Теория паруса: секреты управления парусниками и аэродинамика парусов

Паруса в древнем мире

В истории человечества паруса играли важную роль в развитии международной торговли, культурного обмена и транспорта. Некоторые древние цивилизации, включая египтян, финикийцев, греков и римлян, активно использовали парусные суда для своих целей. В этой статье мы рассмотрим некоторые особенности использования парусов в различных древних цивилизациях.

Древний Египет (около 4000 г. до н. э.)

Египтяне начали использовать парусные суда в начале 4-го тысячелетия до н. э., что свидетельствует об их раннем морском опыте. Они использовали простые паруса из льна или папируса, установленные на деревянных мачтах. Парусные суда использовались для перевозки грузов и пассажиров вдоль реки Нил и по Средиземному морю. Одно из наиболее известных судов этого времени — солнечный корабль Хуфу, который был обнаружен рядом с пирамидой Хуфу в 1954 году.

Финикийцы (около 1500 г. до н. э.)

Финикийцы были известны своими навыками в морском деле и торговле, и паруса играли ключевую роль в их успехе. Расположенные на восточном побережье Средиземного моря, финикийские города-государства, такие как Тир, Сидон и Библ, активно использовали парусные суда для торговли с другими древними цивилизациями. Финикийцы разработали быстроходные суда с прямоугольными парусами, которые позволяли им легко маневрировать и покорять дальние расстояния.

Древняя Греция (около 1200 — 300 г. до н. э.)

Греки также использовали парусные суда для торговли, войн и исследования морей. Их суда, называемые триерами, были изначально гребными, но с развитием парусных технологий они стали комбинированными парусно-гребными судами. Греки использовали прямоугольные паруса, которые были установлены на высоких мачтах. Одним из наиболее известных парусных судов древнегреческой мифологии является «Арго», на котором мифические герои аргонавты отправились за Золотым Руном.

Древнегреческие корабли: технологии судостроительства

Древний Рим (около 753 г. до н. э. — 476 г. н. э.)

Римляне, как и их греческие предшественники, использовали парусные суда для морских перевозок, торговли и военных действий. Они усовершенствовали дизайн парусов и судов, делая их быстрее и более маневренными. Некоторые из их парусных судов включали корабли типа «либурна» и «квинкеремы», которые также были комбинированными парусно-гребными судами. Римляне использовали прямоугольные паруса, изготовленные из льна и различных других материалов, и иногда красили их в яркие цвета для узнаваемости.

Древняя Китайская империя (около 2100 г. до н. э. — 1912 г. н. э.)

В древнем Китае паруса также были важным элементом морского развития. Китайцы создали уникальные паруса «джунк», которые были сделаны из бамбука и покрыты лаком для увеличения прочности. Джунковые паруса были разделены на несколько секций, что позволяло лучше управлять силой ветра и маневрировать. Этот дизайн парусов использовался на многих китайских судах, включая торговые суда и военные корабли.

 

Развитие парусов в эпоху открытий

Парусное судостроение и развитие парусов прошли значительные изменения с XV по XIX век, особенно во время каравелл, галеонов и фрегатов. В этой статье мы рассмотрим ключевые моменты эволюции парусов и парусных вооружений в эти периоды.

Каравеллы (XV-XVII век)

Во время каравелл паруса пережили значительные изменения, которые повлияли на маневренность и ходовые качества кораблей:

• Латинские паруса: каравеллы были оснащены треугольными латинскими парусами на двух или трех мачтах. Эти паруса обеспечивали лучшую маневренность и позволяли судам двигаться против ветра.
• Брамсельные паруса: к концу XV века каравеллы также начали оснащать брамсельными парусами, которые улучшали их ходовые качества на крупных волнах и при сильном ветре.

