Сказка золотой ключик, или приключения буратино - алексей николаевич толстой. Самый знаменитый шарманщик

Однажды, сидя у костра, два моих знакомых ученых - физика заспорили об утверждении одного из них, что буер (это такая доска с парусом на коньках) способен двигаться со скоростью до 100км/час, что значительно быстрее ветра, который дует в тот момент. Чтобы подтвердить или опровергнуть это утверждение, они пару часов выводили разные формулы, выпили пол-литра и пришли к выводу, что это невозможно. А я сделал вывод, что мало кто толком понимает, как работают паруса , поскольку это не просто невозможно, а вполне реальный факт, и я вам сейчас открою секрет , которого не знают даже кандидаты наук.

Сначала представим, что мы на свою лодку поставили мачту, сверху прикрепили горизонтальную палку – рею, на нее привяжем квадратное полотнище, за нижние углы полотнища привяжем веревочки и закрепим их на палубе, тогда получим самое древнее парусное вооружение, типа всем известного золоторунного «Арго». Направим лодку так, чтобы ветер дул в корму, парус поставим перпендикулярно ветру и линии движения. Тогда ветер будет давить на парус с силой СВ (сила ветра), лодка, особенно ее подводная часть, будет сопротивляться движению с силой ЛС (лобовое сопротивление), а сила тяги Т при этом, безусловно, будет равна СВ - ЛС. (рис. 1а). Стоит ли разъяснять, что лодка с таким парусом действительно никогда не сможет плыть быстрее ветра.

Тут вдруг мы увидели слева по-борту удобную бухту с пивной у причала и повернули влево на 45 градусов. Что произойдет? Надо вспомнить про вектора – кто не помнит – это такие отрезки со стрелками на схематическом чертеже, длина отрезка выражает величину силы, стрелочка – направление действия этой силы, а выходит этот отрезок из усредненной точки приложения этой силы (из центра тяжести или из центра парусности). Если парус оставить по-прежнему перпендикулярно ветру (так эффективнее – будет больше ветра ловить), то сила СВ будет прежней (рис.1б) .

Предположим, что сила ветра, действующая на парус нашей площадью равна 10 кг., тогда наш вектор будет направлен перпендикулярно парусу (вправо на 45градусов от линии движения) и длина вектора тогда будет 10 мм. И тащить нас будет туда-же, а не в бухту. Но нам-то нужно в бухту, что делать?

Попробуем разложить наш 10мм-вый вектор на два – один направлен в сторону бухты, другой перпендикулярно ему вправо. Геометрическим способом (можно на листочке в клеточку) определяем, что вектор в бухту будет 7,5мм.. значит сила прямо (СП) равна 7,5 кг. и вектор вправо тоже 7,5мм., а сила вбок (СБ) тоже 7,5кг. Вектор СВ исчезнет – мы его заменили на два других. Чтобы идти в бухту, надо вектор СБ «убить». Это просто – засунуть в воду киль, тогда сила бокового сопротивления (БС) скомпенсирует силу вбок, и останется одна – сила прямо. Если из нее вычесть силу лобового сопротивления ЛС то останется сила тяги Т. (Очевидно, что в этом случае она будет еще меньше, чем в первом случае, поскольку там мы вычитали ЛС из 10кг, а тут из 7,5кг.)

А если мы увидели, что поворота на 45 градусов для попадания в бухту мало, начинаем доворачивать еще левее. Чем больше мы доворачиваем, тем длиннее будет становиться вектор СБ и короче СП, а когда угол поворота достигнет 90 градусов, СБ станет 10мм, а СП – 0мм. И лодка остановиться. Если будем поворачивать дальше, то вектор СП поменяет направление назад. Выводы: Прямое парусное вооружение годится только для ветров попутных направлений . Сила, которая движет судно в выбранном направлении, всегда будет меньше давления ветра на такой парус, а значит и скорость судна будет всегда меньше скорости ветра.

