Вітрило

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
DSC 7439-MR-VoileLatine.jpg

Вітри́ло  — будь-яка поверхня, призначена в якості рушія для створення тяги під впливом вітру.

Використання вітрил[ред.ред. код]

Вітрила зазвичай використовуються як морський рушій для обладнання вітрильних суден, наприклад, яхт, а також на малих плавальних засобах, таких як віндсерф. Разом з такелажем і рангоутом складають вітрильне озброєння судна. Іншими, менш поширеними застосуваннями принципу вітрила у машинах є: млини, буєри (льодові яхти), повітряний змій, електричні генератори та наземні вітрильники (англ.). Успішно розробляються і запускаються космічні апарати, що використовують сонячний вітер (тиск радіації) за допомогою сонячних вітрил.[1][2]

У торговельному сполученні, риболовлі та інших комерційних використаннях вітрила були майже заміщені іншими видами рушіїв, як то двигун внутрішнього згоряння, протягом 20-го ст. Хоча останнім часом розробляюються проекти комерційних суден з вітрилами у якості допоміжних рушіїв, що спричинене подорожчанням мінерального палива у останні десятиліття, а також розвитком інтелектуальних систем автоматизованого керування вітрилами. Потенційно вітрила спроможні знизити витрати палива великими вантажними суднами на більш як 30% без зниження крейсерської швидкості їх пересування. Але натепер вітрило залишається популярним лише в галузі відпочинку і спорту. Найпопулярнішими видами вітрильників є невеликі яхти, серед них традиційними є бермудські шлюпи (англ.), які мають два косі вітрила: грот та стаксель. Обидва грот і стаксель мають трикутну форму; грот приєднаний до щогли і до гіка, та простягається назад, у той час як стаксель приєднується до щогли у верхній частині і простягається вздовж штага до носу (англ.) судна. Традиційним є також використання генуї (англ.) і спінакера.

Історія вітрила[ред.ред. код]

Докладніше у статті Корабель
Вітрило на яхті, вигляд з палуби

Найбільш ранні зображення вітрила відомі зі Стародавнього Єгипту близько 3200 року до н. е.,[3][4] де очеретяні човни пливли вгору проти течії річкою Ніл. Стародавні шумери використовували пряме вітрильне озброєння приблизно в той же час: вважають, що вони проклали морські торговельні шляхи аж до долини Інду. Також, протоавстронезійські слова на позначення вітрила і частин вітрильного озброєння датуються близько 3000 року до н. е., коли ця група племен почала своє поширення тихоокеанськими островами.[5] Греки і фінікійці почали плавати на вітрильниках із торгівельною метою близько 1200 року до н. е..

Прямі вітрила, що кріпляться до реїв впоперек до корпусу човна пристосовані до ходу за вітром; вони домінували в стародавньому Середземномор'ї та поширилися на Північну Європу, були незалежно винайдені в Китаї та Еквадорі. Хоча косі вітрила стали популярними на сучасних яхтах, прямі продовжують використовуватися для спорядження великих вітрильників з Доби Вітрильників і дотепер. Трикутне косе вітрило було винайдене в Середземномор'ї (латинське вітрило з одним реєм) і незалежно — в Тихому океані, як ефективніша двощоглова «Клешня краба»,[6][7] і як і раніше використовується у всьому світі. У 16 — 19-х століттях інші види косого вітрильного озброєння були розроблені в Європі, такі як шпрінт, гафель, клівер / генуя (англ.) / стаксель та бермудське вітрило, що поліпшило здатність європейських мореплавців до ходу проти вітру. Наведемо ще такий цікавий факт: застарілий траулер, Пелікан, обладнали нетрадиційним вітрильним озброєнням, що використовувалося берберійськими піратами у 16-му столітті. У результаті було отримано дивовижні ходові властивості: Пелікан ішов до вітру на 20 градусів ближче, ніж інші відомі судна з прямими вітрилами.[8]

Типи корабельних вітрил[ред.ред. код]

Докладніше у статті Вітрильне озброєння
Корабель Garthsnaid в морі біля 1920. Людей видно серед вітрильного озброєння судна.

