Почему луч достигает самой быстрой точки паруса на современных парусниках?

Самая быстрая точка плавания зависит от лодки (как формы корпуса, так и плана парусности), силы ветра и состояния моря. В общем, досягаемость луча - не самая быстрая точка плавания.

Например, при очень слабом ветре некоторые лодки будут двигаться быстрее на близком расстоянии из-за усиления вымпельного ветра из-за движения навстречу ветру. Для лодок, которые плывут быстрее ветра, ограничивающим фактором скорости является то, насколько близко они могут плыть к вымпельному ветру; когда они движутся быстрее, чем скорость ветра, вымпельный ветер всегда идет впереди луча. Более широкий угол к истинному ветру позволяет им двигаться быстрее до того, как их паруса будут полностью убраны, поэтому широкий размах — самый быстрый.

Посмотрите полярные диаграммы на этом сайте:

https://76trombones.wordpress.com/2009/10/17/полярные диаграммы-vmg/

90 градусов к истинному ветру обычно не самый быстрый.

Что касается того, почему одни углы быстрее других, это немного сложно и выходит за рамки этого ответа. Достаточно сказать, что когда вы плывете ближе к ветру, составляющая подъемной силы в направлении движения уменьшается, плюс увеличивается сопротивление. Таким образом, вы замедляетесь, когда приближаетесь к близкому курсу. По мере того, как вы переходите на бег, паруса в конечном итоге застревают и становятся менее эффективными. Где-то между узким курсом и бегом вы найдете угол максимальной скорости, который иногда составляет примерно 90 градусов к истинному ветру, но не всегда.

Кстати, я должен добавить, что термин «досягаемость луча» не имеет точного определения. Некоторые источники говорят, что досягаемость луча составляет 90 градусов по отношению к истинному ветру, другие говорят, что это 90 градусов по отношению к вымпельному ветру. В большинстве источников точки паруса вводятся перед понятием вымпельного ветра и полностью игнорируются различия. Для лодок, которые двигаются лишь на долю скорости ветра (т.е. для подавляющего большинства из них), это не так важно. В ответе выше я использовал определение истинного ветра, но даже если вы выберете определение кажущегося ветра, радиус действия луча не всегда будет самым быстрым. У лодок, которые идут быстрее ветра, паруса убраны так, чтобы их можно было держать близко, независимо от точки паруса.

При вылете стрелы гик выходит за борт лодки, а подъемная сила ветра представляет собой вектор, направленный к носу в направлении движения.

На малом расстоянии гик находится около центральной линии лодки, а подъемная сила ветра представляет собой вектор, направленный в сторону лодки, почти ортогональный направлению движения.

Лодка с узким рейдом зависит от давления воды на подветренную сторону киля, чтобы она двигалась вперед, а не толкалась вбок.

На расстоянии луча меньше давление воды с подветренной стороны, и лодка может рассекать воду с меньшим сопротивлением.

Это упрощение, поскольку фактические углы плавания различаются, но более высокая скорость на досягаемости обусловлена ​​тем, что ветер поднимает лодку в направлении ее движения, а не тянет ее вбок против направления движения, как при близком расстоянии.

Другими словами, если вы рассматриваете лодку как влажную и скользкую оранжевую яму, удерживаемую между большим и указательным пальцами (между ветром и водой), сжатие конусообразной точки ямы вытолкнет ее наружу, но сжатие плоских сторон яма мало на что повлияет.

Самый быстрый курс не точно перпендикулярен истинному ветру, а немного по ветру. Оптимальное смещение по ветру — это угол вымпельного ветра, под которым судно может плыть (бета), который мал для экономичных лодок (15°) и катеров со льдом (<10°).

Геометрия объясняется здесь: http://en.wikipedia.org/wiki/Sailing_faster_than_the_wind#Maximum_speed_course_sailing_angle

Достигать по ветру намного быстрее - как это было во время последнего Кубка Америки.

