Vysoce výkonná plavba - High-performance sailing

18 stop skif v Přístav Kiel

Vysoce výkonná plavba je dosaženo s nízkým dopředným povrchovým odporem - na který naráží katamarány, plachetní křídlové lodě, ledové čluny nebo pozemní plavba plavidlo - protože plachetní plavidlo získává hnací sílu svými plachtami nebo křídly při rychlostech, které jsou často rychlejší než vítr na obou stranách větru i větru. Rychlejší plavba než vítr znamená, že zdánlivý úhel větru zaznamenaný na pohybujícím se plavidle je vždy před plachtou.[1] To vygenerovalo novou koncepci plachtění, nazvanou „zdánlivá plavba větrem“, která pro své odborníky zahrnuje novou sadu dovedností, včetně připevňování na závětrné body plachty.[2]

Dějiny

Frank Bethwaite nabízí následující chronologii klíčových pokroků v technologii plachtění, která poskytla základní prvky vysoce výkonného plachtění:[2]

  • 1900: Vznikal pohyblivý štěrk a hoblovací trupy.
  • 60. léta 20. století: Byly vyvinuty pružné stožáry, ovládací prvky tvarující plachty a znalosti o využití větrných posunů v závodech.
  • 70. léta: Výkonné soupravy, včetně křídlové plachty, kompenzováno lichoběžníkem posádky z regálů nebo křídel, umožňovalo plavbu rychleji než vítr a vítr po větru.

Vysoce výkonné plachetní plavidlo

Plachtění Oracle křídlové křídlo katamarán s křídlo v Americkém poháru 2013

Mezi vysoce výkonná plavidla, která mohou překonat rychlost skutečného větru, patří plachetní katamarány a plachetní plachetní plavidla. Ledové čluny a plavidla na pevnině to často dokážou. Jsou tu také větrná vozidla které mohou cestovat rychleji než vítr, jako je například rotor Kos, které jsou mimo rozsah tohoto článku.

Čluny

Začíná ca. 1975, 18 stop skifů plavili po větru rychleji než rychlost větru. To znamenalo, že se museli raději otáčet, než aby se radovali.[3] Mezi další skify, které mohou plout rychleji než vítr, patří 29er, a 49er, oba navrhli Julian Bethwaite.[4]

Multihulls

V roce 2013 byla pro americký pohár vyhlášena nová třída katamaránů, které mohou dosáhnout více než dvojnásobné rychlosti větru.[5] The katamarány používané pro Americký pohár 2013 Očekávalo se, že se budou plavit po větru 1,2krát rychleji než skutečný vítr a po větru 1,6krát rychleji než skutečný vítr.[6][7][8] Ukázalo se, že jsou rychlejší, v průměru asi 1,8násobek rychlosti větru s vrcholy mírně přes 2,0.[9]

The Extrémní 40 katamarán může plout rychlostí 35 uzlů (65 km / h; 40 mph) ve větru o rychlosti 20–25 uzlů (37–46 km / h; 23–29 mph).[10] Vysoký výkon Mezinárodní katamarán třídy C. může plout dvojnásobnou rychlostí větru.[11]

Křídlové profily

Existuje mnoho druhů plachtění křídlové lodě. Příklady monohull zahrnují Mezinárodní můra, Laser, a AC75. Americký pohár katamarány používají křídlové křídla od roku 2013.[12] Mezi další zmařené katamarány patří třída A,[13] Třída C,[14] Nacra 17, Nacra F20,[15] a GC32.[16]

V roce 2009, křídlové křídlo trimaran, Hydroptère, nastav svět rychlostní plachetnice na vodě rychlostí 50,17 uzlů (92,9 km / h) a plavící se přibližně 1,7násobkem rychlosti větru.[17][18] Koncem roku 2012 Plachetnice Vestas 2 dosáhl nového přímého světového rychlostního rekordu 65,45 uzlů (121,2 km / h) na vodě, přibližně 2,5násobkem rychlosti větru.[19]