Вітрила поділяються за призначенням на косі та прямі. Косі вітрила застосовуються для ходу як за вітром, так і проти напрямку вітру (під деяким кутом), а прямі — лише за вітром. За формою вітрила зазвичай трикутні або чотирикутні, причому косі найчастіше трикутні, а прямі — майже завжди чотирикутної форми.

Косі вітрила можуть переміщуватися з одного борту судна на інший при зміні галсів (повороті), щоб забезпечити тягу і просування судна у випадку маневрів чи зміни напрямку вітру. Якщо корма судна перетинає вітер, то такий поворот називається поворот фордевінд. Якщо ж вітер перетинає ніс, то така зміна галсів називається поворот оверштаг. Повторювані повороти оверштаг дають змогу суднам з косим вітрильним озброєнням рухатися проти напрямку вітру. Сучасні судна можуть рухатися проти вітру курсом до 30 градусів і навіть гостріше.

Вітрильник, зазвичай, має кілька комплектів вітрил для різних погодних умов. Наприклад, існують спеціальні штормові вітрила.

Прямі вітрила досягли максимального розвитку на кліперах і торговельних барках кінця 19-го і початку 20-го століття. Прямокутні вітрила висять поміж реїв, які в свою чергу закріплені до щогл. Прямі вітрила можуть лише повертатися на певний кут відносно корпусу судна для забезпечення кращої тяги при зміні вітру чи курсу. Такий тип вітрильного озброєння вимагає великої кількості такелажу для керування ними (щонайменше 9 тросів на кожне вітрило) і не може забезпечити рух за курсом, гострішим за 60° за вітром. Кораблів з такими вітрилами зараз залишилося небагато, вони використовуються для морського навчання. Більшість суден з прямими вітрилами несуть також деякі косі вітрила.

Косі вітрила набагато поширеніші: усі яхти і дінгі використовують цей тип вітрил, коли вітрила розташовані паралельніше до кіля судна, і розкріплені спереду і ззаду швидше, ніж з бортів судна. Найбільше вітрило (грот) приєднане до щогли спереду і до гіка знизу, та простягається назад; у той час менше (одне або кілька) приєднується до щогли у верхній частині і простягається вздовж штага до носу (англ.) судна. Кожне з вітрил вимагає лише 2-3 троси для основного керування ним.

Аеродинаміка вітрила[ред.ред. код]

Конструкції вітрил розробляються і діють згідно з законами аеродинаміки.

Сучасний інженерний погляд на вітрильник полягає в тому, що вітрильне судно являє собою теоретично 2 крила, одне з яких (вітрильне озброєння) рухається у повітрі, а інше (корпус) — у воді. І на одне, і на інше крило діють подібні сили — сила опору рухові середовища і аеродинамічна (підйомна) сила. Головною характеристикою добре зробленого вітрила є кількість тяги, яка створюється вигином («пузом») поверхні вітрила. Коли передня шкаторина вітрила спрямована проти вітру, правильна кривизна допомагає максимізувати підйомну силу, водночас мінімізуючи впливи тертя і турбулентності. Це теж саме завдання, яке постає перед розробниками літаків при проектуванні форми крила. Човен рухається під вітрилами двома способами. Коли човен рухається у напрямку, куди дме вітер, це називається «за вітром», або, моряцькою термінологією, «повний курс» (див. Курси вітрильника). Вітрила у такому разі налаштовані щоб лише вловлювати повітря (вітер) і використовувати кінетичну енергію його руху. Вітер фактично штовхає вітрило вперед, а з ним і все судно. Вітрила у такому режимі є аеродинамічно stalled. Drag, що завжди паралельна до напрямку вітру, складає основу сили тяги.[9] Інший спосіб руху під вітрилом застосовується, коли судно рухається впоперек або у напрямку, звідки дме вітер («проти вітру», або ж «гострий курс», див. Курси вітрильника). Тоді вітрило виступає у ролі крила, переспрямовуючи потоки повітря у процесі обтікання ними вітрила з носу до корми судна. За законом збереження моменту, вітер рухає вітрило у той час, як вітрило перенаправлює скіс потоку air backwards. Різниця у повітряному тискові вздовж поверхні вітрила спричиняє виникнення сил, що діють на вітрило (англ.), включно з підйомною силою і силою бічного зміщення. Підйомна сила є головною компонентою сили тяги.[10][11][12][13] Вітрило також може діяти як крило у деяких ситуаціях повних курсів, наприклад, спінакер і чотирикутні вітрила можуть бути скроєні таким чином, щоб їхня верхня шкаторина створювала підйомну силу. Така сила дійсно спроможна дещо підняти судно з води і тим самим зменшити змочувану поверхню корпусу і ризик «заривання» носом у хвилю. Загальна швидкість судна при цьому, звісно, зростає. За сильнішого вітру турбулентність, що створюється за stalled(?) вітрилами, може призвести до аеродинамічної нестійкості, яка у свою чергу викликає швидший рух судна у напрямку за вітром. Вітрила часто обладнані легкими стрічками чи нитками (Чаклунчики), які показують потік повітря. Вони можуть бути на обох сторонах вітрила поблизу передньої шкаторини, або ж на задній шкаторині. Горизонтальні смуги, вшиті чи намальовані на вітрилі, і V-подібні позначки на спінакерах дозволяють відстежувати їх кривизну з палуби. Такі покажчики можуть навіть світитися люмінісцентно у темряві.

