c – Halse.

Trotz der Tatsache, dass bei Amwind die Driftkraft zunimmt Dübersteigt die Zugkraft T, das Boot fährt vorwärts. Hier kommt der seitliche Widerstand ins Spiel. R 1 Unterwasserteil des Rumpfes, der um ein Vielfaches größer ist als der Luftwiderstand R.

Gewalt D Trotz des Widerstands des Rumpfes schleudert es das Boot immer noch von der Kurslinie ab. Zusammengestellt DP und die Richtung der wahren Bewegung des Bootes IPÐ A wird als Driftwinkel bezeichnet. Je schärfer der Winkel dazwischen ist DP und der Windrichtung, desto größer ist der Driftwinkel, da bei spitzen Winkeln die Zugkraft zunimmt T ist unbedeutend und das Boot hat keine ausreichende Vorwärtsbewegung und wird in den Wind geblasen. Bei Amwind, der steiler als 40-45° ist, kann das Boot nicht vorwärts fahren.

Somit kann der größte Schub und die geringste Drift des Bootes erreicht werden, indem die günstigste Position der Mittelebene des Bootes und der Segelebene relativ zum Wind gewählt wird. Es wurde festgestellt, dass der Winkel zwischen DP Boot und Segelebene sollten gleich der Hälfte Ð sein A zwischen der Mittelebene und der Windrichtung. Abbildung 20 zeigt die korrekte Position des Segels bei Amwind (a), Halbwind (b) und Halse (c).

Bei der Auswahl der Position des Segels relativ zu DP und Wind orientiert sich der Bootsführer nicht am wahren, sondern am scheinbaren (scheinbaren) Wind, dessen Richtung durch die Resultierende aus der Geschwindigkeit des Bootes und der Geschwindigkeit des wahren Windes bestimmt wird (Abb. 21).

Abbildung 21. Scheinbarer Wind.

b und - wahrer Wind; V w - Wind durch die Bewegung des Bootes;

Bei scheinbarem Wind.

Reis. 22. Installation des Auslegers relativ zum Vorsegel (nach I.I. Khomyakov, 1976):

a - richtig; b – falsch.

Der Ausleger, der sich vor dem Focksegel befindet, fungiert als Latte. Der zwischen Fock und Vorsegel strömende Luftstrom verringert den Druck auf der Leeseite des Vorsegels und erhöht dadurch dessen Pollerkraft. Dies geschieht nur, wenn der Winkel zwischen den Auslegern und DP Boote sind etwas größer als der Winkel zwischen Vorsegel und DP(Abbildung 22, a). Wenn der Ausleger gedrückt wird DP, dann trifft der Luftstrom auf die Leeseite des Vorsegels, verschlechtert dessen Form und verringert die Zugkraft (Abbildung 22, b). Der gleiche Effekt entsteht durch einen zu stark gekrümmten Ausleger.

Die Bewegung einer Segelyacht im Wind wird eigentlich durch den einfachen Druck des Windes auf ihr Segel bestimmt, der das Schiff vorwärts treibt. Untersuchungen im Windkanal haben jedoch gezeigt, dass das Segel beim Segeln gegen den Wind komplexeren Kräften ausgesetzt ist.

Wenn die einströmende Luft die konkave Rückseite des Segels umströmt, verringert sich die Luftgeschwindigkeit, während sie beim Umströmen der konvexen Vorderseite des Segels zunimmt. Dadurch entsteht auf der Rückseite des Segels ein Bereich mit hohem Druck und auf der Vorderseite ein Bereich mit niedrigem Druck. Der Druckunterschied auf den beiden Seiten des Segels erzeugt eine Zugkraft (Druckkraft), die die Yacht schräg zum Wind vorwärts bewegt.

Eine Segelyacht, die ungefähr im rechten Winkel zum Wind steht (in der nautischen Terminologie wird die Yacht gewendet), bewegt sich schnell vorwärts. Das Segel unterliegt Zug- und Seitenkräften. Segelt eine Segelyacht in einem spitzen Winkel zum Wind, verlangsamt sich ihre Geschwindigkeit durch eine Abnahme der Zugkraft und eine Zunahme der Seitenkraft. Je mehr das Segel zum Heck gedreht wird, desto langsamer bewegt sich die Yacht vorwärts, insbesondere aufgrund der großen Seitenkräfte.