Однажды какой-то древний безумный изобретатель, имя которого история не сохранила, взял и привязал один край полотнища не к горизонтальной рее, а прямо к вертикальной мачте (наверное, рея потерялась). Тогда веревочку наверху оказалось невозможно достать, он взял и отрезал кусок полотнища по диагонали, чтобы можно было прикрепить его к палубе одной веревочкой и парус превратился из квадратного в треугольный (косой) . Потом, нечаянно, заметил, что если повернуть парус не традиционно перпендикулярно к ветру, а ребром (мачтой) к ветру (а, вернее, наоборот – шкотовый угол отвести вправо, если ветер дует слева), то получается гораздо эффективнее. Тогда, очевидно, все это получилось случайно, но теперь мы стали умнее, поэтому сможем это объяснить и в этом, как раз и состоит вышеупомянутый великий секрет:

Если ветер дует не в полотнище, а в ребро паруса с определенным, небольшим углом (углом атаки), и если парус пошит соответствующим образом, то на парусе образуется «пузо» и профиль паруса станет похож на профиль самолетного крыла . При обтекании воздухом самолетного крыла, в результате возникновения давления снизу и разрежения сверху возникает подъемная сила . Все тоже происходит при обтекании ветром паруса вдоль полотнища, только подъемная сила направлена не вверх-вертикально, а вперед-горизонтально и больше реальной силы ветра в шесть! раз . Дальше по аналогии (рис.2) раскладываем силы на вектора, только вектор СВ будет уже не 10мм., а 60мм. И это в корне меняет картину. Становится понятно, что если убрать силу лобового сопротивления (как у буера), то скорость судна может быть в шесть раз быстрее ветра, если ветер дует сбоку.

На деле, конечно, такого усиления не происходит, потому, что на этот процесс влияет еще куча разных тормозящих явлений, но это уже целая наука, кому интересно, изучайте соответствующую литературу.

Сами треугольные паруса имеют тоже немало разновидностей. Связано это, как все в жизни, с законом – чем лучше одни качества, тем хуже другие. Точнее, чем парус и весь такелаж легче в изготовлении и проще в эксплуатации, тем он менее эффективен, и наоборот.

Во многом из-за этого, на небольших парусных судах применяют одновременно два основных треугольных паруса: грот - который крепиться своим передним краем (передней шкаториной) к мачте, а нижней шкаториной к гику; стаксель – который крепиться передней шкаториной к переднему тросу – растяжке мачты (штагу), гика не имеет, а натягивается веревкой от заднего угла (шкотом) к корпусу лодки. В чем разница?

Грот жестко растянут между мачтой и гиком, поэтому сохраняет свою форму даже при сильных ветрах. Но ветер, попадая на парус, огибает сначала мачту, где возникают тормозящие завихрения, к тому же не всегда может быть отпущен во флюгерное положение, поскольку ляжет гиком на ванты. Это может привести к неконтролируемому движению в узостях или у причала и является основной причиной переворота или поломки такелажа. Стаксель, не имея гика, наоборот, может быть всегда отпущен во флюгерное положение и даже использоваться для заднего хода, но подходящее растянутое положение ограничивается шириной корпуса. Не имея мачты на переднем ребре, гораздо более эффективен, но до некоторого предела – пока усилия не растянут трос-ванту в передней шкаторине или не согнут мачту – тогда «пузо» изменится и парус превратиться из движителя в тормоз. Вот и получается, что применяя два паруса, мы в зависимости от ветровых условий можем идти или на одном из них или на обоих сразу.

В заключение хочу посвятить несколько строк тем, кто хотел бы ходить под парусом, но кого останавливает неуверенность в том, что он сможет управлять парусным судном. Я сам через это прошел, заявляю, что бояться нечего. Если вы начнете где-то обучаться, или попробуете изучать яхтенное дело по литературе, то первое впечатление будет, что это целая наука, которую непросто освоить. Действительно, на первый взгляд это так, но это для тех, кто хочет выигрывать соревнования, ставить рекорды или путешествовать на крейсерской яхте по Средиземному морю. Вам, которым хочется походить под парусом на своем туристском, разборном судне по Днепру или какой-нибудь другой не очень экстремальной акватории, для начала достаточно нескольких простых правил , а дальше руководствуйтесь своим опытом, который наберется уже в первый день плавания.

Правило первое: парус всегда должен быть наполнен и не должен «полоскаться». Полоскающийся парус тормозит.

Правило второе: пузо паруса всегда должно торчать хоть немного, но вперед, чтобы равнодействующая всех сил была направлена в сторону движения.