На вітрильному судні кіль чи шверт запобігає бічному зміщенню судна. Для цього кіль має таку форму, що його перетин у повздовжній осі судна має в рази більшу площу, ніж у поперечній. Опір рухові вперед і назад незначний, водночас опір рухові вбік компенсує силу бічного зміщення, що виникає від дії вітру на вітрила, тому судно рухається здебільшого вперед і лише злегка зміщується убік (leeway). Також, бічна компонента сили, що діє на вітрило намагається накренити судно, чому протидіють відновлювальні моменти мас баласту кіля і корпусу. Тягова компонента сили компенсується силою опору води рухові і тертям води об корпус і кіль.

Детальніші відомості з цієї теми Ви можете знайти в статті Сили, що діють на вітрило (англ.).

Частини вітрила[ред.ред. код]

Детальніші відомості з цієї теми Ви можете знайти в статті Частини вітрила (англ.).

Косе трикутне вітрило має зазвичай передній, задній та нижній краї, які називаються відповідно передньою, задньою і нижньою шкаторинами. Кожен кут має свою назву: верхній кут — фаловий (там кріпиться фал, за який вітрило підіймають на щоглу), задній — шкотовий (там кріпиться шкот для керування положенням вітрила), передній — галсовий. На прямих чотирикутних вітрилах краї називаються верхньою, нижньою, правою і лівою шкаторинами.

Сучасні вітрила кроять з таким розрахунком, щоб волокна матерії були орієнтовані вздовж передньої і нижньої шкаторин. Таким чином найбільш розтягувана вісь матеріалу іде вздовж діагональної осі вітрила. Це дає змогу морякам зменшувати силу тяги вітрил за допомогою зміни його натягу, вигину щогли і гіка різноманітним чином. Часто чаклунчики, маленькі шматочки матерії, чіпляються у багатьх місцях вітрила. За характером їх коливань на вітрі моряки визначають, як повітря обтікає вітрило, і мають змогу відповідно підлаштувати його форму.

Альтернативним є підхід до будови вітрила, що традиційно використовується на Сході — на джонках. Тут вигин вітрила є горизонтальним, що дає ефективне і кероване вітрило.[14]

Різноманіття вітрил[ред.ред. код]

Схема бермудського шлюпа.

Сучасні вітрила можна класифікувати на три головні категорії:

Усі конкретні види вітрил є варіаціями цих основних.

Високошвидкісні яхти, зокрема катамарани такі як International C-Class Catamaran, використовували чи використовують жорсткі вітрила-крила, які, як вважається, забезпечують кращі показники, ніж традиційні м'які вітрила.[15][16] Зокрема, жорсті вітрила використано катамараном «Зірки і смуги», захисником і переможцем Кубку Америки у 1988, і USA-17, претендентом і переможцем Кубку Америки 2010 року.

