Может ли парусное судно двигаться быстрее скорости ветра?

[EtCetera]

cinik в сообщении #818635 писал(а):

Вы что-то путаете - паруса "Алкионы" работают по другому принципу.

Извиняюсь, по-видимому, действительно спутал. Мне почему-то казалось, что у Кусто используется та же система, что и Флеттнера. Однако все равно не понятно, как такое судно может идти против ветра.

[samodelkin_5]

Немецкий физик Густав Магнус еще в 1852 году описал физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела.
Другой немец Антон Флеттнер в 1920 году создал роторные движители судна.
Эти движители имеют особое устройство в виде вертикальных вращающихся роторов, которые позволяют более рационально использовать энергию ветра для их движения. Роторные суда могут иметь от одного до четырёх роторов, которые вращаются вспомогательным двигателем.Суда могут ходить всеми курсами относительно ветра и лавировать. Однако они имеют два существенных недостатка:1) для движения судна необходимо вращение его роторов, а, следовательно, двигатель и запас топлива для его работы.
2) судно должно лавировать при движении не только против ветра, но и по ветру.
Отсюда вывод, роторный движитель может использоваться только как вспомогательный.

[arherr]

(Оффтоп)

Самый древний в мире волнорез
Ливанский город Ботрон считается одним из древнейших на планете. Он был основан примерно пять тысяч лет тому назад. Однако, сегодня мы поговорим не только о самом городе, но еще и волнорезе, который по праву считается древнейшим в мире.

Ботрон расположен в 50 километрах от Бейрута и в 30 километрах от Триполи. В свое время, он был одним из важнейших городов региона у финикийцев. Ученые считают, что название населенного пункта произошло от финикийского Bater, что переводится, как «резать». Волнорез появился здесь неслучайно. Изначально, это была естественная защита берега в виде окаменелых песчаных дюн. В первом столетии нашей эры финикийцы укрепили природное творение камнем. Длина волнореза составляет порядка 225 метров, и не разрушилась до сих пор. Высота колеблется от метра до полутора.
подробнее тут [censored]

[Toucan]

arherr, замечание за оффтопик. Сообщение убрано в тег [оff], ссылка удалена.

[Aleks1]

samodelkin_5 в сообщении #809538 писал(а):

Из соображений "здравого смысла" кажется, что парусное судно, приводимое в движение силой ветра не может двигаться быстрее скорости ветра. Однако это не совсем так. Официальный зарегистрированный рекорд скорости при плавании под парусом составляет 86.19 км/час, что в 2 раза больше чем скорость ветра в тот момент. Неофициальным рекордом считается скорость 187.8 км/час превышающая скорость ветра в 4 раза. Как это получается?

С одной стороны объяснение простое, если рассмотреть движение парусника на курсе галфинд (это движение перпендикулярно направлению истинного ветра ИВ) или на курсах, близких к галфинду, в режиме глиссирования. В этом случае если держать парус под неким постоянным углом к ИВ, этот ИВ действует на парус с постоянной силой, благодаря килю создаёт тягу в направлении движения парусника и разгоняет его до тех пор, пока сопротивление движению не станет равным силе тяги ветра. При движении в режиме глиссирования, например виндсерфа или катамаранов на подводных крыльях, сопротивление воды очень маленькое и парусник может спокойно разогнаться до скоростей, превышающих скорость ИВ в 1,5-2 раза. При этом получается, что макс скорость, которую теоретически может развить парусник в идеальном случае на курсах бакштаг (это курсы между галфиндом и фордевиндом) можно легко определить графически простым построением - откладываем вектор ИВ, на конце этого вектора проводим перпендикуляр, а затем из начала вектора ИВ проводим под разными углами векторы до перпендикуляра. Полученные векторы и будут теоретически возможными макс векторами скорости парусника, какие он может развить при движении под разными углами к ИВ на курсах бакштаг. Получается, что фордевинде парусник не может превысить скорость ИВ, а на курсах бакштаг проекция скорости парусника на ИВ не может превысить ИВ, т.е. ограничение скорости парусника такое - парусники не могут сливаться по ветру быстрее ветра. Разумеется все эти рассуждения не касаются случаев, когда парусник разогнался на галфинде быстрее ИВ, а затем резко повернул на фордевинд, или на курсе фордевинд ИВ разогнал парусник до некоей скорости, а затем резко стих, тогда конечно, парусник может какое-то время сливаться по ветру быстрее ветра.
И все вроде логично и хорошо объясняется физикой, но тут мне попалась книга Норвуда "Быстроходные парусные суда" и на стр.11 я с удивлением увидел поляру буера рис.1.9, из которой следует, что буер вроде как может разгоняться ветром до таких скоростей, что проекция скорости буера на ИВ может быть в 2-3 раза больше ИВ, т.е. буер по Норвуду может сливаться по ветру в 2-3 раза быстрее ветра. И тут я завис. Что это? Как это возможно? Это ошибка автора? Или всё-таки ИВ может разгонять парусники до такой скорости, что парусники могут сливаться по ветру быстрее ветра? А если ИВ может разгонять парусники до таких скоростей, то как это можно объяснить физически? Какой физический механизм лежит в основе этого? Кто как думает?

