Может ли парусное судно двигаться быстрее скорости ветра?

[EUgeneUS]

А вообще, забавная задачка получается:

Есть буер: сопротивлением полозьев вдоль оси судна и аэродинамическим сопротивлением гондолы можно пренебречь.
Парусная система создает силу вдоль оси судна только до некоторого угла $\alpha$.
Скорость ветра $v$
Найти максимальную скорость судна.

[Dan B-Yallay]

amon в сообщении #1490323 писал(а):

IMHO, нельзя - вечный двигатель получается.

Там вообще какое-то лукавство. Сначала ветер разгоняет конструкцию (возможно с генератором, батареей и э/двигателем), а потом немного стихает и именно во время относительного штиля конструкция движется "быстрее ветра". Не знаю к чему там какие-то ухищрения с пропеллерами и т.п. Проще потяжелее телегу с парусом. Пусть ветер разгонит, а в безветрие радоваться что "быстрее ветра в $n$ раз"

[Aleks1]

EUgeneUS в сообщении #1490320 писал(а):

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.

Курсы левентик, бейдевинд, фордевинд и т.д. никогда не связываются с вымпельным ветром, они всегда определяются только относительно истинного ветра, иначе бы при одном и том же ИВ для идущих с разными скоростями парусников курсы левентик и пр. всегда были бы разные. Давайте придерживаться принятой в парусном спорте терминологии.
Я написал, что угол установки паруса постоянен относительно ИВ для простоты, чтобы проще было рассмотреть физическую задачу, при изменении угла установки паруса задача усложняется. Это конечно не значит, что на гонках нужно держать парус под одним и тем же углом, но мы не на гонках, а на физическом форуме, поэтому для упрощения рассмотрения физики процесса было предложено такое условие.
Вы написали общеизвестные вещи. Вопрос был в другом - судя по поляре в книге Норвуда буера могут сливаться по ветру быстрее ветра раза в 2-3. Вопрос был в следующем - это действительно возможно, и если возможно, то каков физический механизм этого явления или это просто ошибка Норвуда?

-- 01.11.2020, 21:15 --

EUgeneUS в сообщении #1490327 писал(а):

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.

Так я не понял - создаёт дополнительную тягу вымпельный ветер, в дополнение к тяге ИВ или нет? Если создаёт, то как, за счёт чего? Ещё раз - по моему мнению тягу создаёт только истинный ветер, если ИВ=0, то каким бы способом вы не разгоняли парусник, никакой появившийся при этом вымпельный ветер не сможет создать тягу и поддерживать движение парусника.

-- 01.11.2020, 21:22 --

amon в сообщении #1490323 писал(а):

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).

Если на курсе галфинд, то парусник на глиссере может разгоняться до скорости, большей ИВ, и для объяснения этого достаточно одного ИВ. В конце концов вымпельный ветер всегда можно разложить на ИВ и курсовой ветер и затем считать тягу только от ИВ, так как курсовой ветер никакой тяги не создаёт, он только тормозит. Я так понимаю.

-- 01.11.2020, 21:34 --

EUgeneUS в сообщении #1490329 писал(а):

А вообще, забавная задачка получается:

Есть буер: сопротивлением полозьев вдоль оси судна и аэродинамическим сопротивлением гондолы можно пренебречь.
Парусная система создает силу вдоль оси судна только до некоторого угла $\alpha$.
Скорость ветра $v$
Найти максимальную скорость судна.

На первой странице есть ссылка на аналогичную задачку, сопротивление равно нулю, курс только перпендикулярен ветру, угол $\alpha$ - это угол установки паруса относительно курса, там пришли к ответу - $v \ctg\alpha$.

[EUgeneUS]

Aleks1 в сообщении #1490333 писал(а):

Курсы левентик, бейдевинд, фордевинд и т.д. никогда не связываются с вымпельным ветром, они всегда определяются только относительно истинного ветра, иначе бы при одном и том же ИВ для идущих с разными скоростями парусников курсы левентик и пр. всегда были бы разные. Давайте придерживаться принятой в парусном спорте терминологии.

1. Сорри, за неверное использование терминологии. Я на яхте ходил один раз, и то брасы со шкотами перепутал.
2. Левентик и фордевинд направления бы не поменяли.

Aleks1 в сообщении #1490333 писал(а):

Вы написали общеизвестные вещи

Вот и прекрасно.

