Самоходная модель движется при помощи парусов либо механического двигателя, приводящего в действие движитель (колеса или винт). Для того, чтобы изготовить любой двигатель, моделист должен обладать определенными техническими знаниями и опытом, который при постройке спортивных моделей является, пожалуй, главным.
Паруса, как и весла, — старейшие двигатели судна.
(Весла и парус принято считать движителями, в качестве двигателей в первом случае рассматривают руки человека, во втором — ветер).
В течение столетий совершался переход от примитивных плаваний к «завоеванию» моря с помощью ветра. Однако только в первые годы XIX в. научились эффективно лавировать при противных ветрах. Для такого плавания более пригодны косые паруса, которые пришли на смену прямым. Последние остались в основном на прогулочных и крейсерских судах, появившихся в середине прошлого века, к гонкам которых на некоторое время вновь пробудился интерес у любителей парусного спорта. Обычно на яхтах и моделях ставят бермудские и гафельные паруса, которые просты в обращении и эффективны при ветрах любых направлений.
Курсы судна относительно ветра
В зависимости от угла, под которым парусное судно или модель идет относительно направления ветра, различают курсы: бейдевинд, галфинд, бакштаг и фордевинд. Первый и третий еще разделяют на крутой бейдевинд, бейдевинд и полный бейдевинд и бакштаг и полный бакштаг (рис.
внизу).
На рисунке - курсы судна относительно ветра, где: 1 - направление ветра, 2 - наветренная сторона, 3 - подветренная сторона,
4 - крутой бейдевинд. 5 - бейдевинд, 6 - полный бейдевинд, 7 - галфвинд, 8 - бакштаг, 9 - полный бакштаг, 10 - фордевинд.
При разных курсах необходимо так ставить паруса, чтобы иметь наибольшее поступательное движение, теоретически — под углом, равным половине угла между диаметральной плоскостью судна и истинным направлением ветра.
Введем еще ряд терминов. Если ветер дует с правого или левого борта, то говорят, что судно (модель) идет правым или левым галсом. Выражение «сменить галс» означает сделать поворот и так поставить паруса, чтобы ветер дул в противоположную сторону. При этом делают маневр: переходят линию ветра носом (поворот оверштаг) или кормой (поворот фордевинд).
Действие ветра на парус
Современные паруса создают силу тяги и при ветрах, дующих под острыми углами относительно направления движения. При плавании модели бейдевинд парус подобен крылу, обтекаемому потоком ветра, который создает силу тяги благодаря своей форме; при плавании фордевинд или полный бакштаг (по ветру) — как тело, препятствующее движению ветра.
При раскрое современных парусов учитывают исследования и достижения в области аэродинамики, так как парус подобен крылу самолета. Не вдаваясь в теорию и расчеты, приведем некоторые сведения, объясняющие поведение самоходной модели под парусами.
Парус встречает ветер и изменяет направление движения воздушной массы, в результате чего на его поверхности возникает давление, различное в разных точках паруса (рис.
внизу). Результирующую этого давления можно разложить на две силы: силу тяги, направленную параллельно диаметральной плоскости, и силу дрейфа, действующую перпендикулярно этой плоскости. Сила тяги является положительной, она движет модель, а сила дрейфа — отрицательной, она вызывает крен и боковое перемещение модели— дрейф (рис.
еще ниже). Поэтому движение модели складывается из двух движений: в продольном и поперечном направлениях.
Угол между продольной осью модели и направлением его движения называют углом дрейфа.
На рисунке - действие ветра на парус, где:
1 - кажущийся ветер; 2 - сила давления ветра; 3 - равнодействующая давления ветра; 4 - диаметральная плоскость; 5 -
угол дрейфа; 6 - действительный путь модели - путь-дрейф.
Из аэродинамики известно, что поверхность, обдуваемая ветром, на стороне, обращенной к ветру, имеет одно давление, а на противоположной — пониженное. Сторону паруса или модели, повернутую
к ветру, называют наветренной, а противоположную — подветренной. Из распределения давления видно, что сила тяги почти
на 2/3 зависит от понижения давления на подветренной стороне
паруса, а не от давления на наветренной. Наибольшее понижение
давления наблюдается в передней части паруса, поэтому центр
приложения результирующей сил, действующих на парус, не совпадает с его геометрическим центром. Например, при угле между парусом и направлением ветра 15° точка приложения результирующей давления располагается
приблизительно на 1/3 длины паруса, считая от передней кромки. Если направление ветра перпендикулярно площади паруса, результирующая приложена в геометрическом центре паруса.
