Теория управления бесшветровыми досками

[lop]

Сообщение от Yukka

Спасибо за ответы, уважаемый lop.

Почему важна именно длина плавника? Сопротивление сносу же зависит от площади, а лобовое сопротивление кажется меньшим у короткого. Т. е. почему при равной площади плавников выгоднее длинный узкий, а не короткий широкий? (в водоизмещении)

Сопротивление сносу зависит не только от площади, но и от гидродинамического коэффициента бокового сопротивления обтекаемого тела. Последний же, для хорошо обтекаемых тел вроде плавника или крыла, зависит от многих факторов, но главными среди них являются угол дрейфа и удлинение тела, то есть отношение длины тела (размера поперёк потока) к его ширине (размера вдоль потока). Для двух плавников одинаковой площади, идущих с одинаковым углом дрейфа, чем больше удлинение, тем выше этот коэффициент, значит, тем большее боковое сопротивление создаёт такой плавник.

Объяснить это можно тем, что более длинный плавник способен в единицу времени зацепить большее количество воды и отбросить его в сторону, создав необходимую для нас боковую силу. Короткий же, пусть и широкий плавник, просто не достаёт до тех нижних слоёв воды, до которых достаёт длинный, а потому в принципе не может их отбрасывать в сторону. Чтобы сравняться с длинным, короткому нужно развернуться на больший угол к потоку, то есть увеличить угол дрейфа.

Увеличение угла дрейфа плохо само по себе, так как доска не сможет идти так же остро. Но ещё хуже то, что сопротивление короткого плавника при этом увеличивается быстрее, чем растёт его боковая сила. Дело в том, что коэффициент боковой силы (и сама эта сила) примерно пропорциональны углу дрейфа, при малых углах, до 10-12 градусов, это практически линейная зависимость. А вот коэффициент сопротивления с ростом угла дрейфа возрастает квадратично, то есть
примерно пропорционален квадрату угла дрейфа. Это связано с тем, что "лобовым" сопротивление у плавника будет только тогда, когда угол дрейфа равен нулю, то есть плавник движется вдоль потока, без отклонения на дрейф. Но такой плавник не способен создавать боковой силы, ради которой мы его и поставили. При дрейфе же к очень небольшому "лобовому" (сопротивлению, вызванному трением между водой и поверхностью плавника, а также слабым вихреобразованием вблизи задней кромки плавника, которое у длинного и короткого плавников равной площади примерно одинаковы) добавляется индуктивное сопротивление, вызванное отклонением потока вблизи плавника и перетеканием воды с одной стороны (подветренной) на другую вблизи кончика плавника - и оно растёт пропорционально квадрату угла дрейфа и так же, как и боковая сила, зависит от удлинения плавника. Чем длинее и уже плавник, тем хуже условия, тем меньше зона перетекания воды с одной стороны плавника на другую, тем ниже индуктивное сопротивление плавника.
Само "лобовое" сопротивление зависит не столько от площади "лба", как часто думают, то есть площади проекции плавника на плоскость, перпендикулярную потоку, сколько от всей площади поверхности плавника, а она у двух плавников равной площади и разной длины, как не трудно догадаться, одинаковая. Ведь основной вклад в лобовое сопротивление хорошо обтекаемого тела, каким является плавник, вносит сопротивление трения о поверхность, а не соударение воды со "лбом". На малых углах, до 3-4 градусов, индуктивное сопротивление меньше лобового, но затем оно быстро возрастает и становится доминирующим в суммарном сопротивлении плавника, которое можно считать суммой лобового и индуктивного.

Итак, что мы имеем у двух плавников одинаковой площади, работающих при одинаковом угле дрейфа в 5-7 градусов:
- у более длинного боковая сила сила больше за счёт более высокого коэффициента бокового сопротивления;
- у более длинного индуктивное, а значит и суммарное, сопротивление меньше, за счёт худших, чем у короткого широкого условий перетекания.
Понятно, что попытка достичь той же боковой силы на коротком плавнике увеличением угла дрейфа приводит к ещё большему его проигрышу, так как линейный рост боковой силы сопровождается опережающим, квадратичным ростом сопротивления.
Вот почему там, где важна большая боковая сила и малое сопротивление, стараются использовать узкие и длинные плавники.

Как зависит от формы паруса - соотношения размеров по мачте и гику, формы и способности к твисту верхней шкаторины, кривизны передней - способность резаться на ветер.

Сложным, никому точно не известным образом. Есть кое-какие общие соображения, но если валить всё в кучу, как сделано в вашем вопросе, то они, скорее всего, в этой куче и утонут. Например, касательно размеров по мачте и гику можно сказать то же самое, что выше было сказано про плавники: чем больше удлинение паруса, то есть, чем выше он по мачте и короче по гику, тем аэродинамически эффективнее этот парус, тем лучше он способен резаться на ветер. Теоретически. При прочих равных и идеализированных условиях. Но равных не получится, хотя бы потому, что форма уже будет другая . Идеальную форму паруса ищут сотни конструкторов парусов в течение десятков лет, и каждый год находят, но на следующий год находят ещё идеальнее. Конца этому процессу пока не видно. Поэтому, если вы сами не собираетесь создавать идеальный парус, то лучше довольствоваться теми, что делают другие, ориентируясь на результаты соревнований, в которых подобные паруса участвуют.
Ну, что ещё... Про плоский парус я уже говорил. Твист сам по себе никак не способствует крутизне хода, круче будет вообще без твиста. Аналогично и кривизна по передней, сама по себе она вряд ли улучшает лавировочные характеристики паруса, хотя, очень теоретически, придаёт ему некоторую дополнительную "эллиптичность", что, опять же теоретически, вроде бы неплохо. Но на практике почувствовать этот очень мизерный плюс вряд ли возможно, даже при наличии точнейших, ещё не изобретённых измерительных приборов. Опять возвращаясь к плавникам, можно утверждать, что плавники полуэллиптической формы на практике апсалютна никаких преимуществ этой своей формы перед плавниками с неэллиптичной формой не продемонстрировали. Проверено.