Eine Segelyacht kann nicht direkt gegen den Wind segeln, aber sie kann sich vorwärts bewegen, indem sie eine Reihe kurzer Zickzackbewegungen in einem Winkel zum Wind ausführt, sogenannte Wendebewegungen. Weht der Wind auf der linken Seite (1), segelt die Yacht auf Backbord-Bug; weht der Wind auf Steuerbord (2), segelt sie auf Steuerbord-Bug. Um die Distanz schneller zurückzulegen, versucht der Segler, die Geschwindigkeit der Yacht bis zum Limit zu steigern, indem er die Position seines Segels verstellt, wie in der Abbildung unten links dargestellt. Um seitliche Abweichungen von einer geraden Linie zu minimieren, bewegt sich die Yacht und ändert ihren Kurs von Steuerbordbug nach Backbord und umgekehrt. Wenn die Yacht ihren Kurs ändert, wird das Segel auf die andere Seite geworfen, und wenn seine Ebene mit der Windlinie übereinstimmt, flattert es für einige Zeit, d.h. ist inaktiv (mittleres Bild unter dem Text). Die Yacht befindet sich in der sogenannten toten Zone und verliert an Geschwindigkeit, bis der Wind das Segel aus der entgegengesetzten Richtung wieder aufbläst.

Die Wirkung des Windes auf ein Schiff wird durch seine Richtung und Stärke, die Form und Größe der Segelfläche des Schiffes, die Lage der Segelmitte sowie die Werte für Tiefgang, Roll und Trimm bestimmt.

Die Einwirkung des Windes innerhalb eines Kurswinkels von 0–110° führt zu einem Geschwindigkeitsverlust und bei großen Kurswinkeln und einer Windstärke von nicht mehr als 3–4 Punkten zu einem leichten Geschwindigkeitsanstieg.

Die Einwirkung des Windes im Bereich von 30–120° wird von Abdrift und Windrollen begleitet.

Auf ein fahrendes Schiff wirkt ein relativer (scheinbarer) Wind, der in folgender Beziehung zum wahren Wind steht (Abb. 7.1)(2):

Dabei ist Vi die wahre Windgeschwindigkeit, m/s;

VK-scheinbare Windgeschwindigkeit, m/s;

V0 – Schiffsgeschwindigkeit, m/s;

βo-Schiffsdriftwinkel, Grad.

Yk – scheinbarer Windwinkel;

Yi ist der wahre Windwinkel.

Mit der Formel wird der spezifische Winddruck auf das Schiff in kgf/m berechnet

Wobei W die Windgeschwindigkeit in m/s ist.

Reis. 7.1. Beziehung zwischen wahrem und scheinbarem Wind

Reis. 7.2. Effekt des Krängungsmoments

Wenn also während eines Hurrikans die Windgeschwindigkeit 40–50 m/s erreicht, erreicht die Windlast 130–200 kgf/m2.

Der Gesamtwinddruck auf das Schiff wird aus dem Ausdruck P = pΩ bestimmt, wobei die Segelfläche des Schiffes ist.

Aus dem Ausdruck wird die Größe des Krängungsmoments Mkr (Abb. 7.2) in kgf·m für den Fall einer stetigen Bewegung und der Wirkung der Winddruckkraft P senkrecht zum DP des Schiffes bestimmt

Wobei zn die Ordinate der Segelmitte ist, m;

T - durchschnittlicher Tiefgang des Schiffes, m.

Raue See hat die größten Auswirkungen auf ein Schiff. Damit einher geht die Einwirkung erheblicher dynamischer Belastungen auf den Rumpf und das Rollen des Schiffes. Beim Segeln in rauer See erhöht sich der Widerstand des Schiffsrumpfes und die Bedingungen für den gemeinsamen Betrieb von Propellern, Rumpf und Hauptmotoren verschlechtern sich.

Reis. 7.3. Wellenelemente

Dadurch sinkt die Geschwindigkeit, die Belastung der Hauptmaschinen steigt, der Treibstoffverbrauch steigt und die Reichweite des Schiffes nimmt ab. Form und Größe der Wellen werden durch folgende Elemente charakterisiert (Abb. 7.3):

Wellenhöhe h – vertikaler Abstand vom oberen zum unteren Ende der Welle;

Die Wellenlänge λ ist der horizontale Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern;

Die Wellenperiode t ist die Zeitspanne, in der die Welle eine Distanz zurücklegt, die ihrer Länge entspricht (3);

Die Wellengeschwindigkeit C ist die Distanz, die die Welle pro Zeiteinheit zurücklegt.