Галеоны (XVI-XVII век)

Во время галеонов развитие парусов продолжалось, и корабли стали более мощными и вместительными:

• Каррек-паруса: галеоны использовали каррек-паруса на передней мачте, которые были косыми и прямоугольными. Эти паруса обеспечивали лучшее движение вдоль ветра и улучшали стабильность корабля.
• Бонеты и дополнительные паруса: для увеличения ходовых качеств галеонов, на них устанавливались бонеты – дополнительные парусные полотнища, крепившиеся к основным парусам. Это позволяло легко увеличивать или уменьшать площадь парусов в зависимости от силы ветра.

Фрегаты (XVII-XIX век)

Фрегаты были оптимизированы для скорости и маневренности, что отразилось на их парусном вооружении:

• • Косые паруса: фрегаты имели три мачты с косыми прямоугольными парусами. Это обеспечивало им высокую скорость и возможность быстро менять курс.
  • Стаксель: на фрегатах использовался стаксель – треугольный передний парус, который устанавливался между передней и главной мачтами. Он помогал улучшить контроль над судном и увеличивал его маневренность.

Суда в эпоху географических открытий

Материалы изготовления парусов

Материалы для изготовления парусов значительно развились со времен древних цивилизаций до современных технологий. Вот краткий обзор основных материалов, используемых на протяжении истории:

1. Папирус и тростник (ок. 3200 до н. э.): древние египтяне использовали эти натуральные материалы для создания парусов на своих судах, плававших по Нилу.
2. Льняная ткань (ок. 3000 до н. э. — 19 в.): долговечная и прочная, льняная ткань была основным материалом для парусов на протяжении тысячелетий. Викинги, финикийцы и средневековые корабли использовали льняные паруса.
3. Хлопок (16-19 вв.): с появлением массового производства хлопка, он стал доступным материалом для парусов. Хотя менее прочный, чем лен, хлопок обладает хорошей устойчивостью к увлажнению.
4. Дакрон (появился в 1950-х гг.): синтетический полиэстер, который заменил лен и хлопок в производстве парусов. Дакрон обладает высокой прочностью, устойчивостью к воздействию солнечного света и низкой растяжимостью.
5. Майлар (появился в 1960-х гг.): пленка из полиэтилентерефталата, часто используется в сочетании с дакроном или кевларом. Майлар обеспечивает отличную формостойкость и прочность, а также устойчивость к ультрафиолетовому излучению.
6. Кевлар (появился в 1970-х гг.): арамидное волокно, изначально разработанное для бронежилетов, стало популярным материалом для парусов благодаря своей высокой прочности и низкому весу.
7. Карбоновые волокна (появились в 1980-х гг.): используются в составе ламинированных парусов, обеспечивая невероятную прочность и легкость. Карбоновые волокна используются в высокопроизводительных парусных судах, таких как гоночные яхты и суда Кубка Америки.
8. Спектра и Дайнима (появились в 1990-х гг.): суперсильные полиэтиленовые волокна, которые стали популярными в парусном спорте благодаря своей невероятной прочности, легкости и стойкости к ультрафиолетовому излучению.
9. 3Di (появился в 2010-х гг.): разработанный компанией North Sails, 3Di — это композитный материал, включающий углеродное и арамидное волокно, который обеспечивает высокую прочность, долговечность и формостойкость.

Формирование ветра

Ветер является одним из основных движущих факторов атмосферы и играет ключевую роль в климате и погоде. В этой статье мы рассмотрим основные аспекты формирования ветра: тепловое движение атмосферы, кориолисова сила и глобальные и локальные ветровые системы.

Тепловое движение атмосферы

Возникает из-за неравномерного нагрева земной поверхности солнечным излучением. Теплые массы воздуха поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз, создавая конвекционные течения. Это приводит к формированию ветра, который перемещает воздух с высоким давлением в зоны низкого давления.

Влияние земного вращения (кориолисова сила)

Кориолисова сила возникает из-за вращения Земли вокруг своей оси. Она вызывает отклонение движения воздушных масс вправо на северном полушарии и влево на южном полушарии. Кориолисова сила влияет на направление ветров и формирование крупных атмосферных явлений, таких как антициклоны и циклоны.

Глобальные и локальные ветровые системы

Определяют характеристики ветра в разных частях мира и в разное время.