Ledové čluny

Ledové čluny na řece Hudson v New Yorku ve druhé polovině 19. století dosahovaly délky 21 metrů a plavily se rychlostí 172 km / h, což je rekord převyšující jakoukoli jinou dopravu v roce 1885. , nastaveno Rampouch. Návrhy ledových člunů z poloviny 20. století se obvykle skládají z trojúhelníkového nebo křížového rámu, podporovaného třemi čepelemi brusle zvanými „běžci“, s běžecem řízení vpředu. Běžce jsou vyrobeny ze železa nebo oceli s naostřenými hranami, které drží na ledu a zabraňují sklouznutí do strany z boční síly větru v plachtách, jak se vyvíjejí pohonný výtah. Vzhledem k jejich nízkému dopřednému odporu mohou ledové čluny obvykle plout pětkrát až šestkrát rychleji než vítr.[3] Klasické ledové lodě a skejtáři dosáhly rychlosti 160–240 km / h 100–150 mil za hodinu. Rychlost záznamu platí pro Skeetera: Das Boot, 250,9 mil za hodinu (250,9 km / h)[20] a pro klasický ledový člun: Debutaunte, 143 mil za hodinu (230 km / h).[21][22]

Pozemní plachetnice

Plavbou po větru po 135 ° od větru, a pozemní plachetní plavidlo může plout mnohem rychleji než vítr.[23] The rychlost byla dobrá po větru je často dvakrát rychlejší ve srovnání se stejným plavidlem plujícím přímo po větru.[23] V roce 2009 byl plachetním plavidlem vytvořen světový pozemní rychlostní rekord pro vozidlo poháněné větrem, Greenbird, plavící se asi trojnásobnou rychlostí větru[24] se zaznamenanou nejvyšší rychlostí 202,9 kilometrů za hodinu (126,1 mph).[25]

Jiná vysoce výkonná plachetnice

Zdánlivá plavba větrem

Zatímco ledové čluny dokázaly překonat rychlost větru jak po větru, tak po větru po celé století, tato schopnost se stala rutinou až s vývojem 18 stop skifů ve třetí čtvrtině 20. století, kdy se jejich rychlost ztrojnásobila oproti rychlosti v padesátých letech . Řemesla, která plují rychleji než rychlost větru, po větru i po větru, jsou schopna se otáčet po větru, protože zdánlivý vítr je vždy před stožárem. To vedlo ke konceptu „zdánlivé plavby větrem“.[3]

Zdánlivý vítr

Hlavní článek: Zdánlivý vítr
Zdánlivý vítr, VA„Na ledovém člunu: Když se člun plaví dále od větru, zjevný vítr se mírně zvyšuje a rychlost lodi je nejvyšší na širokém dosahu (C). Kvůli malému β, plachta je plachta pro všechny tři body plachty.

Zdánlivý vítr je rychlost větru (směr a rychlost), VA, měřeno na palubě pohybujícího se plachetnice; je to čistý efekt (vektorový součet ) z lodní vítr, VB—Proud vzduchu nad plavidlem vyvolaný jeho rychlostí nad zemí (rovný velikosti, ale opačný ve směru k rychlosti plavidla) —and pravý vítr, VT. Zdánlivý vítr měřil na palubě plavidla poháněného energií, pohybujícího se v klidných podmínkách, VT = 0 uzlů, by pocházelo přímo zepředu a rychlostí, která je stejná jako rychlost lodi přes dno (VA = VB + 0 = V.B). Pokud se plavidlo pohybuje na VB = 10 uzlů při zadním větru VT = -5 uzlů, zažívá zdánlivý vítr VA = 5 uzlů přímo na přídi (VA = VB + VT = 10 - 5). Zdánlivý vítr stacionárního plavidla je skutečná rychlost větru. Pokud plavidlo postupuje pod úhlem 90 ° ke skutečnému větru VT = 10 uzlů, sám se pohybuje rychlostí vyvolávající VB = 10 uzlů, pak by zdánlivý úhel větru byl 45 ° od přídě a zdánlivá rychlost větru by byla asi 14 uzlů, počítáno jako: odmocnina [(VB )2 + (V.T )2] = druhá odmocnina [102 + 102] = 14,14. Vzhledem k tomu, že se plavidlo stává rychlejším než skutečný vítr, je zjevný vítr vždy před plachtou.[26]

Když je úhel tažení trupu zanedbatelný, vzorce pro výpočet VA a β jsou:[27]