Aufgrund ihres Ursprungs werden Wellen in Wind-, Gezeiten-, anemobarische, Erdbeben- (Tsunami) und Schiffswellen unterteilt. Am häufigsten sind Windwellen. Es gibt drei Arten von Wellen: Wind, Dünung und gemischte Wellen. Windwellen entwickeln sich, sie stehen unter dem direkten Einfluss des Windes, im Gegensatz zum Seegang, bei dem es sich um eine Trägheitswelle oder eine Welle handelt, die durch einen Sturmwind verursacht wird, der in einem abgelegenen Gebiet weht. Das Windwellenprofil ist nicht symmetrisch. Sein Leehang ist steiler als sein Luvhang. An den Spitzen von Windwellen bilden sich Grate, deren Spitzen unter dem Einfluss des Windes zusammenbrechen, Schaum (Lämmer) bilden und bei starkem Wind abgerissen werden. Die Windrichtung und die Richtung der Windwellen auf offener See stimmen in der Regel überein oder unterscheiden sich um 30–40°. Die Größe der Windwellen hängt von der Windgeschwindigkeit und der Dauer ihres Einflusses, der Länge des Weges der Windströmungen über der Wasseroberfläche und der Tiefe des Gebiets ab (Tabelle 7.1).

TABELLE 7.1. Maximalwerte der Wellenelemente für die Tiefsee (Н/Λ > 1/2)

Das stärkste Wellenwachstum wird beim C/W-Verhältnis beobachtet< 0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста волн. По­этому волны опасны не в момент наибольшего ветра, а при последующем его ослаблении.

Für ungefähre Berechnungen der durchschnittlichen Wellenhöhe stationärer Meereswellen werden die folgenden Formeln verwendet:

Bei Windstärken bis zu 5 Grad

Wenn der Wind über 5 Punkte beträgt

Dabei ist B die Windstärke in Punkten auf der Beaufort-Skala (§ 23.3).

Bei entwickelten Wellen kommt es zu Interferenzen einzelner Wellen (bis zu 2 % der Gesamtzahl oder mehr), die ihre maximale Entwicklung erreichen und die durchschnittliche Wellenhöhe um das Zwei- bis Dreifache überschreiten. Solche Wellen sind besonders gefährlich.

Die Überlagerung eines Wellensystems mit einem anderen tritt am intensivsten auf, wenn sich die Windrichtung ändert, es zu einem häufigen Wechsel von Sturmwinden kommt und bevor tropische Wirbelstürme auftreten (4).

Die Wellenenergie entwickelter Wellen ist außergewöhnlich hoch. Für ein treibendes Schiff kann die dynamische Wirkung von Wellen anhand des Ausdrucks p=0,1 τ² bestimmt werden, wobei τ die wahre Periode der Welle, s, ist.

So kann der P-Wert für Wellenperioden von etwa 6-10 s beeindruckende Werte erreichen (3,6-10 t/m²).

Wenn sich ein Schiff gegen eine Welle bewegt, erhöht sich die dynamische Wirkung der Wellen proportional zum Quadrat der Schiffsgeschwindigkeit, ausgedrückt in Metern pro Sekunde.

Die Wellenlänge in Metern, die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde und die Periode in Sekunden stehen durch folgende Beziehungen zueinander in Beziehung:

Ein praktisch fahrendes Schiff trifft nicht auf die wahre, sondern auf die relative (scheinbare) Wellenperiode τ“, die aus dem Ausdruck ermittelt wird

Dabei ist a der Richtungswinkel der Wellenbergfront, gemessen entlang einer beliebigen Seite.

Plus bezieht sich auf die Bewegung gegen die Welle, Minus auf die Bewegung entlang der Welle.

Bei einer Kursänderung wird das Schiff relativ zur reduzierten Wellenlänge λ“ positioniert:

Die Art der Schiffsbewegung weist eine komplexe Beziehung zwischen den Wellenelementen (h, λ, τ und C) und den Schiffselementen (L, D, T1,2 und δ) auf.