Простая причина: если сопротивление корпуса низкое, вы можете получить значительный «встречный ветер», который вы добавляете к фактическому вектору ветра, чтобы получить кажущийся ветер.

Этот кажущийся ветер должен быть под «разумным» углом к ​​лодке — боковая составляющая достаточна, чтобы он все еще мог «толкать» парус.

Чем ниже сопротивление лодки, тем дальше по ветру лежит этот оптимум. AC72, использовавшийся в Кубке Америки, развил скорость более 40 узлов при ветре силой 20 узлов; в этот момент вымпельный угол ветра составлял 19 градусов, хотя лодка номинально находилась на большом расстоянии.

Хорошую диаграмму и объяснение можно найти по адресу https://www.nauticed.org/sailing-blog/americas-cup-apparent-wind/ .

Идея о том, что вектор подъемной силы паруса должен быть близок к направлению движения, неверна. В направлении движения должна быть только составляющая вектора подъемной силы, и это может быть только небольшая составляющая.

Я думаю, это легче всего понять, если сделать упрощающее предположение. Забудьте о аэродинамических профилях и тому подобном. Думайте о шверте лодки как о коньках, которые не могут двигаться вбок, но могут двигаться вперед или назад практически без сопротивления. (Как ледяная лодка.)

Точно так же подумайте о парусе как о чем-то, что может легко двигаться вперед в воздухе, но не вбок, как если бы воздух был субстанцией, подобной желе, а парус — ножом. В этой ситуации лодка действует как связующее звено между воздухом и водой в том смысле, что если лодка движется вперед в воде, воздух должен двигаться вбок, потому что парус не параллелен шверту. Точно так же, если воздух движется вбок, лодка должна двигаться вперед (или назад). Чем ближе парус параллелен шверту, тем больше должна двигаться лодка.

Предположим, что парус и шверт расположены не параллельно, а под небольшим углом друг к другу. Если воздух не неподвижен по отношению к воде, а движется поперек нее на определенное расстояние, то это заставит лодку сместиться еще на одно расстояние, потому что парус может рассекать только воздух, а шверт может рассекать только воду.

На самом деле, чем ближе парус будет параллелен шверту, тем дальше придется двигаться лодке, потому что ни парус, ни шверт не могут скользить боком в ее среде. В пределе, когда угол приближается к нулю, расстояние, которое должна пройти лодка, приближается к бесконечности. Это не зависит от направления, в котором направлена ​​лодка, если только она не направлена ​​прямо по ветру или против ветра. Он работает на любой другой точке паруса.

Конечно, в воде или воздухе нет нулевого сопротивления, и составляющая силы воздуха, параллельная движению, может стать довольно малой, поэтому движение перпендикулярно ветру может дать наилучшие результаты, что отвечает на ваш вопрос. Но имейте в виду, что все зависит от угла между парусом и швертом. Чем ближе, тем быстрее он в принципе может ехать, если бы не лобовое сопротивление.

На самом деле, чем меньше сопротивление в воде и воздухе, тем быстрее может двигаться лодка. Проверьте это видео.

Классически это тянущийся - самый быстрый ход парусника. Обычно бывает так, что при достижении проекции силы ветра на вектор распространения максимальных значений, а также лодка остается устойчивой в плане крена, так как креновая проекция силы ветра становится малой. При движении лодки по траверсе кренящая сила велика, лодка приобретает сопротивление из-за крена и дрейфует. Таким образом, такой курс может быть оптимален для ледовых яхт, или для однокорпусных, особенно с большими парусами Gennaker, или Code Zero (как в Volvo Ocean Racing). "Современный парусник" - сегодня это однокорпусники на подводных крыльях, которые плывут со скоростью 50+ узлов, и ветер в их системе отсчета существенно отличается от земной системы отсчета, и направление ветра для яхты не то же самое, направление ветра стремится к ветру глаз,