Правило третье: чем меньше угол к ветру, тем больше подъемная сила, а силы, бесполезно перегружающие конструкцию меньше.

Правило четвертое: прежде, чем поднимать паруса, не забудьте опустить шверт и руль (если они подъемные).

Правило пятое: Никогда не забывайте о мерах безопасности (спасжилет в первую очередь). Помните – тонут чаще те, кто хорошо умеет плавать.

Теперь предлагаю алгоритм действий тем, кто первый раз вышел на воду с парусом, не имея никакого практического и теоретического опыта:

Убедитесь, что ветер не очень сильный (по крайней мере, для первого раза пусть на волнах не будет барашков), наденьте спасжилеты, определите направление движения для первого раза лучше примерно под 90 градусов к ветру (вопреки пословицам, с боковым ветром ходить легче, чем с попутным). Отгребите на веслах подальше от берега, хотя-бы метров на 50-100.

Опустите шверт (подветренный шверц) и руль. Выставьте судно носом к ветру и поднимите грот (при подъеме на ветру, грот будет затирать по мачте, бывает так сильно, что поднять невозможно). Грота-шкот при этом пусть висит свободно. Теперь веслом разверните судно в сторону выбранного направления движения. Грот при этом развернется по ветру, как флюгер (Опытные яхтсмены отходят от причала и разворачиваются с помощью стакселя). Возьмите в правую руку румпель руля, а в левую конец грота-шкота. Потяните за этот конец, лучше предварительно перехлестнув его через какую- нибудь подходящую часть судна, если специальные устройства не предусмотрены, пока парус не надуется. Тут вы почувствуете усилия на шкоте и на румпеле, судно приобретет ход. Скорректируйте рулем выбранный курс, лучше взяв в «прицел» какой – нибудь железяки на носу подходящий ориентир. Подтягивая и отпуская шкот, расположите грот так, как, по вашему мнению, быстрее идет судно. Закрепите шкот на ту же часть конструкции легкосбрасывающимся узлом (шкотовым или просто на бантик).

Двигайтесь прямо, пока не осмелеете. Потом попробуйте несильно поворачивать рулем влево-вправо. Видите – судно маневрирует, даже если парус закреплен в одном положении? Теперь отпустите узел шкота, возьмите шкот в руку и попробуйте поворачивать рулем более круто, отпуская или подтягивая шкот для корректировки положения паруса. Теперь снова закрепите грота-шкот и поднимите стаксель. Это можно делать и на ветру, поскольку стаксель ползет не по мачте, а по штагу и не затирает. Правда, если у вас нет устройств, позволяющих сделать это не вставая с места, придется попросить матроса. Когда стаксель поднят, так-же потяните стаксель-шкот, пока парус не надуется и не установиться в устойчивом положении – примерно параллельно гроту, и тогда стаксель можно тоже закрепить.

Чтобы затормозить, надо обезветрить паруса. Со стакселем это просто – отпустить шкот, он и заполощет. С гротом сложнее – он может лечь гиком на ванту и не обезветрится. Поэтому, отпустив узел, возьмите грота-шкот в руку и постепенно отпускайте. Если видите, что гик ложиться на ванту – подверните носом против ветра.

В результате этих нехитрых действий, вы научитесь трогаться с места, поворачивать и тормозить . Дальше, как и в любом транспортном средстве – дело техники.

Каким образом движется парусное судно? Очевидно, что причиной движения является давление ветра на парус. Но, что удивительно, парусное судно может двигаться не только в ту сторону, куда дует ветер, но и в противоположную (ну, почти в противоположную, под острым углом, меняя галсы, но тем не менее перемещаясь против движения ветра). Каковы же физические принципы движения судна против ветра?

Рассмотрим силы, действующие на яхту, идущую под парусом под острым углом к ветру. Сила, действующая на паруса, может быть разложена на силу, которая вызывает крен и снос яхты под ветер, - силу дрейфа и силу тяги (см. рис). Посмотрим, как определяется полная сила давления ветра на паруса и от чего зависят силы тяги и дрейфа.

