3.1.2. Подъёмная сила и лобовое сопротивление паруса

Простейшей моделью работы паруса является обтекание плоской пластины, изображённое на рис. 3.2. Однако в результате действия разности давлений по сторонам материала паруса он теряет плоскую форму и образует в сечении плавно изогнутый профиль. Это изменение формы натянутой парусины является полезным эффектом, так как в результате плавного обтекания воздухом образуется меньше завихрений чем на плоской пластине, и подъёмная сила на парусе возрастает за счёт падения давления при обтекании воздухом выпуклой поверхности, как то объяснено в предыдущем параграфе. Чем меньше при этом образуется вихрей, тем на большей части паруса происходит плавное обтекание подветренной выпуклой стороны, и тем бóльшая образуется разность давлений, приводящая к бóльшей подъёмной силе. Что касается силы лобового сопротивления, то она от выдувания плоской поверхности практически не зависит.

Распределение сил трения, давления и разряжения по поверхности реального паруса показано на рис. 3.4.

Рис. 3.4.

Суммарная результирующая аэродинамическая сила на парусе правильной формы имеет бóльшую величину и направлена более перпендикулярно к ветровому потоку, чем аэродинамическая сила на плоской пластине. Отклонение поверхности паруса от плоскости под ветер называется пузом паруса и является одной из важнейших характеристик конструкции паруса, которая влияет на его качество и способность обеспечить надлежащую тягу в нужном направлении.

Главным же образом величина и направление аэродинамических сил на парусе зависит от его положения относительно потока воздуха, которое характеризуется углом атаки α (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5.

Даже при очень малых углах атаки, и при α =0˚, на профиле, имеющем аэродинамическое пузо, как мы видели на рис. 3.3, развивается определённая подъёмная сила, которая тем больше, чем больше величина пуза. Но реальные мягкие паруса на углах атаки около 0˚ не сохраняют аэродинамической формы, а начинают заполаскивать, что приводит к почти полной потере подъёмной силы при сохранении и даже увеличении силы лобового сопротивления (рис. 3.5 а). При увеличении угла атаки до 10˚ - 15˚ подъёмная сила резко увеличивается, в то время как лобовое сопротивление остаётся практически на исходном уровне. В диапазоне углов атаки 20˚ - 30˚ подъёмная сила перестаёт расти, но начинает сильно расти лобовое сопротивление, и результирующая суммарная сила увеличивается. Для некоторых типов парусов суммарная сила принимает наибольшее значение при углах атаки 30˚ - 50˚, но направлена она уже в большей степени не поперёк, а вдоль потока воздуха при снижении подъёмной силы. И наконец, при 50˚ - 90˚ подъёмная сила постепенно исчезает, а лобовое сопротивление слабо возрастает, достигая максимума. Однако общая сила при этом имеет тенденцию к снижению из-за исчезновения подъёмной силы.

Изображать зависимость от угла атаки сил, действующих на парус, удобно на специальном графике, называемом полярой (рис. 3.6).

Рис. 3.6.

На нём каждая точка кривой имеет горизонтальную координату, равную лобовому сопротивлению Х, вертикальную координату, равную подъёмной силе Y, а значение угла атаки нанесено на самой кривой. Для сравнения эффективности парусов различного размера на поляре показывают не абсолютные значения сил (в килограммах), а величины, отнесённые к площади паруса. В качестве таких величин приняты коэффициенты аэродинамических сил, показывающие, какая доля энергии потока, падающего на единицу поверхности паруса, преобразуется в ту или иную составляющую суммарной силы. Различают: коэффициент результирующей силы С_R, коэффициент подъёмной силы С_Y и коэффициент лобового сопротивления С_Х. Вспоминая, что плотность кинетической энергии потока равна  ½ ρ

V² , где ρ – плотность воздуха, V – скорость потока, мы можем написать выражения для расчёта абсолютных значений аэродинамических сил:

тяга  R = С_R ½ ρ V² S

лобовое сопротивление                Х = С_Х ½ ρ V² S

подъемная сила                  Y = С_Y ½ ρ V² S

На рис. 3.6 показаны примеры поляр для различных парусов и самолётного крыла. Из сравнения графиков мы можем сделать следующие выводы:

а) Жёсткое самолётное крыло сохраняет подъёмную силу при малых (меньше 5˚) и даже небольших отрицательных углах атаки, там где мягкий парус работать не может. При этом лобовое сопротивление крыла существенно меньше, чем достижимо для паруса. Следовательно, если бы судно было оборудовано жёстким крылом, то при слишком сильном ветре, когда уже необходимо убирать паруса, жёсткое крыло могло бы быть поставлено в такое положение, что ветер на него не оказывал бы чрезмерного воздействия.

б) При углах атаки вплоть до 20˚ крыло имеет бóльшую подъёмную силу чем парус.

в) Правильно сконструированный парус может обеспечить бóльшую величину аэродинамических сил, чем типичное самолётное крыло равной площади.

г) Наибольшие значения аэродинамических сил паруса достигаются при бóльших значениях угла атаки чем у самолётного крыла.

д) Паруса современных яхт (бермудские) эффективнее, чем классические типы парусов времён парусного флота (плоский гафельный парус).

е) Плоская пластина является наихудшим типом паруса.

Объяснение этих выводов, а также факторы, влияющие на эффективность паруса, рассматриваются в следующем разделе.