Aleks1 в сообщении #1490333 писал(а):

Я написал, что угол установки паруса постоянен относительно ИВ для простоты, чтобы проще было рассмотреть физическую задачу, при изменении угла установки паруса задача усложняется. Это конечно не значит, что на гонках нужно держать парус под одним и тем же углом, но мы не на гонках, а на физическом форуме, поэтому для упрощения рассмотрения физики процесса было предложено такое условие.

Вот именно, что на физическом форуме. А физика говорит, что угол установки (upd: оптимальный угол установки) паруса зависит от вымпельного ветра, и никак не зависит от истинного.

Aleks1 в сообщении #1490333 писал(а):

Вопрос был в другом - судя по поляре в книге Норвуда буера могут сливаться по ветру быстрее ветра раза в 2-3. Вопрос был в следующем - это действительно возможно, и если возможно, то каков физический механизм этого явления или это просто ошибка Норвуда?

Поляру в книге Норвуда я не видел. Посмотрел бы, если Вам не сложно привести URL.

Однако, из простых физических соображений, если:
а) парусная система может создавать силу вперед при сколь угодно остром встречном ветре (относительно паруса, конечно).
б) сила сопротивления (полозьев и гондолы) нулевая при любой скорости.
то скорость судна может быть любой.

[Geen]

amon в сообщении #1490323 писал(а):

IMHO, нельзя - вечный двигатель получается.

Пропеллер останавливает поток воздуха (ветер) - энергия берётся отсюда.

[amon]

Geen в сообщении #1490344 писал(а):

Пропеллер останавливает поток воздуха (ветер) - энергия берётся отсюда.

Отсюда нельзя, точно вечный двигатель получится (я эту байду разогнал, вскочил на нее и поехал). Надо использовать разность скорости воды и ветра, то есть какой-то водяной винт нужен.

[EUgeneUS]

Aleks1 в сообщении #1490333 писал(а):

На первой странице есть ссылка на аналогичную задачку, сопротивление равно нулю, курс только перпендикулярен ветру, угол $\alpha$ - это угол установки паруса относительно курса, там пришли к ответу - $v \ctg \alpha$.

(поправил запись формулы в цитате, чтобы было всё в LaTeX)

Там более идеализированный случай, чем я предложил в задаче.
Но там как раз видно, что уменьшая угол установки паруса, мы получим, сколь угодно большую скорость. Это то, о чём я писал в предыдущем посте.

[Geen]

amon в сообщении #1490346 писал(а):

Надо использовать разность скорости воды и ветра

Ну да, конечно - пропеллер от колёс/подводного винта крутится.

[Aleks1]

EUgeneUS в сообщении #1490340 писал(а):

1. Сорри, за неверное использование терминологии. Я на яхте ходил один раз, и то брасы со шкотами перепутал.
2. Левентик и фордевинд направления бы не поменяли.

Если левентик у Вас когда вымпельный, а не ИВ, в лицо, то почему это левентик не поменяет направление? А как Вы фордевинд для вымпельного ветра определите?

EUgeneUS в сообщении #1490340 писал(а):

Вот именно, что на физическом форуме. А физика говорит, что угол установки паруса зависит от вымпельного ветра, и никак не зависит от истинного.

Угол установки паруса зависит не от вымпельного ветра, а от яхтсмена или от серфера. И какая это физика говорит, что угол установки паруса от истинного ветра не зависит? Это почему не зависит, если только ИВ по моему мнению даёт тягу? Какие у Вас физические аргументы? То, что на реальной каталке яхтсмен ощущает только вымпельный ветер, и по этим ощущениям и устанавливает парус, это не физический аргумент.

EUgeneUS в сообщении #1490340 писал(а):

Поляру в книге Норвуда я не видел. Посмотрел бы, если Вам не сложно привести URL.

Однако, из простых физических соображений, если:
а) парусная система может создавать силу вперед при сколь угодно остром встречном ветре (относительно паруса, конечно).
б) сила сопротивления (полозьев и гондолы) нулевая при любой скорости.
то скорость судна может быть любой.

