Многие прекрасные клиперы намеренно делали большие петли в океане в погоне за нужным попутным ветром. Один из основных маршрутов парусных судов в Южном полушарии пролегал от мыса Доброй Надежды через южные районы Тихого океана к Австралии и дальше – к знаменитому мысу Горн в Южной Америке. Суда шли, таким образом, все время на восток, используя попутные западные ветры, обычные в высоких южных широтах, и часто достигали скорости 16 или 17 узлов даже при малоэффективных прямых парусах. Для них было бы почти невозможно идти под парусом в противоположном направлении.
Эта диаграмма показывает, как мало парус сопротивляется напору ветра (А), пока он не закреплен шкотом (В), что разбивает поток воздуха и создает движущую силу
Изобретение носового и кормового парусов, позволяющих судну продвигаться навстречу ветру, совершило революцию в парусном мореходстве. Хотя движение прямо против ветра осталось по-прежнему невозможным, такой тип паруса позволяет яхтам с высокими гоночными качествами идти под острым углом к направлению ветра и таким образом продвигаться навстречу ветру.
Идя под острым углом к ветру сначала одним бортом, а затем другим, яхта может достичь нужной точки, которая находится прямо против ветра – эта техника называется сменой галса или лавировкой (см. с. 47).
Насколько острый угол для движения против ветра может выбирать экипаж, зависит в основном от ее проекта и кроя парусов.
Мастерство изготовителя парусов высоко ценится и во многом определяется остротой этого угла; этот показатель называется лавировочным углом. Крейсерские яхты с парусами среднего кроя могут идти под углом меньше 45° к ветру, а яхты с высокими гоночными качествами, такие, как огромные яхты, участвующие в соревнованиях за Кубок Америки, с точно скроенными (и очень дорогими) парусами, могут двигаться под гораздо более острым углом к ветру.
Чтобы понять, как парус преобразует энергию ветра и тянет лодку вперед, мы должны сначала рассмотреть форму паруса, а также траекторию обтекания его ветром. Большинство носовых и кормовых парусов кроятся и шьются так, чтобы они имели форму, напоминающую аэродинамическую поверхность крыла самолета, – действительно, парус во многом работает по тому же принципу, что и крыло. Главное различие между ними состоит в том, что крыло крепится горизонтально и получает подъемную силу из обтекающего воздуха, а парус крепится вертикально и получает из воздуха силу, толкающую вперед.
Если бы парус был плоским и равномерно рассекал воздух, тогда не происходило бы и движения вперед, потому что воздух обтекал бы его одинаково со всех сторон. Но поскольку ему придается аэродинамическая форма, воздух с наружной стороны изгиба движется быстрее, чем с внутренней стороны. Более быстрый поток воздуха с наружной стороны создает эффект водоворота, который стремится «всосать» изгиб. В случае с крылом самолета это всасывание тянет крыло (и поэтому весь самолет) вверх. В случае с яхтой оно тянет парус (и судно) вперед.
(Чтобы лучше понять это, представьте себе строй солдат, поворачивающих за угол здания. Солдат, находящийся в ближайшей к углу точке, практически остается на месте, едва движется, в то время как солдат в самом дальнем ряду должен почти бежать, чтобы сохранить строй.)
Чтобы ускорить воздушный поток с наружной стороны изгиба и увеличить эффект водоворота, чаще всего используется перекрывающий парус, создающий «щелевой эффект» между парусами. Наиболее распространенный вид оснастки на современных парусных судах – носовой парус, или стаксель, перекрывающий грот так, чтобы образовалась щель (см. с. 33).
Так как парус имеет форму крыла самолета, воздух движется быстрее с наружной стороны изгиба, создавая водоворот, толкающий лодку вперед
Ветер оказывает давление на всю поверхность паруса, но при теоретических расчетах точкой приложения силы принято считать его центр. Эта точка определяется делением пополам трех углов паруса. Место пересечения биссектрис и есть точка, к которой, как принято считать, приложена сила ветра; она называется центром парусности. В результате давления на паруса возникает движение в двух направлениях – вперед и в сторону. Но требуется только движение вперед, а не в сторону, поэтому необходимо применять некоторые средства для преобразования бокового движения в тягу, направленную вперед.