Die Stabilitätssicherheit eines Schiffes wird nicht nur durch seine Konstruktion und Lastverteilung bestimmt, sondern auch durch seinen Kurs und seine Geschwindigkeit. Bei ausgeprägtem Wellengang verändert sich die Form der bestehenden Wasserlinie kontinuierlich. Dementsprechend ändern sich die Form des eingetauchten Teils des Rumpfes, die Formstabilitätsarme und die Rückstellmomente.

Das Verweilen des Schiffes am Grund der Welle geht mit einer Zunahme der aufrichtenden Momente einher. Der Aufenthalt eines Schiffes (vor allem über längere Zeit) auf dem Wellenkamm ist gefährlich und kann zum Kentern führen. Am gefährlichsten ist das Resonanzrollen, bei dem die Periode der schiffseigenen Schwingungen T1,2 gleich der sichtbaren (beobachteten) Periode der Welle ist. Die Art des Resonanzrollens an Bord ist in Abb. 7.4 dargestellt. Wie folgt aus In der Abbildung wird das Resonanzphänomen bei einem Verhältnis von 0,7 beobachtet< T1 /τ" < 1,3

Resonantes Schaukeln ist besonders gefährlich, wenn das Schiff so positioniert ist, dass der Bug zur Welle zeigt.
Wenn ein Schiff einen Kurs gegen die Welle verfolgt, nehmen die Geschwindigkeitsverluste erheblich zu, wodurch die Enden freigelegt werden und es zu plötzlichen Geschwindigkeitssprüngen kommt. Wellenstöße an der Unterseite des Bugs (Slamming-Phänomen) können zur Verformung des Rumpfes und zum Abreißen einzelner Mechanismen und Geräte aus den Fundamenten führen.

Wenn das Schiff einer Welle folgt, ist es weniger anfällig für Welleneinschläge. Wenn man ihm jedoch mit einer Geschwindigkeit nahe der Wellengeschwindigkeit VK = (0,6--1,4) C entlang der Welle folgt (das Schiff „ritt“ auf der Welle), kommt es aufgrund einer Form- und Flächenänderung zu einem starken Verlust der Seitenstabilität der bestehenden Wasserlinie, und dies führt zur Entstehung eines Kreiselmoments, das in der Ebene der Wasserlinie wirkt und die Steuerbarkeit des Schiffes erheblich verschlechtert.

Reis. 7.4. Resonantes Pitching

Die gefährlichste Navigation eines kleinen Schiffes ist auf günstiger See, wenn λ=L des Schiffes und VK=C.

Universelles Pitching-Diagramm Yu.V. Remeza

Das universelle Rolldiagramm bestimmt die Abhängigkeit der beobachteten Wellenelemente von Änderungen der Elemente der Schiffsbewegung.

Das Diagramm wird nach der Formel berechnet

Wobei V die Geschwindigkeit des Schiffes in Knoten ist.

Das Diagramm bestimmt die Beziehung zwischen ). Das Universaldiagramm kann nur in Gebieten mit ausreichend großen Tiefen (mehr als 0,4X Wellen) verwendet werden.

Durch die Verwendung eines universellen Pitching-Diagramms können Sie die folgenden Hauptprobleme lösen:
- Bestimmen Sie den Kurs und die Geschwindigkeit, mit der das Schiff in eine Position mit resonantem Nicken (Neigung und Seite) gelangen kann.

Bestimmen Sie die Wellenlänge im Fahrgebiet;

Bestimmen Sie die Kurssektoren und Geschwindigkeitsbereiche, in denen das Schiff ein starkes, nahezu resonantes Rollen erfährt.

Bestimmen Sie die Kurse und Geschwindigkeiten, bei denen sich das Schiff im gefährlichsten Zustand verringerter Seitenstabilität befindet.

Bestimmen Sie die Kurse und Geschwindigkeiten, bei denen das Schiff das „Slamming“-Phänomen erleben wird.

(1) Eine weitere Zunahme des Windes geht mit Windwellen einher, die die Geschwindigkeit des Schiffes verringern.
(2) Die Koordinaten des wahren Windes beziehen sich auf die Erde und die des scheinbaren Windes auf das Schiff.
(3) In der Praxis erfolgt die Bewegung von Wasserpartikeln in Windwellen auf Bahnen, die einer Kreis- oder Ellipsenform ähneln. Nur das Wellenprofil bewegt sich.
(4) Die Natur der Wellenbildung und ihr Zusammenhang mit Windelementen werden im Ozeanographiekurs ausführlich besprochen.