Влияние формы паруса на ходовые качества судов

Исследовательская работа

«Влияние формы паруса на ходовые качества судов»

     Выполнил: учащийся 8 класса

МОУ СОШ № 89

Исмагилов Ренат Маратович

Руководитель:

Булатова Оксана Георгиевна

учитель физики

МОУ СОШ № 89

Казань 2016 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ        

I.        ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        

1.1 Прямые паруса        

1.2        Косые паруса        

1.2.1.        Лати́нский па́рус        

1.2.2.        Бермудский па́рус        

1.2.3.        Люгерный па́рус        

2.1.        Основные характеристики эффективного паруса.        

II.        ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        

1.        Исследование влияния формы паруса на скоростные качества и маневренность судна.        

1.1 Изучение скоростных качеств  судов с бермудским и прямым парусами (эксперимент 1).        

1.2.        Изучение маневренности парусников с яхтинговым и латинским парусом (эксперимент2)        

1.        3. Изучение скоростных качеств и маневренности судна с авторским парусом «Нептун»  (эксперимент 3).        

Список литературы        

Приложения        

В наше время стремительно набирает популярность парусный спорт. Парусный спорт - это вид спорта, в котором спортсмены соревнуются, используя снаряжение, главным образом лодки, и суда, приводимые в движение парусами. Мне нравится эта тема, поэтому я решил изучить свойства, и особенности паруса и выяснить, как конструкция паруса влияет на основные ходовые  качества судна – устойчивость и скорость.         

ВВЕДЕНИЕ

Предположительно, согласно летописям, первые парусные соревнования появились в 17 веке. Сначала яхтинг стал популярен в Голландии, затем в Англии, и со временем распространился на всю Европу Постепенно интерес к этому виду спорта начал возрастать, и он стал распространяться по всему миру. Сегодня этот спорт широко известен во многих странах нашей планеты. Он сочетает в себе изящность, красоту и мощь. Управление лодкой и парусом дает участникам соревнований ощущение свободы, при этом воспитывая чувство ответственности и сплоченности. Сегодня парусный спорт в России активно развивается, и идет подготовка спортсменов к Олимпиадам 2016 и 2020 гг. при поддержке Всероссийской Федерации парусного спорта.

Паруса доступны всем  - и профессионалам, и детям, и начинающим. Легкий рангаут способствует быстрому обучению. Есть парус для катания по волне – легкий, для сильного ветра, для фристайла, фигурного катания, и т.д. И для каждого вида катания разработана своя модель паруса. Они как будто похожи, но конструкция у всех разная. В основе конструкции паруса для сильного ветра (плоский парус похожий на закладку). Используются углы, шкаторина (нижняя рейка), серповина (середина паруса), латкарманы (длинные рейки пришитые к мякоти паруса), рифы (длинные горизонтальные полоски плотной парусины). Естественные процессы, происходящие на парусе, сложные и интересные. В нашей республике парусный спорт очень популярен. В 90-ые годы казанскими яхтсменами было осуществлено кругосветное плавание на яхте «North star», Была приобретена яхта, на которой удалось совершить задуманное. Участники пронесли флаг города и республики вокруг земного шара, также казанские яхты обошли вокруг Европы. Казанские яхтсмены участвовали во всесоюзных, всероссийских и международных соревнованиях. В соревнованиях по парусным видам спорта очень важны устойчивость и скоростные качества судов, поэтому победа зависит не только от силы, смелости и выносливости спортсмена, но и от правильно рассчитанного и поставленного оборудования.

Цель моей работы – изучить преимущества и недостатки наиболее популярных парусов и предложить конструкцию своего скоростного и устойчивого  паруса.

Были поставлены следующие задачи:

1. Познакомиться с видами уже существующих парусов.
2. Разработать модель паруса с учетом недостатков и преимуществ изученных парусов.
3. Провести исследование на воде миниатюрных моделей парусных лодок  на скорость и устойчивость.
4. На основании исследований сделать вывод рабочих качествах исследуемых парусов – устойчивых и скоростных.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Виды парусов.

1.1 Прямые паруса

Прямые паруса — паруса, которые ставятся поперёк судна и крепятся к реям, поднимающимся на мачты и стеньги. Имеют вид равнобокой трапеции. Управление прямым парусом осуществляется разворотом реябрасами и шкотами в горизонтальной плоскости. На острых галсах наветренная шкаторина прямого паруса отводится на ветер с помощью специальной снасти, называемой шпрюйт.