Більшість сучасних яхт, включно з бермудськими шлюпами (англ.), кечем і йолом, мають у своєму наборі вітрила, що належать більш ніж до одного з названих типів. Основне вітрило залишається постійно поставленим в процесі плавання, водночас стакселі і спінакери можуть мінятися у залежності від погодних умов для досягнення кращої керованості і швидкості. Основне вітрило є головним елементом вітрильної поверхні. Виконуючи ролі «двигуна» і стерна, воно може бути простої трикутної форми (дивись Будова вітрила нижче). Площа його може бути зменшена за сильного вітру (ця техніка назикається «рифлення»). При винятково сильному вітрі основне вітрило прибирається і замість нього піднімається трисель, який дозволяє зберегти судно керованим у негоду. Передні вітрила є головними тягловими при рухові проти вітру. Є багато видів таких вітрил, генуя (англ.) і стаксель найбільш використовувані. Ці два види мають підвиди для різної специфіки використання. Передні вітрила зазвичай класифікуються за вагою матеріалу чи загальною площею вітрила. Прийнятою є нумерація від 1 до 3 (від більшого до меншого) з описом використання, для прикладу: № 1 Важке чи № 1 Середнє/легке. Спеціальними видами передніх вітрил є генакер (називаний кодом 0 деякими виробниками), дріфтер (тип генуї, що використовується як асиметричний спінакер), скрічер (по суті, велика генуя), вітрошукач і штормовий стаксель. Певні генуї та стакселі також мають лати, що підтримують оптимальну форму вітрила.

Спінакери використовуються для руху за вітром. Вони дуже легкі і мають опуклу форму, схожу на частину повітряної кулі. Аналогічно до передніх вітрил, є багато видів спінакерів, різного розміру, матеріалу і форми. Симетричні спінакери є найпридатнішими до руху на курсі фордевінд і dead runs (вітер дме прямо в корму судна). Асиметричні спінакери підходять для курсу бакштаг (вітер дме в корму судна, але під значним кутом).

Найменування історичних вітрил на вітрильниках з переважним прямим вітрильним озброєнням:

  • 1 – бом-клівер
  • 2 – мідель-клівер
  • 3 – клівер
  • 4 – фор-стень-стаксель
  • 5 – фок
  • 6 – нижній фор-марсель
  • 7 – верхній фор-марсель
  • 8 – нижній фор-брамсель
  • 9 – верхній фор-брамсель
  • 10 – фор-бом-брамсель
  • 11 – грот-стень-стаксель 1-го гроту
  • 12 – грот-брам-стаксель 1-го гроту
  • 13 – перший грот
  • 14 – нижній марсель 1-го гроту
  • 15 – верхній марсель 1-го гроту
  • 16 – нижній брамсель 1-го гроту
  • 17 – верхній брамсель 1-го гроту
  • 18 – грот-бом-брамсель 1-го гроту
  • 19 – грот-стень-стаксель 2-го гроту
  • 20 – грот-брам-стаксель 2-го гроту
  • 21 – другий грот
  • 22 – нижній марсель 2-го гроту
  • 23 – верхній марсель 2-го гроту
  • 24 – нижній брамсель 2-го гроту
  • 25 – верхній брамсель 2-го гроту
  • 26 – грот-бом-брамсель 2-го гроту
  • 27 – апсель
  • 28 – крюйс-стень-стаксель
  • 29 – нижня бізань
  • 30 – верхня бізань
  • 31 – бизань-гаф-топсель



Керування вітрилами[ред.ред. код]

Сила тяги вітрила може бути зменшена у випадку сильного вітру застосуванням cunningham і outhaul, також згинанням щогли і збільшенням зусилля, що прикладається до гіка (boom vang).

Виробництво вітрил[ред.ред. код]

Сучасні вітрила виробляються з листових матеріалів — комбінації наповнювача і нерозтяжних волокон. Перший забезпечує непроникність вітрила для повітря і, таким чином, силу тяги, другі — постійність форми вітрила в умовах сильного вітру і динамічних навантажень.