  • PROTIA = druhá odmocnina {[VT cos (90 ° - skutečný úhel větru)]2 + [V.T sin (90 ° - skutečný úhel větru) + VB]2}
  • β = 90 ° - arktan {[VT sin (90 ° - skutečný úhel větru) + VB] / [VT cos (90 ° - skutečný úhel větru)]}

Sail power

Hlavní článek: Síly na plachty

Vytvoří se plachta výtah s dopředná pohonná složka a boční komponenta, založená na optimu úhel útoku to je omezeno zdánlivým větrem, VA, je dopředu a přibližně vyrovnán s plachtou.[28][29]

  • Rozklad síly větru působící na plachtu, generující vztlak.
    (FT = Celková aerodynamická síla, L = zdvih
    D = táhnout, α = úhel náběhu)

  • Přeměna výtahu na pohon.
    (FR = Pohonná síla, FLAT = Boční síla)

Věta Beta

β je zdánlivý úhel větru z kurzu nad vodou.[26]

Garrett představuje teorém beta (nebo teorém kurzu) jako způsob, jak pochopit, jak zjevný úhel větru vyplývá ze souhry mezi hnací silou větru a odporovou silou z vody (nebo tvrdého povrchu), výsledkem čistého účinku dvě protichůdné fólie, plachta ve vzduchu a kýl ve vodě. Když jeden vyřeší poměr výtah táhnout za každého v jeho médiu, výsledný pohyb plachetnice se vyřeší pod úhlem, beta (β), mezi zdánlivým větrem a tokem nad vodou. Trup (pod vodou) a plachetní souprava (nad vodou) mají každý úhel tažení vzhledem k médiu proudícímu kolem nich (voda nebo vzduch), jsou λ a αm v doprovodném diagramu. Součet těchto dvou úhlů tažení se rovná β, úhel mezi zdánlivým větrem a kurzem vyplul (β = λ + αm). Tato věta platí pro každý bod plachty. Malý β označuje vysokou účinnost a potenciál pro vysokou rychlost.[26] Jak se zvyšuje dopředná rychlost, β zmenšuje se; na plachetnicích s účinnými podvodními fóliemi úhel tahu trupu, λ, se zmenšuje se zvýšenou rychlostí, stává se zanedbatelným pro hydrofobační plavidla a v podstatě neexistuje pro ledové čluny a pozemní plachetnice.[30]

Zdánlivý limit úhlu větru

Celkový úhel tažení (β ≈ zdánlivý úhel větru) pro vysoce výkonná plachetnice jako poměr VB do VT v kurzu 135 ° od větru, dosaženého takovým plavidlem, jak je znázorněno.[3]

Za ideálních okolností povrchu bez tření a profilu křídla, který může vyvinout sílu, neexistuje teoretické omezení toho, jak rychle může plachetní loď cestovat od větru, protože zdánlivý úhel větru se stále zmenšuje. Ve skutečnosti účinnost plachtění i tření poskytují horní hranici. Rychlost je určena poměrem síly vyvinuté plachtou k síle ztracené různými formami odporu (např. Povrchový odpor a aerodynamický odpor). V ideálním případě je menší plachta lepší, protože rychlost se zvyšuje. Malá plachta bohužel snižuje schopnost plavidla - dokonce i ledového člunu - zrychlovat na vyšší rychlost než vítr. Hlavním omezením rychlosti ve vysoce výkonném plachetnici je tažení formy. Úsilí o překonání tohoto limitu je patrné ze zjednodušených trupů vysoce výkonných ledových člunů a ze zlepšení snížení odporu u hoblovacích člunů. Rychlý ledový člun může dosáhnout zdánlivého větru 7,5 ° a rychlosti šestinásobku skutečné rychlosti větru na kurzu, který je 135 ° od větru. Bethwaite navrhuje, že to může být praktický limit pro plavidlo poháněné plachtami.[3]