Прямыми парусами вооружаются большие парусные суда: корабли, барки, баркентины, бриги и бригантины. Широкое распространение прямые паруса получили благодаря возможности получать огромные парусные площади путем совокупности небольших парусов. Ни один человек не сможет справиться с парусом, площадь которого превосходит некоторый предел (примерно 5-8 квадратных метров на одного человека).

2. Косые паруса

Косые паруса — паруса, которые ставятся близко к диаметральной плоскости судна. Имеют множество видов.

1. Лати́нский па́рус

Имеет вид прямоугольного треугольника. Верхней шкаториной (гипотенузой) крепится к рейку, наклоненному вперед. Для латинских парусов реек носит название «Рю». Передний конец рю доходит до палубы, он называется «тележка». За тележку берется галс. Особенность латинского парусного вооружения в том, что тележка при смене галса должна пересечь вант. Поэтому ванты на судах с латинским вооружением делают разъединяющимися. Это добавляет работы экипажу: при смене галса приходится выполнить гораздо больше действий, чем при хождении под обычным рейковым парусом. Тем не менее, в средние века латинский парус получил широчайшее распространение, благодаря способности судна с таким парусом ходить очень круто к ветру. Такая способность позволяет получить огромное преимущество в случае, если надо уйти от погони (или наоборот догнать  кого-нибудь).

2. Бермудский па́рус

Бермудский парус — треугольный парус, передняя шкаторина которого растягивается по мачте, а нижняя по гику.

На данный момент является наиболее распространённым типом паруса на яхтах. По простоте управления, постановки и тяговым характеристикам является бесспорным лидером.

Яхта с правильно настроенными бермудскими парусами может длительно управляться всего одним человеком. Такой маневр, как поворот оверштаг, может выполняться вообще без вызова подвахты, за счет перекладки руля.

Аэродинамическое качество бермудского паруса, хотя и сильно уступает самолетному крылу, тем не менее, является самым высоким среди остальных парусов. Это обусловило исключительное применение бермудского типа вооружения на всех современных гоночных яхтах.

Бермудский парус зародился в регионе Бермудских островов, где им пользовались местные рыбаки. В 1920-е годы он пришел на смену гафельному парусу, который использовался в то время повсеместно.

3. Люгерный па́рус

Лю́герный (ре́йковый) парус — парус верхней шкаториной пришнуровывается к наклонному рейку, который поднимается на мачту с помощью одной снасти — фала, закрепленного к передней трети рейка. Чтобы реек не отходил от мачты, используется ракс-бугель, скользящий по мачте и соединенный с рейком. В отличие от прямого паруса, для управления которым служат два браса, два шкота и два галса, рейковый парус управляется с помощью только одной снасти — шкота. Передняя шкаторина натягивается — «набивается» — с помощью галс-оттяжки таким образом, чтобы она сохраняла форму, близкую к прямой линии даже при встречном ветре.

2.1 Основные характеристики эффективного паруса.

Эффективный парус должен  иметь правильный выпукло-вогнутый профиль поперечного сечения по всей высоте, называемый яхтсменами «пузом». Исследования, проведенные на моделях парусов, изготовленных из металла, позволили выявить ряд особенностей обтекания паруса по сравнению с жестким толстым профилем. Уже при малом угле атаки критическая точка «а» перемещается на наветренную сторону паруса и поток воздуха огибает острую переднюю кромку с высокой скоростью. Вследствие этого на подветренной стороне паруса близ передней кромки образуется большое разрежение, под влиянием которого пограничный слой отрывается от поверхности паруса, на спинке профиля образуется вихревой пузырь. При достаточно высокой скорости вымпельного ветра поток быстро поглощает энергию вихрей и пограничный слой вновь присоединяется к поверхности профиля на некотором расстоянии от передней кромки паруса. По мере увеличения угла атаки размеры вихревого пузыря растут, что вносит существенные изменения в распределение пониженного давления – разрежения на подветренной стороне паруса и, следовательно, сказывается на величине подъемной силы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Исследование влияния формы паруса на скоростные качества и маневренность судна.

В практической части работы были исследованы миниатюрные модели парусников с основными видами парусов - прямым и косым - бермудским парусом, а также модель парусника с авторским парусом «Нептун».  Паруса имели одинаковую массу и сконструированы с учетом требований эффективного паруса.