• Глобальные ветровые системы: эти системы образуются из-за крупномасштабного распределения тепла и влажности на Земле. Примерами глобальных ветровых систем являются пассаты, западные ветры и полярные ветры.
  • Пассаты — это постоянные ветры, дующие с востока на запад в тропическом поясе и вызванные наклоном земной оси и неравномерным нагревом экваториальных областей.
  • Западные ветры — это ветры, дующие с запада на восток в умеренных широтах, обусловленные смещением зоны низкого давления к полюсам.
  • Полярные ветры — это холодные ветры, дующие с полюсов на юг (северный полюс) и на север (южный полюс) из-за нагрева полярных областей и создания зон высокого давления.
• Локальные ветровые системы: локальные ветровые системы возникают из-за местных географических особенностей и микроклимата. Примерами локальных ветровых систем являются горно-долинные ветры, морские и сухопутные бризы.
• Горно-долинные ветры — это ветры, возникающие из-за разницы температуры между горами и долинами. Днем воздух над долинами нагревается и поднимается вверх, образуя ветер, который движется от долины к горам. Ночью процесс обратный – холодный воздух с гор опускается в долины.
• Морские и сухопутные бризы — это ветры, возникающие из-за разницы температуры между сушей и морем. Днем суша нагревается быстрее, чем вода, и возникает морской бриз, который дует с моря на сушу. Ночью суша охлаждается быстрее, чем вода, и возникает сухопутный бриз, который дует с суши на море.

Виды ветра и их особенности

Ветер – одно из ключевых атмосферных явлений, влияющих на погоду и климат. Ветры могут быть классифицированы по различным критериям, таким как продолжительность, местоположение и скорость. В данной статье мы рассмотрим основные виды ветров и их особенности.

Постоянные ветры

Постоянные ветры – это ветры, которые сохраняют свое направление и силу на протяжении длительного времени. Они формируются под влиянием глобальных атмосферных явлений. Примеры постоянных ветров:

• Пассаты – ветры, дующие с востока на запад в тропическом поясе. Они обусловлены наклоном земной оси и неравномерным нагревом экваториальных областей.
• Западные ветры – ветры, дующие с запада на восток в умеренных широтах, обусловленные смещением зоны низкого давления к полюсам

Переменные ветры

Переменные ветры изменяют свое направление и силу в течение короткого периода времени. Они возникают из-за местных географических особенностей или изменений погодных условий. Примеры переменных ветров:

• Горно-долинные ветры – ветры, возникающие из-за разницы температуры между горами и долинами.
• Морские и сухопутные бризы — это ветры, вызванные разницей в температуре между сушей и морем. Днем возникает морской бриз, дующий с моря на сушу, а ночью – сухопутный бриз, дующий с суши на море.

Циклональные и антициклональные ветры

Циклональные ветры связаны с областями низкого давления (циклонами), а антициклональные ветры — с областями высокого давления (антициклонами). В северном полушарии циклоны характеризуются ветрами, движущимися по часовой стрелке, а антициклоны — против часовой стрелки. В южном полушарии направление ветров в циклонах и антициклонах противоположное.

Циклоны и антициклоны: формирование, влияние погоду и моря

 

Шквалы и порывы ветра

Шквалы и порывы ветра — это кратковременные усиления скорости ветра. Шквалы обычно сопровождаются грозами и быстрым изменением погодных условий, в то время как порывы ветра могут возникать при стабильной погоде и без осадков.

Катабатические и анабатические ветры

Катабатические ветры возникают из-за холодного, сжимаемого воздуха, который движется с высоких районов вниз по склонам. Они обычно характеризуются высокой скоростью и прохладной температурой. Анабатические ветры, наоборот, возникают, когда нагретый воздух поднимается вверх по склонам гор.

Ветровые силы

Ветровые силы играют ключевую роль в атмосферных явлениях и воздействии на земную поверхность. Две основные категории ветровых сил — барицентрические силы и касательные силы — имеют различные механизмы и эффекты. В данной статье рассмотрим эти виды сил.