[amon]

Aleks1 в сообщении #1490279 писал(а):

Какой физический механизм лежит в основе этого?

Отличие буера от судна состоит в том, что во-первых, буеру не надо плавать, поэтому его можно сделать маленьким и обтекаемым с малой силой трения по льду, а во-вторых, он движется по твердой поверхности, и поэтому может двигаться без бокового сноса (конек врезается в лед и препятствует боковому дрейфу). Строго по ветру, IMHO, быстрее ветра ничего не поедет, а под углом, хотя бы небольшим - почему бы нет. Парус работает как крыло, создавая подъемную силу перпендикулярную, условно говоря, "плоскости" паруса (можно долго уточнять что это такое, но смысл, по-моему, понятен). Эту силу можно разложить на силу вдоль направления движения, разгоняющую буер до тех пор пока эта сила не сравняется с силой сопротивления (а она у буера мала), и поперечную силу, скомпенсированную силой реакции льда. Эта сила "поперечной реакции" у судна на воде зависит от скорости поперечного дрейфа, и равна нулю при отсутствии такого дрейфа. Поэтому у судна на воде все сложнее. Оно всегда, кроме как при движении фордевинд, "идет чуть боком".

[Aleks1]

amon в сообщении #1490304 писал(а):

Отличие буера от судна состоит в том, что во-первых, буеру не надо плавать, поэтому его можно сделать маленьким и обтекаемым с малой силой трения по льду, а во-вторых, он движется по твердой поверхности, и поэтому может двигаться без бокового сноса (конек врезается в лед и препятствует боковому дрейфу). Строго по ветру, IMHO, быстрее ветра ничего не поедет, а под углом, хотя бы небольшим - почему бы нет. Парус работает как крыло, создавая подъемную силу перпендикулярную, условно говоря, "плоскости" паруса (можно долго уточнять что это такое, но смысл, по-моему, понятен). Эту силу можно разложить на силу вдоль направления движения, разгоняющую буер до тех пор пока эта сила не сравняется с силой сопротивления (а она у буера мала), и поперечную силу, скомпенсированную силой реакции льда. Эта сила "поперечной реакции" у судна на воде зависит от скорости поперечного дрейфа, и равна нулю при отсутствии такого дрейфа. Поэтому у судна на воде все сложнее. Оно всегда, кроме как при движении фордевинд, "идет чуть боком".

Что такое буер и чем он отличается от судна я как бы в курсах.
Из аэродинамики подъемная сила перпендикулярна не "плоскости" паруса, а направлению набегающего потока, в случае с парусом это направление вымпельного ветра, который является векторной суммой истинного ветра и встречного, или курсового ветра. По моему пониманию именно истинный ветер ИВ создаёт тягу, а курсовой ветер создаёт сопротивление движению буера или судна. Так вот, если на курсе галфинд при постоянном угле установки паруса ИВ создаёт постоянную тягу, не зависящую от скорости буера, то на курсах бакштаг тяга от ИВ переменная, с увеличением скорости буера скорость ИВ относительно буера будет уменьшаться, соответственно будет падать сила, с которой ИВ толкает буер, когда буер достигнет такой скорости, что ее проекция на ИВ будет равна ИВ, то скорость ИВ относительно буера будет равна нулю и сила, с которой ИВ толкает буер, тоже будет равна нулю. За счёт чего буер будет дальше ускоряться? Допустим у нас курс бакштаг 135° относительно ИВ. Допустим буер разогнался до скорости $\sqrt 2$ИВ. Какие силы будут дальше разгонять буер?
Кстати, сила "поперечной реакции" у судна тоже не равна нулю из-за наличия киля, иначе бы парусное судно просто гнало бы по ветру как упавший в воду листок и оно не смогло бы идти другими курсами.