На рисунке - разложение равнодействующей сил давления ветра на составляющие, где:
1 - сила тяги; 2 - сила, вызывающая дрейф; 3 - результирующая сила давления на парус.
Так как парус практически не имеет толщины, к нему применимы результаты опытов с плоскими и изогнутыми пластинами. Известно, что коэффициент тяги для сильно изогнутых пластин больше в два раза, чем коэффициент для плоских пластин. Парус с очень большой кривизной наиболее эффективно работает как тело, сопротивляющееся движению ветра, а с малой кривизной — как профиль, обтекаемый потоком. Если высота паруса в два раза больше его ширины, то сила тяги значительно увеличивается и продолжает повышаться при дальнейшем увеличении высоты. Поэтому при плавании бейдевинд эффективным будет парус, высота которого не менее чем в пять раз превышает ширину. При плавании фордевинд высота паруса не имеет такого значения, так как в этом случае он работает как сопротивляющаяся поверхность, а не как профиль крыла (рис.
внизу, а).
Чрезвычайно важно распределение по ширине кривизны паруса: ее назначение — отклонять ветер так, чтобы сила тяги была максимальной при минимальном сопротивлении. Вогнутость па руса должна создавать плавное обтекание ветра по всей высоте паруса. Приблизительно на
1\3 высоты паруса вогнутость идеальная, в нижней части она увеличивается, а в верхней уменьшается, так как парус становится все более плоским, и вблизи клотика совсем исчезает. Чтобы улучшить профиль паруса, по его задней шкаторине устанавливают латы. Латы — деревянные линейки, которые вставляют в специальные карманы, нашитые поперек паруса у задней шкаторины, чтобы кромка паруса не отгибалась и не закручивалась.
При раскрое паруса глубина идеальной кривизны должна составлять приблизительно 1/10 длины хорды поперечного сечения паруса (рис.
внизу, b).
На рисунке показаны эскизы парусов для модели (а) и идеальная кривизна паруса при плавании бейдевинд (b): I -
для сильных ветров; II - при плавании бейдевинд; отношение ширины паруса к длине 1 : 5.
Сила тяги изменяется в зависимости от вогнутости паруса и его положения относительно ветра. Понятно, что при плавании бейдевинд только небольшая часть силы давления ветра на парус используется как сила тяги.
Истинный и кажущийся ветры
Ветер, действующий на парус движущейся модели или яхты, не истинный, а кажущийся. Направление и сила кажущегося ветра складываются из истинного ветра и ветра, возникающего от движения модели. Так, флажок на мачте движущегося судна показывает направление именно кажущегося ветра, который поэтому иногда еще называют вымпельным.
Скорость этого ветра зависит от угла между направлением истинного ветра и курса модели. При плавании бейдевинд скорость кажущегося ветра превышает скорость истинного, но действует он на парус под меньшим углом, чем истинный ветер (рис, 551). Это ограничивает возможности плавания бейдевинд. При плавании галфвинд — поперек линии ветра — направление кажущегося
идущее
ветра еще больше расходится с направлением истинного ветра, но теперь он действует на парус под большим углом, поэтому сила тяги увеличивается.
На рисунке. Истинный и кажущийся ветры: 1 - сила тяги; 2 - кажущийся ветер; 3 - истинный ветер; 4 - судно, идущее бейдевинд; 5 -
судно в галфвинде; 6 - судно в фордевинде.
При плавании фордевинд направление кажущегося ветра совпадает с направлением истинного. Скорость истинного ветра больше скорости кажущегося, последняя равна разности между скоростями истинного ветра и модели.
Центр парусности
В том случае, когда судно несет несколько парусов, суммарная сила тяги является проекцией на диаметральную плоскость равнодействующей всех сил, действующих на паруса. Точку ее приложения называют центром парусности пару сов (ЦП). Например, спортивные модели вооружают обычно двумя парусами: фор-стакселем (или стакселем) и гротом. Каждый парус имеет свой центр парусности (его условно считают совпадающим с центром тяжести поверхности паруса). ЦП находится на прямой, которая соединяет ЦП отдельных парусов на расстоянии, обратно пропорциональном площади каждого паруса (рис.