Центр бокового сопротивления
Некоторые швертботы, такие, как «Laser» или «Morh», имеют плоское днище, и давление ветра в центре парусности заставляет их скользить в сторону по поверхности воды. Чтобы противодействовать этому, под корпусом вертикально вниз опускается выдвижной киль для создания сопротивления боковому движению.
Большие яхты имеют один или несколько килей, выступающих под корпусом и направленных вниз для противодействия боковому дрейфу. Как и у паруса, у киля (выдвижного и стационарного) есть условная точка приложения силы сопротивления. Она называется центром бокового сопротивления. Когда ветер толкает судно в сторону в центре парусности, а вода противодействует этому в центре бокового сопротивления, на лодку воздействуют две силы – примерно таким же образом, как указательный и большой пальцы сжимают косточку апельсина. Подобно косточке, яхта устремляется вперед, преобразуя указанные силы в движение (см. рисунок вверху). Это самое простое объяснение того, почему яхта движется против ветра или в любую другую сторону.
Две силы, давление ветра на паруса и давление воды на киль (боковое сопротивление), вместе создают тягу вперед
Разумеется, во время движения при попутном ветре нет никакого бокового дрейфа, просто ветер толкает яхту вперед. (Вот почему выдвижной киль обычно поднимается, когда плоскодонка идет при попутном ветре.)
Часть корпуса, расположенная выше ватерлинии, называется палубой, надводным бортом. Другая, та, что находится ниже ватерлинии, именуется смоченной поверхностью. Киль является главным фактором, влияющим на гоночные качества яхты, но и другие части смоченной поверхности также имеют значение. По этой причине конструктор использует все доступные средства для ускорения движения вперед, то есть улучшения ходовых качеств судна; для этого он изменяет форму корпуса ниже ватерлинии.
В результате парусные суда существенно различаются по форме и конструкции подводной части. У некоторых узкий нос, дающий корпусу возможность легко разрезать воду; другие снабжены отвесным носом для расширения внутреннего пространства. Рули также различаются по форме, в зависимости от назначения судна; на некоторых яхтах устанавливаются даже двойные рули.
Традиционный длинный киль
Плавниковый киль и отдельный руль
Скеговый киль и отдельный руль
Форма киля и тип корпуса варьируются в зависимости от назначения судна. V некоторых крейсеров широкий корпус с минным глубоким килем (вверху) для надежной остойчивости, а гоночные яхты (внизу) имеют узкий корпус, позволяющий скользить по воде
Но, без сомнения, основным фактором (подводным), влияющим на ходовые качества яхты, является тип установленного киля. Существуют кили плавниковые, длинные, глубокие, выдвижные; все они нужны для создания максимального бокового сопротивления, с одной стороны, и сведения колебаний воды к минимуму – с другой.
Мощные гоночные яхты обычно снабжаются тонким узким килем, что позволяет им быстро скользить по воде и быстро поворачивать в нужную сторону.
Океанским крейсерским судам требуется другой киль – для движения по большим волнам. Это длинный и глубокий киль, часто довольно протяженный; он придает судну остойчивость, и яхта хорошо слушается руля на высоких волнах.
Швертботы не ходят в открытое море, они сконструированы для гонок в гаванях и дельтах рек. Поэтому у них тонкие плавниковые кили, как у гоночных яхт; дополнительное преимущество заключается в том, что это выдвижные кили, которые можно выдвигать на разную глубину для хождения под парусом или убрать совсем на берегу. Боковое сопротивление киля (стационарного или выдвижного) достигает максимума, когда он опущен вертикально под лодкой, то есть когда судно не имеет крена, а киль выдвинут полностью.
Когда яхта кренится под ветром, воздействие киля на ее движение уменьшается: во-первых, он поднимается относительно своего самого глубокого положения; во-вторых, поверхность киля оказывается под углом к напору воды и оказывает ему меньшее сопротивление.