Барицентрические силы

Барицентрические силы — это силы, действующие на воздушные массы в атмосфере и вызывающие их движение в горизонтальном направлении. Они возникают из-за разницы в атмосферном давлении и зависят от распределения температуры и влажности в атмосфере. Барицентрические силы включают в себя:

• Градиент давления: Градиент давления — это основная причина возникновения ветра. Воздушные массы движутся от областей высокого давления к областям низкого давления, создавая ветровые потоки.
• Кориолисова сила: Кориолисова сила — это сила, возникающая из-за вращения Земли. Она изменяет траекторию движения воздушных масс, заставляя их двигаться по кривым траекториям. В северном полушарии воздушные массы отклоняются вправо, в южном полушарии — влево.

Касательные силы

Касательные силы действуют на воздушные массы в вертикальном направлении и связаны с трением между воздухом и земной поверхностью. Когда ветер дует над поверхностью Земли, он сталкивается с трением, которое замедляет его движение и изменяет его направление. Касательные силы включают:

• Трение — это сила, возникающая между двумя поверхностями, когда они контактируют друг с другом. В случае ветра трение между воздушными массами и земной поверхностью замедляет движение воздуха и изменяет его направление. Сила трения зависит от скорости ветра, типа и состояния поверхности, а также от высоты над землей.
• Вертикальное движение воздуха, также известное как конвекция, возникает из-за неравномерного нагрева земной поверхности солнечным излучением. Воздух над нагретыми участками поверхности поднимается вверх, образуя восходящие потоки, в то время как холодный воздух опускается вниз, создавая нисходящие потоки. Вертикальное движение воздуха влияет на образование облаков, дождей и гроз.

Истинный и вымпельный ветер

Для дальнейшего обсуждения принципов работы парусов, необходимо разобраться с тем, что за ветер действует на паруса яхты.

Если судно неподвижно, то ветер на рангоут и паруса дует такой, какой он есть на самом деле — то есть с действительной скоростью и направлением. Этот ветер называется истинным ветром. Именно этот ветер упоминается в прогнозах погоды.

Однако если судно движется, ситуация меняется. Когда мы движемся на велосипеде или в автомобиле даже в условиях безветрия образуется ветер от набегания потока воздуха со скоростью, равной скорости движения. Такой ветер в яхтинге называется курсовым. Соответственно, при наличии истинного ветра, на паруса яхты влияет сумма истинного и курсового ветра — и такой ветер называется вымпельным ветром. Также его иногда называют кажущимся ветром, поскольку это ветер, который воспринимается с борта судна во время движения.

Если судно идет против ветра, вымпельный ветер становится сильнее истинного. Если судно идет полными курсами — в фордевинд или бакштаг — вымпельный ветер становится заметно ниже, а может казаться что его и нет вовсе.

Поскольку в парусах всегда действует вымпельный ветер, то именно относительно него рассчитываются положение и аэродинамика паруса.

Принцип работы паруса

Паруса – это удивительные аэродинамические устройства, которые позволяют парусным судам двигаться под действием ветра. Чтобы разобраться в принципе работы паруса, рассмотрим основные законы аэродинамики, принцип Бернулли и парус как подъемную силу.

Законы аэродинамики

Аэродинамика изучает поведение объектов в движущихся потоках газа, таких как воздух. Она объясняет, как силы действуют на поверхности, подверженные потоку воздуха, и как эти силы могут быть использованы для создания движения. В случае паруса, аэродинамические силы возникают из-за его формы и ориентации относительно направления ветра.

Бернулли и его принцип

Принцип Бернулли является основным аэродинамическим законом, лежащим в основе работы паруса. Согласно этому принципу, давление воздуха уменьшается при увеличении его скорости. Когда ветер проходит через парус, он разделяется на два потока: один поток идет по выпуклой стороне паруса, а другой – по вогнутой стороне. Воздух, движущийся по выпуклой стороне, имеет большую скорость, и, следовательно, меньшее давление, чем воздух, движущийся по вогнутой стороне. Это создает разницу давления, которая толкает парус вперед.