Просто забейте в поисковик Норвуд "Быстроходные парусные суда" и получите много ссылок.
Я уже писал, что по моему мнению на курсе бакштаг допустим 135° когда скорость буера достигает скорости $\sqrt 2$ИВ, то в этом случае относительно буера скорость ИВ=0, поэтому из простых физических соображений на этом курсе скорость буера не только не может быть какой угодно, но она не может быть больше скорости $\sqrt 2$ ИВ. Но у Норвуда из поляры для буера следует, что скорость буера на этом курсе может быть больше. Вот я и интересуюсь, может есть какие-то непростые физические соображения? Или у Норвуда ошибочная поляра.
Ещё раз, речь идёт о курсе бакштаг, а не о курсе галфинд, а в той задаче рассматривается только галфинд. На галфинде какую бы скорость не развил буер, он не будет сливаться по ветру быстрее ветра, он вообще не будет сливаться по ветру, проекция его скорости на ИВ равна нулю, т.к. скорость буера перпендикулярна ИВ. У Норвуда в поляре на галфинде скорость буера раз в 8 больше скорости ИВ, это не удивляет, удивляет, что у него на курсах бакштаг 140-160° скорость буера такова, что проекция этой скорости на ИВ больше ИВ раза в 2-3, т.е. буер может сливаться по ветру быстрее ветра.

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Помогите решить / разобраться (Ф)» в форум «Карантин»
по следующим причинам:

- неправильно набраны формулы (краткие инструкции: «Краткий FAQ по тегу [math]» и видеоролик Как записывать формулы).

Тема древняя, так что замечание относится к возобновившему ее участнику. Исправьте все Ваши ошибки и сообщите об этом в теме Сообщение в карантине исправлено.
Настоятельно рекомендуется ознакомиться с темами Что такое карантин и что нужно делать, чтобы там оказаться и Правила научного форума.

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Карантин» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»

[EUgeneUS]

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

Если левентик у Вас когда вымпельный, а не ИВ, в лицо, то почему это левентик не поменяет направление?

Потому что, как истинный левентик, так и "вымпельный левентик" будет "в лицо". Аналогично и с фордевиндом, если скорость судна не равна скорости истинного ветра.

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

Угол установки паруса зависит не от вымпельного ветра, а от яхтсмена или от серфера.

Я знал Поэтому позже уточнил - что имеется в виду оптимальная установка парусов. Под оптимальной установкой парусов понимается такая, что скорость судна будет максимальной. сила, создаваемая парусом в направлении курса, будет максимальной.

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

Это почему не зависит, если только ИВ по моему мнению даёт тягу?

Это по Вашему мнению. А на самом деле аэродинамические силы, действующие на парус, не зависят от скорости ветра относительно березы на берегу. Они зависят от скорости потока относительно паруса, то есть от вымпельного ветра. И установки паруса относительно вымпельного ветра.

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

Просто забейте в поисковик Норвуд "Быстроходные парусные суда" и получите много ссылок.

Забил, рыться в них ну нет никакого желания. Может Вы выложите скан\фотографию конкретной страницы с полярой?

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

то в этом случае относительно буера скорость ИВ=0

Подставим определение ИВ:
"то в этом случае относительно буера скорость ветра относительно берега будет равна нулю". Смысл, где-то потерялся. Кто на ком стоял, и что относительно чего?
Скорость ветра относительно буера - это вымпельный ветер.

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

удивляет, что у него на курсах бакштаг 140-160° скорость буера такова, что проекция этой скорости на ИВ больше ИВ раза в 2-3, т.е. буер может сливаться по ветру быстрее ветра.

я задачку разместил в олимпиадном разделе. И решение там опубликую, но позже.

Но сразу скажу, у меня получилось так: если буер может двигаться "против ветра", то есть на курсах бейдевинд, то он может сливаться по ветру быстрее ветра. Речь именно про буер, так как для яхт нужно учитывать сопротивление воды, и всё становится сложнее.
Так что ничего удивительного, так-то.

-- 02.11.2020, 13:49 --

Кстати, у меня получилось, что данный буер (из Вашего примера и моей задачи на основе него) при курсе бакштаг 150° будет сливаться по ветру со скоростью превышающую скорость ветра примерно в 4.2 раза.
Вы пишите, что у Норвуда на поляре получается 2-3 раза.
Было бы, конечно, интересно взглянуть на саму поляру и то, как Норвуд её строил, чтобы понять откуда такая разница.

[Aleks1]

EUgeneUS в сообщении #1490418 писал(а):

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

Если левентик у Вас когда вымпельный, а не ИВ, в лицо, то почему это левентик не поменяет направление?

Потому что, как истинный левентик, так и "вымпельный левентик" будет "в лицо". Аналогично и с фордевиндом, если скорость судна не равна скорости истинного ветра.