внизу, а).
На рисунке показаны центр парусности парусов спортивной модели (а) и центр бокового сопротивления (b). Здесь: 1 -
ЦП фор-стакселя; 2 - общий ЦП; 3 - ЦП грота; 4 - ЦБС; 5 - расстояние по горизонтали между ЦП и ЦБС.
Движение модели судна под действием ветра
Рассмотрим теперь, как ведет себя парусная модель под действием ветра. Уже говорилось, что при плавании бейдевинд только небольшая часть силы ветра используется как
сила тяги, остальная часть вызывает дрейф и крен модели. Силе дрейфа противодействует сила сопротивления, приложенная в центре бокового сопротивления (ЦБС) или центре тяжести подводной части судна, спроецированном на диаметральную плоскость (рис.
вверху слева, он же - рис. 552, b). ЦП и ЦБС модели обычно находятся на разных вертикальных осях (см. рис. 552,
b), поэтому образуется дополнительная пара сил, момент которых стремится повернуть модель относительно вертикальной оси. Таким образом, при плавании бейдевинд наблюдается дрейф, крен и вращение модели.
На рисунке 553 показаны силы, вызывающие дрейф, противодействующие ему (а) и вызывающие крен(b).
Силе дрейфа противодействует сила бокового сопротивления, направленная в противоположную сторону -и приложенная в ЦБС. Понятно, что при увеличении боковой поверхности подводной части корпуса скорость дрейфа снижается и угол дрейфа уменьшается. Это позволяет судну идти под углом, близким к его продольной оси, в результате чего скорость модели в направлении движения возрастает (рис. 553, а).
Сила дрейфа и сила бокового сопротивления воды, точки приложения которых расположены на разной высоте, создают кренящий момент. Противодействует ему момент поперечной остойчивости. Крен может быть уменьшен за счет понижения ЦП, но это можно делать лишь в определенных пределах или за счет увеличения балласта, также в разумных пределах. Последнее можно выполнить лишь в том случае, если корпус модели легкий (рис. 553,
b). Пара сил, вызывающих вращение, компенсируется действием руля. Чтобы удержать модель на курсе, необходимо повернуть руль на угол, зависящий от горизонтального расстояния между ЦП и ЦБС. Если ЦП находится впереди ЦБС, то модель уваливается (ее нос отклоняется от ветра). Чтобы привести судно, руль необходимо положить в сторону наветренного борта (рис. 554, а и
b). Если ЦП находится позади ЦБС, то модель приводится (ее нос стремится повернуться к ветру). В этих случаях руль перекладывают на подветренный борт (рис. 555, а и
b).
Вообще, нужно добиваться, чтобы ЦП находился на той же вертикали, что и ЦБС. Это, конечно, идеальное условие. В этом случае говорят, что модель центрована (рис. 556,
они в самом внизу - 555, 556 и 557). Если этого не наблюдается, то необходимо перераспределить парусность, сдвинув паруса к носу или корме, пока не будет достигнута желаемая центровка. В общем, лучше иметь приводящуюся, чем уваливающуюся модель, т. е. лучше, чтобы ЦП был несколько ближе к корме, чем ЦБС.
На рисунке: приводящаяся к ветру модель (а) и положение руля для уваливания (b).
Автоматическое устройство управления рулем, которое применяют на моделях, описано в гл. XVIII.
При плавании фордевинд сила давления ветра кроме силы тяги создает еще момент, стремящийся
изменить дифферентовку модели. Этот момент компенсируется моментом продольной остойчивости (рис. 557),
Выбор типа парусного вооружения зависит от различных факторов и прежде всего от силы ветра и его направления относительно курса модели, т. е от того, будет ли она идти по ветру или против - него.
Предположим, например, что модель будет ходить только при умеренных ветрах. Парус, предназначенный для плавания бейдевинд, будет иметь малую эффективность на фордевинде, и наоборот.
На спортивных моделях при плавании по ветру разрешается применять спинакер, а при плавании против ветра в зависимости от его силы — изменять количество и положение парусов.
Внизу - рисунки 55, 556 и 557.
Рисунок 555. Уваливающаяся модель (а) и положение руля для ее приведения к ветру (b).