Body plachty

Hlavní článek: Bod plachty

The body plachty při kterých vysoce výkonné plachetní plavidlo může dosáhnout nejvyšší rychlosti a dosáhnout nejlepší rychlosti, která je dobrá v rozpětí kurzu mezi a dosah paprsku (90 ° k pravý vítr ) a a široký dosah (asi 135 ° od skutečného větru). Podle Bethwaite, který provedl srovnávací měření ve skutečném větru o rychlosti 15 uzlů (28 km / h; 17 mph), posunutí Řešení může dosáhnout rychlosti mírně vyšší než skutečný vítr a plout 30 ° od zdánlivého větru, zatímco hoblovací 18 stopový Skiff dosahuje rychlosti téměř 30 uzlů (56 km / h; 35 mph) při zdánlivém větru 20 ° a ledovém člunu může dosáhnout 67 uzlů (124 km / h; 77 mph) při zdánlivém větru 8 °.[2]

Při zjevné plachtění větrem je cílem udržet zdánlivý vítr co nejdále, jak je to prakticky možné, aby kurz plul, aby se dosáhlo nejrychlejšího kurzu, který byl k cíli dobrý. To vyžaduje plavidlo, které dokáže překonat skutečnou rychlost větru, a to jak po větru, tak po větru; to umožňuje, aby zdánlivý vítr zůstal v dostatečném předstihu před plachtami na plavebních kurzech, z nichž nejrychlejší jsou dosahy. Je třeba se vyhnout míření příliš daleko po větru, kde se zdánlivý vítr pohybuje za plachtou a rychlost klesá pod skutečnou rychlost větru, jak se trendy vyvíjejí od širokého dosahu k běžícímu náměstí (mrtvý vítr).[3]

Po větru

V závislosti na plachtěném plavidle se kurz, který se dostal do větru, může vyvíjet směrem od jeho nejbližšího bodu do větru, aby plavidlo umožnilo plout optimální rychlostí.[3] Bethwaite vysvětluje, že vysokorychlostní plachtění vyžaduje nezávislou činnost kormidla i hlavního listu, přičemž osoba u kormidla se vyhne reakci na poryvy a místo toho podle potřeby hlavní plachtu uvolnila, čímž zvýšila rychlost lodi, která byla v porovnání s předchozí technikou namířením plavidla více do větru.[4]

Bez větru

Podle Bethwaite vyžaduje plavba se skutečným větrem rychlostí vyšší než vítr (se zjevným větrem vpřed od plachty) jinou reakci na poryvy, než se dříve používalo. Zatímco tradiční námořník by mohl v poryvu reflexivně nasměrovat do zdánlivého větru, správná odpověď při plavbě z větru, rychlejší než skutečná rychlost větru, je vybočit z poryvu a směřovat více po větru. To má dvojnásobně příznivý účinek, protože zmírňuje sílu nárazu poryvu a umožňuje plavidlu plout ještě rychleji od větru.[4]