Чтобы представить работу паруса на острых курсах, удобно вначале рассмотреть плоский парус, который испытывает давление ветра под определенным углом атаки. В этом случае за парусом образуются завихрения, на наветренной стороне его возникают силы давления, на подветренной - силы разрежения. Их результирующая R направлена примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Для правильного понимания работы паруса ее удобно представить в виде равнодействующей двух составляющих сил: Х-направленной параллельно воздушному потоку (ветру) и Y-перпендикулярной ему.

Сила X, направленная параллельно воздушному потоку, называется силой лобового сопротивления; она создается, кроме паруса, еще и корпусом, такелажем, рангоутом и экипажем яхты.

Сила Y, направленная перпендикулярно воздушному потоку, называется в аэродинамике подъемной силой. Она на острых курсах создает тягу в направлении движения яхты.

Если при том же лобовом сопротивлении паруса Х подъемная сила увеличивается, например, до величины Y1, то, как показано на рисунке, равнодействующая подъемной силы и лобового сопротивления изменится на R и соответственно сила тяги Т увеличится до Т1.

Зависимость сил тяги и дрейфа от подъемной силы и лобового сопротивления паруса

Из этого чертежа видно, что с увеличением лобового сопротивления Х (при той же подъемной силе) тяга Т уменьшается.

Таким образом, есть два пути увеличения силы тяги, а следовательно, и скорости хода на острых курсах: увеличение подъемной силы паруса и уменьшение лобового сопротивления паруса и яхты.

В современном парусном спорте подъемную силу паруса увеличивают придавая ему вогнутую форму с некоторой «пузатостью»: размер от мачты до наиболее глубокого места «пуза» обычно составляет 0,3-0,4 ширины паруса, а глубина «пуза»-около 6-10% ширины. Подъемная сила такого паруса на 20-25% больше, чем совершенно плоского почти при том же лобовом сопротивлении. Правда, яхта с плоскими парусами идет чуть круче к ветру. Однако с «пузатыми» парусами скорость продвижения в лавировку больше благодаря большей тяге. Заметим, что у пузатых парусов увеличивается не только тяга, но и сила дрейфа, а значит, крен и дрейф яхт с пузатыми парусами больше, чем со сравнительно плоскими. Поэтому «пузатость» паруса больше 6-7% при сильном ветре невыгодна, так как увеличение крена и дрейфа приводит к значительному повышению сопротивления корпуса и снижению эффективности работы парусов, которые «съедают» эффект увеличения тяги. При слабых ветрах лучше тянут паруса с «пузом» 9-10%, так как из-за малого общего давления ветра на парус крен невелик.

Русский поэт Михаил Юрьевич Лермонтов любил море и в своих произведениях часто упоминал о нем. Он написал замечательное стихотворение о белеющем парусе , который мчится среди волн в далеких морских просторах. Наверное, тебе знакомо лермонтовское стихотворение, ведь это самые известные стихотворные строчки о парусниках. Читая их, можно представить бушующее море и красивые корабли среди его волн. Ветер надувает паруса. И, благодаря силе ветра, корабли движутся вперед. Но как парусникам удается плыть против ветра?

Для того, чтобы на это ответить, тебе сначала придется выучить незнакомое слово «галс» . Галсом называется направление движения судна относительно ветра. Галс может быть левым, когда ветер дует слева, или правым, если ветер дует справа. Важно знать и второе значение слова «галс» – это часть пути, вернее, его отрезок, который проходит парусник, когда движется против ветра . Запомнил?

Теперь, чтобы понять, как парусникам удается плыть против ветра, разберемся с парусами. Они на паруснике бывают разных форм и размеров – прямые и косые . И каждый выполняет свою работу. Когда дует встречный ветер, корабль управляется с помощью косых парусов, которые поворачиваются то в одну сторону, то в другую.

Вслед за ними и судно поворачивается в ту или другую сторону. Поворачивается и идет вперед. Моряки называют такое движение – движением переменными галсами . Его суть состоит в том, что ветер давит на косые паруса и сносит судно слегка вбок и вперед. Руль парусника не дает ему полностью повернуться, да и умелые матросы вовремя приводят в движение паруса, меняя их положение. Так, небольшими зигзагами, и движется вперед.

Конечно, движение переменными галсами – очень трудное дело для всей команды парусника. Но матросы – закаленные ребята. Они не боятся трудностей и очень любят море.