Допустим одно судно движется под 45° градусов к ИВ, другое под 315° к ИВ, если оба они достигли такой скорости, что у обоих вымпельный ветер в лицо, то эти "вымпельный левентики" у них будут разные. А с фордевиндом как? Вымпельный ветер должен в корму дуть?
Вот истинные левентик и фордевинд - они одни и те же для всех судов.

EUgeneUS в сообщении #1490418 писал(а):

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

то в этом случае относительно буера скорость ИВ=0

Подставим определение ИВ:
"то в этом случае относительно буера скорость ветра относительно берега будет равна нулю". Смысл, где-то потерялся. Кто на ком стоял, и что относительно чего?
Скорость ветра относительно буера - это вымпельный ветер.

Aleks1 в сообщении #1490353 писал(а):

удивляет, что у него на курсах бакштаг 140-160° скорость буера такова, что проекция этой скорости на ИВ больше ИВ раза в 2-3, т.е. буер может сливаться по ветру быстрее ветра.

я задачку разместил в олимпиадном разделе. И решение там опубликую, но позже.

Но сразу скажу, у меня получилось так: если буер может двигаться "против ветра", то есть на курсах бейдевинд, то он может сливаться по ветру быстрее ветра. Речь именно про буер, так как для яхт нужно учитывать сопротивление воды, и всё становится сложнее.
Так что ничего удивительного, так-то.

В общем, как мне кажется, разобрался, у Норвуда поляра должна быть правильная, буер действительно может сливаться по ветру быстрее ветра.
Дело тут, как я понял, в разных системах отсчёта. Для наблюдателя на берегу есть ИВ только с одним направлением, для наблюдателя на судне вымпельный ветер и есть ИВ, только направления этого ИВ для наблюдателя на судне могут меняться. Этот ИВ для наблюдателя на судне по мере разгона судна на курсах, не параллельных к ИВ, поворачивается относительно направления движения судна, просто чтобы не путаться, в парусном спорте ветер для наблюдателя на берегу назвали ИВ, а ветер для наблюдателя на судне назвали вымпельным ветром, а энергия для движения парусного судна берется из одного источника - из ветра. Написал немного путанно, но надеюсь, что понять мысль все же можно.
Задачу посмотрю.

[EUgeneUS]

Aleks1 в сообщении #1490426 писал(а):

Допустим одно судно движется под 45° градусов к ИВ, другое под 315° к ИВ,

Значит эти суда двигаются ни в левентик, ни в фордевинд. По определению левентика и фордевинда.

Aleks1 в сообщении #1490426 писал(а):

если оба они достигли такой скорости, что у обоих вымпельный ветер в лицо,

этого они никогда не достигнут.

Aleks1 в сообщении #1490426 писал(а):

В общем, как мне кажется, разобрался, у Норвуда поляра должна быть правильная, буер действительно может сливаться по ветру быстрее ветра.

Вот и хорошо.

Aleks1 в сообщении #1490426 писал(а):

Задачу посмотрю.

Кстати, посмотрел я Норвуда. У него решается ровно та же самая задача.
Только он берет в качестве исходных данных - эмпирические данные по разным типам судов (на рисунках 1.5, 1.6 и их сумму на рисунке 1.7).
В задаче же, предполагается упрощенное решение, в котором график на рисунке 1.7 из Норвуда будет прямой горизонтальной линией, без подъема на больших углах.
И поляра в задаче получается в виде окружности, сдвинутой относительно начала координат, а у Норвуда - вытянутый лепесток.
Вот такая поляра получается.

[Aleks1]

EUgeneUS в сообщении #1490418 писал(а):

Кстати, у меня получилось, что данный буер (из Вашего примера и моей задачи на основе него) при курсе бакштаг 150° будет сливаться по ветру со скоростью превышающую скорость ветра примерно в 4.2 раза.
Вы пишите, что у Норвуда на поляре получается 2-3 раза.
Было бы, конечно, интересно взглянуть на саму поляру и то, как Норвуд её строил, чтобы понять откуда такая разница.

Норвуд не описывает, как он ее строил, похоже поляры (в книге несколько поляр, для разных парусников) он не рассчитывал, а построил на основе экспериментальных данных.
Скрин страницы сделать не проблема, как скрин здесь разместить? Картинки сначала нужно на каких-то хостингах картинок размещать. Проще книгу скачать.