Прямой парус крепится к реям, которые прикреплены к мачте

Бермудский парус выполнен в виде прямоугольного треугольника, нижняя шкаторина которого прикреплена к гику, передняя - к мачте.

1.1 Изучение скоростных качеств  судов с бермудским и прямым парусами (эксперимент 1).

Ход эксперимента: 

             Исследование проводилось миниатюрным парусником на воде                    глубиной 0,7 метра, расстояние от старта до финиша 1м. Тяга для парусов создавалась ветром от фена.

            Лодочка с бермудским парусом от старта до финиша прошла за 10 сек.

            Судно с прямым парусом от старта до финиша добрался за 5 секунд.

Вывод: Прямой  парус – достаточно скоростной.

2. Изучение маневренности парусников бермудским и прямым парусами (эксперимент2)

Ход эксперимента: Исследование проводилось миниатюрным парусником на воде глубиной 0,7 метра.  Исследовался крен парусника при резком изменении угла атаки паруса – угла между направлением ветра и плоскостью паруса.

При изменении угла атаки бермудский парус дал крен 30-400 и дошел до финиша.

Вывод: для того что бы управлять таким парусом на большой воде, нужно умение, сноровка и большая сила человека. А это под силу далеко не каждому человеку. Следовательно, надо много времени и терпения что бы научиться управлять таким парусом. 

При изменении угла атаки прямой парус дал крен 10-150 и дошел до финиша

Вывод: прямой парус более устойчив и прост в управлении.

1. 3. Изучение скоростных качеств и маневренности судна с авторским парусом «Нептун»  (эксперимент 3).

После анализа проведенного по 2 - м парусникам (бермудского и прямого) (прямые паруса используют на больших парусах и бригантинах). Я решил сконструировать парус, сочетающий  в себе  скоростные качества и маневренность одновременно.

Во - первых он должен быть  плоский,  как бермудский парус, для того что бы пузо паруса не было слишком объемным, а значит судно с таким парусом  гораздо легче.

Во-вторых  я увеличил площадь паруса для устойчивости и повышения маневренности судна.

Я назвал свой парус «Нептун» в честь древнеримского бога морей и потоков. Он крепится поперек судна, управление парусом осуществляется разворотом рея брасами и шкотами в горизонтальной поверхности.

Ход эксперимента:

Исследование проводилось на воде глубиной 0,7 м. Расстояние от старта до финиша 1м. Тяга создавалась ветром от фена.  Со старта парусник отправился уверенно для важности немного покачиваясь, но крепко стоял на воде, дошел до финиша за 5 сек. Затем я поменял направление ветра на противоположное. Парусник величаво поддался ветру, дал небольшой крен по ветру. Быстро справился с ситуацией, выпрямился и продолжил свой путь обратно к старту, и так же легко дошел, как и до финиша

Вывод: Что бы управлять этим парусом сил много не надо. За счет большой площади он легко управляем. Для разгона судна не нужно сильного ветра, так как такой парус имеет плоское пузо. Кроме этого такой парус очень преемистый – время для его разгона мало, что при правильной подготовке спортсмена может дать дополнительный выигрыш в пройденном расстоянии, несмотря на несколько меньшую скорость, чем у прямого паруса. Такой парус всегда можно поднять креем, если надо подрейфовать. В том числе присутствует романтика, когда смотришь на большой парус.

ВЫВОД:

1. Цель моей работы достигнута:  на сконструированных моделях парусных судов были исследованы зависимости скоростных качеств и устойчивости судна от формы паруса.
2. При большей площади паруса можно менять скорость судна, опуская или поднимая парус к реям. Он более устойчив.
3. Плоская форма паруса  не требует сильного ветра для разгона Чем больше площадь паруса, тем более скоростным будет парус при постоянстве остальных характеристик паруса (массы).
4. По результатам эксперимента авторский парус «Нептун» обладает преимуществом в скорости и маневренности.  Он эстетичен и красив.

Список литературы:

1. Журнал «Юный техник» номер 4. 1982 г. приложение «Юному спортсмену»
2. Журнал «Юный техник» номер 3. 1988 г. Приложение «Парусный ветрогенератор»
3. Клуб юных моряков «Парус». Блок статей «Устройство парусного вооружения»
4. Сайт «Домашний яхт-верфь» Блок статей «Парусная яхта»