Парус как подъемная сила

Парус, работающий на основе принципа Бернулли, генерирует подъемную силу (лифт), которая служит для преодоления сопротивления судна и его движения вперед. Лифт возникает из-за разницы в давлении между вогнутой и выпуклой сторонами паруса и направлен перпендикулярно к потоку воздуха.

Оптимальная подъемная сила достигается при правильном угле атаки паруса к ветру и соответствующей настройке его формы. Яхтсмены должны постоянно адаптироваться к изменяющимся условиям ветра и воды, регулируя паруса для максимизации лифта и минимизации дрейфа (боковая сила, вызывающая нежелательное смещение судна).

 

Аэродинамическая сила на парусе

При воздействии ветра на парус на нем возникает целый набор сил, в том числе аэродинамическая сила. В таком случае парус ведет себя аналогично крылу самолета, за исключением того, что крыло является жестким элементом, а парус – подвижный и без утолщений в середине.

Рассмотрим эти силы, при движении паруса под острым углом к ветру:

С внешней стороны паруса возникает область разрежения. Из-за этого возникают аэродинамические силы, равнодействующая которых R почти перпендикулярна хорде паруса — отрезку, соединяющему края паруса. Значение силы, а также точка приложения равнодействующей сильно зависят от угла, под которым парус (его хорда) находится к ветру — этот угол называют углом атаки, а также изгиба паруса, силы ветра и того, насколько поток набегающего ветра является ламинарным, то есть без завихрений и турбулентности.

Если разложить аэродинамическую силу на два компонента – параллельный X и перпендикулярный ветру Y, то можно оценить, насколько сильно парус будет стремиться вместе с ветром и двигаться перпендикулярно ветру. В таком случае компонент Y называют подъемной силой (т.к. именно он заставляет подниматься самолеты при горизонтальном положении крыла), а компонент X – силой лобового сопротивления паруса.

Формы парусов

Паруса играют решающую роль в движении парусного судна, преобразуя энергию ветра в силу, двигающую корабль вперед. Изменение формы парусов может существенно повлиять на скорость и направление движения судна.

Кривизна паруса

Кривизна паруса определяет его эффективность в создании подъемной силы. Более выпуклый парус создает больше подъемной силы, что может повысить скорость судна при слабом ветре. Однако при сильном ветре, слишком выпуклый парус может вызвать нестабильность и проблемы с управлением. В таких условиях более плоский парус предпочтителен, так как он предотвращает чрезмерную нагрузку на судно и позволяет лучше контролировать его движение.

Угол атаки

Угол атаки — это угол между направлением ветра и хордой паруса. Он влияет на создание подъемной силы и сопротивление движению ветра. Увеличение угла атаки может повысить подъемную силу и ускорить судно, но только до определенного предела. Если угол атаки станет слишком большим, поток воздуха отсоединится от паруса, вызывая его заполнение и потерю подъемной силы. Это явление называется «противоветровым спадом».

Разворот парусов

Разворот парусов относительно направления ветра также влияет на скорость и направление движения судна. Парусники могут изменять разворот парусов с помощью руля, шкотов и других приспособлений. Это позволяет им оптимизировать направление и силу ветра, действующую на паруса, чтобы повысить скорость и управляемость судна.

Изменение ветра с высотой относительно уровня моря

В зависимости от высоты, ветер дует с неодинаковой силой, даже в открытом море. Чем выше, тем сильнее ветер.

Это связано с тем, что при движении у поверхности образуется трение ветра о поверхность воды (и земли) — и, как следствие, ветер у поверхности слабее. Также из-за волн или неровностей береговых поверхностей он может быть более турбулентным, образовывать завихрения. Причем именно на высотах, сравнимых с высотой типичной яхтенной мачты это изменение скорости проявляется наиболее сильно.

Важным следствием из этого является изменение направления вымпельного ветра в зависимости от высоты. Поэтому на парусных судах паруса шьются и настраиваются так, чтобы они имели небольшой твист — закручивание относительно вертикальной оси. Благодаря этому сила ветра используется наиболее эффективно, что особенно критично в парусных гонках.