Докладніше у статті Парусина

Поки вітрило лежить на землі, воно виглядає пласким, але стає тривимірною опуклою поверхнею, коли його напинають, тобто крилом. Щоб скроїти вітрило, потрібно врахувати масу елементів (панелей), які вирізаються і зшиваються разом, утворюючи вигин крила. У старі часи розкрій і пошиття вітрил вважався мистецтвом, майстерним навиком, що визначався досвідом. Тепер вітрила шиються згідно з технологічними математичними розрахунками, за допомогою computer-aided design (CAD) програм, які потім із застосуванням спеціальних плотерів вирізують частини вітрила із рулона тканини і склеюють їх разом, замість того, щоб різати матеріал вручну ножицями. Форма вітрила, як і здатність його утримувати цю форму, у застосуванні з конкретним корпусом судна і рангоутом визначають, чи буде воно «швидким» чи «повільним». Ці дві риси визначаються насамперед кроєм вітрила (формою вирізаних панелей), і видом матеріалу, що було використано. Традиційні паралельні панелі (перехресний покрій) поступилися місцем складнішому (радіальному), де покрій панелей має різні форми для верхньої, середньої і нижньої ділянки вітрила в залежності від тиску повітря, що заподіяний обтіканням поверхні вітрила повітрям. Тут знову допомагають CAD і спеціальне програмне забезпечення для моделювання, що дозволяє виробникам використовувати тканини різної ваги, ставлячи важкі тканини на панелі, де є більше навантаження, і легшу тканину, де воно менше, щоб була економія у загальній вазі вітрила.

Традиційні тканини (зокрема, бавовняна і дешеві синтетичні) мають тенденцію розтягуватися під тиском вітру, що призводить до спотвореної і, отже, неефективної форми вітрила. Крім того, тканина сама важка, що теж не додає ефективності. Услід за синтетичними матеріалами, такими як нейлон та Dacron, почали використовувати передові вітрильні тканини з екзотичних волокон, такі як арамідне волокно (наприклад, Twaron, Technora або кевлар), вуглецеве волокно, HMPE (наприклад, Spectra / Dyneema), Zylon (ПБО) та Vectran (див. також Парусина). Ці матеріали були проривом у технології вітрила, оскільки вони забезпечують малу розтяжність, малу вагу і тривалий термін використання вітрил. Виробники змогли використовувати волокна різної ваги, щоб ткати матеріали з унікальними властивостями. Після того як панелі зшиваються (часто методом потрійного стібка), виробники завершують роботу, ставлячи на вітрила такі елементи, як ліки, захисні ділянки в районах, де вітрило буде тертися об рангоут і такелаж, сталеві кільця і ​​ремені на кутах, качки, кишені під лати (якщо потрібно), і номери вітрила.

Ламінування[ред.ред. код]

Сучасні вітрила виготовляються з синтетичних тканин — нейлон, кевлар тощо. Нові технології виготовлення спортивних вітрил передбачають уже не пошиття з розкроєних полотен, а лиття вітрил у спеціальних матрицях у цілому профільованому вигляді з урахуванням потрібних характеристик. Ткані тканини або стрічки нерозтяжних матеріалів «затискається» між двома шарами Поліетиленової плівка і поміщають у спеціальні печі, де під тиском з'єднують їх в єдине тіло, цей процес називається ламінуванням. Вставками забезпечується міцність, а ПЕТ-плівка — неперервність поверхні і непроникність для вітру. Альтернативним методом є бутерброд — лист поліетиленової плівки між двох шарів тканини. Такий процес популярний при використанні тканини з високими характеристиками міцності та стійкості до дії ультрафіолетових променів, але відкритим способом плетіння. В останньому випадку тканина захищає плівку, що легше проривається. Складніше вітрило може поєднувати різні процеси. Дивись також статтю парусина.