Viz také

Reference

  1. ^ Jobson, Gary (1990). Taktika mistrovství: Jak může někdo plávat rychleji, chytřeji a vyhrávat závody. New York: St. Martin's Press. str.323. ISBN  0-312-04278-7.
  2. ^ A b C Bethwaite, Frank (2007). Vysoce výkonná plavba. Adlard Coles Námořní. ISBN  978-0-7136-6704-2.
  3. ^ A b C d E F G Bethwaite, Frank (2008). Vyšší výkon plachtění. London: Adlard Coles Nautical. ISBN  978-1-4729-0131-6. OCLC  854680844.
  4. ^ A b C Bethwaite, Frank (12. 5. 2013). Technika rychlé manipulace. New York: A&C Black. str. 5–6. ISBN  978-1-4081-7860-7.
  5. ^ Jak jachty jdou rychleji než vítr Gray, R. The Telegraph 26. září 2013
  6. ^ „Koncepční dokument pravidel třídy Multihull AC34“ (PDF). 34. americký pohár. Citováno 2010-09-14.
  7. ^ „Nové vysoce výkonné jachty pro 34. americký pohár“ (PDF). 34. americký pohár. 2. července 2010. Citováno 2010-09-14.
  8. ^ Koncept monohull pro 34. americký pohár požadoval design, který by dosáhl 1,0krát skutečné rychlosti větru proti větru a 1,4krát proti větru, viz „Konceptový dokument třídy pravidel AC34 Monohull“ (PDF). 34. americký pohár. Citováno 2010-09-14.
  9. ^ „Emirates Team New Zealand gets leg up on ORACLE TEAM USA“. Úřad pro události amerického poháru 2012-13. 7. září 2013. Archivovány od originál dne 21. září 2013. Citováno 8. září 2013.
  10. ^ „About eXtreme 40“. eXtreme40. Archivovány od originál dne 12. 8. 2010. Citováno 2010-08-25.
  11. ^ „Okřídlený svět koček C“. Sail Magazine. Archivovány od originál dne 14. března 2010. Citováno 2010-08-25.
  12. ^ Clarey, Christopher (06.06.2016). "Plavba do historie amerického poháru v Chicagu". The New York Times. ISSN  0362-4331. Citováno 2020-08-03.
  13. ^ Griffits, Bob (11. února 2014). „Worlds @Takapuna: Day 1, Report by Bob Griffits | International A-Division Catamaran Association“. www.a-cat.org. Citováno 2020-08-02.
  14. ^ Block, Alan (22. září 2013). „Footing 'Little Cup' Cats set for Prestige Championship Class Trophy ''. www.yachtsandyachting.com. Citováno 2020-08-02.
  15. ^ McArthur, Bruce (2020). „Plachetnice Nacra 20“. sailboatdata.com. Archivováno z původního dne 27. července 2020. Citováno 27. července 2020.
  16. ^ „GC32s místo Extreme 40s“. www.extremesailingseries.com. Citováno 2020-08-02.
  17. ^ Rekord na 500 metrů byl 51,36 uzlů (95,12 km / h; 59,10 mph), dosažený ve 30 uzlech (56 km / h; 35 mph) větrech o Hydroptère, a křídlové křídlo trimaran viz „Hydroptère World Records“. Světová rada pro rychlostní rekord v plachtění. 23. září 2009. Citováno 2010-08-25.
  18. ^ „Oficiální webová stránka l'Hydroptère“. Citováno 2010-08-25.
  19. ^ „500 Meter Records“. Světová rada pro rychlostní rekord v plachtění.
  20. ^ Spectre, Peter H. (2006). Kniha dní námořníka, 2007. Dobbs Ferry, NY: Sheridan House. ISBN  1-57409-226-X. OCLC  173009383.
  21. ^ Dill, Bob (březen 2003), „Návrh plachetnice pro maximální rychlost“ (PDF), 16. sympozium plachetnic Chesapeake, Anapolis: SNAME
  22. ^ Smith, Doug (leden – únor 2004). Plachtění na pramenech z oceli. Skauting. Boy Scouts of America, Inc. str. 18–21.
  23. ^ A b Bob Dill (13. července 2003). "Často kladené otázky". North American Land Sailing Association. Citováno 2010-08-25.
  24. ^ Rekord byl 126 mph (109 kn; 203 km / h) s větry 30–50 mph (48–80 km / h), viz Bob Dill (5. dubna 2009). „Zpráva o měření pokusu o záznam rychlosti provedená Richardem Jenkinsem v Yacht Greenbird 26. března 2008“. North American Land Sailing Association. Citováno 2010-08-25.
  25. ^ Redaktoři (27. března 2009). „Větrné auto překonává rekord“. BBC New, Velká Británie. Citováno 2017-01-28.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  26. ^ A b C Garrett, Ross (1996). Symetrie plavby: Fyzika plavby pro jachtaře. Sheridan House, Inc. str. 268. ISBN  9781574090000.
  27. ^ McEwen, Thomas (2006). Boater's Pocket Reference: Váš komplexní zdroj pro lodě a plavbu. Anchor Cove Publishing, Inc. str. 182. ISBN  978-0-9774052-0-6.
  28. ^ Batchelor, G.K. (1967), Úvod do dynamiky tekutin, Cambridge University Press, s. 14–15, ISBN  978-0-521-66396-0
  29. ^ Klaus Weltner Srovnání vysvětlení aerodynamické zvedací síly Dopoledne. J. Phys. 55 (1), leden 1987, str. 52
  30. ^ Kimball, John (2009-12-22). Fyzika plachtění. CRC Press. ISBN  978-1-4200-7377-5.

externí odkazy