 

Паруса в XXI веке

Паруса, хотя и уступили свое место моторным судам, продолжают использоваться в XXI веке в спорте, развлечениях и экологически устойчивых проектах. В этой статье мы рассмотрим современные тенденции и инновации в области парусного дела, а также значимые события и фигуры XXI века.

Яхт-спорт и регаты

Парусный спорт остается популярным видом активного отдыха и соревнований. В XXI веке проводятся множество регат, таких как:

• America’s Cup: одна из самых старых и престижных регат, основанная в 1851 году. Последняя регата прошла в 2021 году в Окленде, Новая Зеландия.
• Vendée Globe: одиночная кругосветная гонка без остановок, проходящая каждые четыре года. В 2020-2021 годах Французский яхтсмен Янник Беставен победил на яхте «Maître CoQ IV».
• Volvo Ocean Race: кругосветная гонка с командными экипажами, которая проходит каждые три года. В 2017-2018 годах победила команда «Dongfeng Race Team».

Инновации и экологически устойчивые проекты

В XXI веке разработаны новые технологии и концепции парусов, которые способствуют повышению эффективности и экологической устойчивости:

• Rigid Wing Sails (жесткие крылатые паруса): используются в спортивных яхтах и катамаранах, таких как те, что участвуют в America’s Cup, для повышения скорости и маневренности.
• SkySails: компания SkySails разрабатывает системы парусов-змеев для морских судов, позволяющие снизить расход топлива на 10-35%. Система была успешно протестирована на судах различных классов, включая грузовые суда и рыболовные суда.
• Windship Technology: британская компания, разрабатывающая концепцию «треугольных парусов» для снижения выбросов парниковых газов в морской перевозке. Это новаторская концепция, направленная на снижение углеродного следа морского транспорта.

Образование и культурное наследие

В XXI веке парусные суда также служат образовательным и культурным целям:

• Tall Ships Races: международные регаты для парусников, организованные Sail Training International с целью образования и развития молодежи. Участие в регатах позволяет молодым людям ознакомиться с историей парусного дела и научиться работе на парусных судах.
• Восстановленные исторические корабли: множество исторических парусных кораблей, таких как «Клиппер Cutty Sark» и «USS Constitution», восстановлены и открыты для посещения публики, что дает возможность ознакомиться с историей парусного дела и мореплавания.
• Музеи и выставки: по всему миру существуют музеи и выставки, посвященные парусному спорту и истории парусных судов, такие как Морской музей в Стокгольме и Музей мореплавания в Гринвиче.

Прогресс современных технологий

овременные технологии значительно повлияли на развитие парусов, делая их более эффективными, прочными и удобными в использовании. В этой статье мы рассмотрим основные направления прогресса современных технологий в области парусного дела.

Материалы парусов

Новые материалы, такие как кевлар, карбон и дайнима, применяются для изготовления парусов. Они обеспечивают высокую прочность, устойчивость к износу и ультрафиолетовому излучению. Это позволяет сделать паруса более легкими и долговечными, что увеличивает скорость и производительность судов.

Компьютерное проектирование и аэродинамика

Современное компьютерное проектирование и аэродинамический анализ позволяют создавать паруса с оптимальным профилем и геометрией. Это обеспечивает максимальную эффективность при разных углах атаки ветра, увеличивая скорость и маневренность судна.

Жесткие крылатые паруса

Жесткие крылатые паруса представляют собой альтернативу традиционным мягким парусам. Они обеспечивают лучшую аэродинамику и позволяют судам достигать высоких скоростей. Такие паруса используются в спортивных яхтах и катамаранах, в том числе в соревнованиях America’s Cup.

Экологически устойчивые решения

Современные парусные технологии также предлагают экологически устойчивые решения для морского транспорта. Например, компания SkySails разрабатывает системы парусов-змеев для грузовых судов, позволяя снизить расход топлива на 10-35%. Это снижает выбросы парниковых газов и уменьшает углеродный след морского транспорта.