[EUgeneUS]

Aleks1

Скажите, Вы паруса ставите по истинному ветру или по вымпельному?

[Aleks1]

EUgeneUS в сообщении #1490313 писал(а):

Aleks1

Скажите, Вы паруса ставите по истинному ветру или по вымпельному?

Это Вы к тому, что вымпельный ветер какую-то дополнительную тягу создаёт, в дополнение к тяге ИВ?
Какую и за счёт чего?

[Geen]

amon в сообщении #1490304 писал(а):

Строго по ветру, IMHO, быстрее ветра ничего не поедет

Вроде бы ещё на первой странице давали ссылку.... да и обсуждение где-то, помнится, было.
В смысле можно (но не с парусом).

[sergey zhukov]

Aleks1
Чем ограничивается скорость вращения ветряной вертушки, расположенной перпендикулярно потоку ветра, дующего с постоянной скоростью, если лопасти вертушки медленно уменьшают угол атаки, приближаясь к положению, когда их плоскость почти перпендикулярна потоку?

[EUgeneUS]

1. Паруса нужно ставить, конечно, по вымпельному ветру.
Для каждого вымпельного ветра есть своя установка парусов, которая обеспечивает максимальную силу вдоль оси судна.
Для одинаковых вымпельных ветров она будет одинаковой.

2. Отсюда следует, что с разгоном судна установку парусов нужно менять, исходя из того, как меняется вымпельный ветер.

3. С разгоном судна вымпельный ветер все больше будет заходит на нос, если он не фордевинд. Пока не станет крутым бейдевиндом, при котором сила, создаваемая парусом, вдоль оси судна не упадет до нуля. Это случится не строго при левентике (который, вообще говоря, не может быть достигнут, если только истинный ветер не левентик), а несколько раньше.

В пункте (3) мы не рассматривали силу сопротивления среды, в которой движется судно.
а) Это в каком-то смысле применимо к буерам, где силой сопротивления коньков вдоль оси судна и аэродинамическим сопротивлением гондолы для грубых оценок можно пренебречь.
б) Для яхт все несколько сложнее. Грубо - сила сопротивления воды пропорционально квадрату скорости судна относительно воды.
Так как с ростом скорости при заходе вымпельного ветра на нос будет падать сила со стороны паруса (при оптимальной установке парусов), а сопротивление со стороны расти, то это и определит максимально достижимые скорость данного судна при данном ветре.

[amon]

Aleks1 в сообщении #1490314 писал(а):

Это Вы к тому, что вымпельный ветер какую-то дополнительную тягу создаёт, в дополнение к тяге ИВ?

При движении со скоростью, большей скорости ИВ, тягу создает составляющая вымпельного ветра, перпендикулярная направлению движения. Все остальное уходит в свисток на создание силы, перпендикулярной направлению движения (речь о буере).

-- 01.11.2020, 20:41 --

Geen в сообщении #1490317 писал(а):

В смысле можно (но не с парусом).

IMHO, нельзя - вечный двигатель получается.

[EUgeneUS]

Aleks1 в сообщении #1490314 писал(а):

Это Вы к тому, что вымпельный ветер какую-то дополнительную тягу создаёт, в дополнение к тяге ИВ?

Это я к тому, что парус вообще ничего "не знает" про истинный ветер. На парус дует вымпельный ветер.

[Aleks1]

sergey zhukov в сообщении #1490318 писал(а):

Aleks1
Чем ограничивается скорость вращения ветряной вертушки, расположенной перпендикулярно потоку ветра, дующего с постоянной скоростью, если лопасти вертушки медленно уменьшают угол атаки, приближаясь к положению, когда их плоскость почти перпендикулярна потоку?

Не совсем понял, какое отношение имеет Ваш вопрос к скорости буера.
Если угол атаки лопастей уменьшается, то лопасти приближаются к положению, когда их плоскость почти параллельна потоку ветра и перпендикулярна плоскости вращения ветряка. Тогда сила действия ветра на ветряк будет уменьшаться, а сила сопротивления вращению ветряка будет увеличиваться.