Новітні розробки у виробництві вітрил[ред.ред. код]

На додачу до прогресу в отриманні екзотичних матеріалів, виробники вітрил також розвинули виробничі процеси зі створення «клеєних», «залитих» і ламінованих вітрил. Клеєні вітрила це звичайні панелі, склеєні дуже міцним полімерним клеєм, який твердне під дією ультразвуку. При заливанні вітрил, створюється правильно вигнута матриця з оптимальною тривимірною формою під вітрило, яке потрібно виробити. Плівка з поліетилену накладається на матрицю, спеціальна рама переміщується над плівкою і накладає волокна згідно інструкцій комп'ютера, у якому міститься числова модель майбутнього вітрила. Після цього другий шар поліетиленової плівки вкриває волокна, і весь «бутерброд» поміщується у вакуумну піч, де матеріали спікаються (термообробка). Результатом є гладеньке вітрило з меншою вагою і більшим діапазоном вітрових умов використання, ніж за традиційних методів.

Вага[ред.ред. код]

Вітрила для спокійної погоди важать близько 100 грамів/м². Штормові вітрила важать близько 500 грамів/м², хоча сучасні ламіновані вітрила можуть важити суттєво менше, в залежності від виду волокон, що використовуються.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. http://www.space.com/8584-japanese-spacecraft-deploys-solar-sail.html
  2. http://www.space.com/10666-nasa-solar-sail-satellite-success.html
  3. John Coleman Darnell (2006). «The Wadi of the Horus Qa-a: A Tableau of Royal Ritual Power in the Theban Western Desert». Yale. Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2010-08-24. 
  4. The sea-craft of prehistory, p76, by Paul Johnstone, Routledge, 1980
  5. Lewis, David (1994). We, the navigators : the ancient art of landfinding in the Pacific (вид. 2nd ed.). Honolulu: University of Hawaii Press. с. 7. ISBN 0824815823. 
  6. I. C. Campbell, «The Lateen Sail in World History», Journal of World History (University of Hawaii), 6.1 (Spring 1995), p. 1-23
  7. Marchaj, Czeslaw A. Sail Performance, Techniques to Maximize Sail Power, Revised Edition. London: Adlard Coles Nautical, 2003. Part 2 Aerodynamics of sails, Chapter 11 «The Sail Power of Various Rigs»
  8. Simon de Bruxelles (28 February 2007). «Pirates who got away with it by sailing closer to the wind». The Times. Процитовано 2008-09-10. 
  9. «When the wind is from behind, it works on the sails simply by pushing them and the boat's hull follows along.» Rousmaniere, John The Annapolis Book of Seamanship New Revised Edition Simon and Schuster 1989 ISBN 0-671- 67447 page 20
  10. «When air flows over and under an aerofoil inclined at a small angle to its direction, the air is turned from its course. Now, when a body is moving at a uniform speed in a straight line, it requires a force to alter either its direction or speed. Therefore, the sails exert a force on the wind and, since action and reaction are equal and opposite, the wind exerts a force on the sails.» Sailing Aerodynamics New Revised Edition 1962 by John Morwood Adlard Coles Limited page 17
  11. Gilbert, Lester. «Momentum Theory of Lift». Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2011-06-20. «errata should read F=mw/unit time» 
  12. «The physics of sailing». Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2011-06-21. 
  13. Marchaj, Czeslaw A. Sail Performance, Techniques to Maximize Sail Power, Revised Edition. London: Adlard Coles Nautical, 2003. Part 2 Aerodynamics of sails, Chapter 2 «How and Why an Aerodynamic Force is Produced», page 49 «Pressure differences - the right way to explain sail forces»
  14. http://www.friend.ly.net/~dadadata/junk/tutorial.html
  15. http://www.wingsails.com/cetiri.html
  16. http://www.tspeer.com/

Бібліографія[ред.ред. код]

  • Rousmaniere, John. The Annapolis Book of Seamanship. Simon & Shuster, 1999.
  • Chapman Book of Piloting (various contributors), Hearst Corporation, 1999.
  • Herreshoff, Halsey (consulting editor). The Sailor's Handbook. Little Brown and Company, 1983.
  • Seidman, David. The Complete Sailor. International Marine, 1995.
  • Jobson, Gary. Sailing Fundamentals. Simon & Shuster, 1987.
  • Marchaj, Czeslaw A. Sail Performance, Techniques to Maximize Sail Power, Revised Edition. London: Adlard Coles Nautical, 2003.

Посилання[ред.ред. код]


anchor Це незавершена стаття про морську справу.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.