[meral]

хорошо режеться плоский парус без пуза с очень большой длиной по мачте и без твиста.
но при этом у него
нереально малая тяга(сильно зависит от профиля паруса)
гараздо сложнее управление и гуляющий ЦП
отсутсвие твиста ведет к резким рывкам на порывах и сложности удержания курса.

большинство парус просто есть копромиссом между тягой,сопротивлением потоку,возможностью работать в условиях порывистого ветра и волны. как самый простой пример - сравните например NP hellium парус для слабого ветра и флета и какойто из рейсовых(макс список условий) либо с тем же helcat'ом(явно лучше работает когда у него передоз).

[lop]

Всё верно, ну, разве что "нереально малая тяга" - реально малая, но на острых углах и она больше, чем у пузатого паруса, который на таких углах просто перестаёт тянуть доску вперёд. Вопрос-то был вполне конкретный, исключительно о способности резаться на ветер, а не об общей характеристике паруса. Ясно, что плоских нетвистованных досочных парусов в природе не существует, как и любителей исключительно резаться на ветер - надо же когда-то и подветер спускацо.

[meral]

да работает пузатый парус на таких углах.
можете посчитать.
сопротивление у него больше просто. намного больше тяги.

[lop]

У паруса бессмысленно одновременно говорить о его сопротивлении и его тяге. Налицо непонимание сути того, что есть сопротивление, и что есть тяга. Обычно говорят либо о боковой силе и тяге, как проекциях вектора полной аэродинамической силы на продольную и поперечную ось доски, либо о подъёмной силе и сопротивлении, как проекциях того же самого вектора на две другие оси, одна из которых совпадает с вектором вымпельного ветра, а вторая ему перпендикулярна.
В этом смысле тяга у пузатого пропадёт раньше, чем у плоского, хотя подъёмная сила (поперёк ветра) у него при этом будет больше.

[meral]

ну куда мне с моей физикой с вами тягаться.

то что в моей терминологии тяга в вашей терминологии подьемная сила.
сопостивление набегающему потоку и есть сопротивление.

[Леха@velokiev]

Я тут для интереса в программулине XFLR5 покрутил профиля.
Попробовал для начала парусный профиль нарисовать, тонкий, с мачтой и мачткарманом, че-то прога не смогла их посчитать.

Обломался, включил naca 0010 и 0015 и сравнил, на Ре 1.4 млн.
Тонкий лучше толстого до 4 градусов угла атаки, потом толстый лучше. По соотношению подъемной силы к сопротивлению.

Крутая программа! Чувствую себя не просто чайником, а чайником со свистком!

[meral]

чето слабо представляю себе выставление паруса на 4 градуса к ветру руками.

[Леха@velokiev]

Сообщение от meral

чето слабо представляю себе выставление паруса на 4 градуса к ветру руками.

То есть парус с профилем 0010 ты представляешь легко?

Важен принцип! Более пузатый профиль лучше на больших углах атаки, менее пузатый начинает выигрывать на малых.

Вообще-то это не новость, но получить такой результат из программулины было круто!

[lop]

Сообщение от meral

ну куда мне с моей физикой с вами тягаться.

то что в моей терминологии тяга в вашей терминологии подьемная сила.
сопостивление набегающему потоку и есть сопротивление.

Ну, поправить терминологию - дело не сложное. Можно назвать подъёмную силу паруса иначе, например, нормальной к ветру, или ещё как.

Ты лучше вот что скажи: у доски с плавником есть сопротивление, у паруса, по твоему, тоже есть сопротивление. Возникает вопрос, где у нас стоит моторчик, который оба сопротивления преодолевает и таки тянет доску с парусом (которые и тот, и другая этому сопротивляются) вперёд? Али парус, как мифический зверь тяни-толкай, одновременно и тянет доску вперёд, и сопротивляется этому?

Подъёмная сила - не тяга, она нужна самолёту не для того, чтобы тянуть его вперёд, у него для этого есть моторчег с пропеллером, а для того, чтобы поднять его вверх. Если самолёт не поднимется подъёмной силой, а будет бегать по земле, влекомый тягой моторчика, то это уже будет не самолёт, а афтамобиль с крыльями. Поэтому для лётчиков и конструкторов самолётов подъёмная сила важна.

Парусу подъёмная сила не особо интересна, потому что она ничего не поднимает, а только толкает парус и доску поперёк ветра. Но нам надо ехать не поперёк ветра, а носом вперёд, остальные проекции силы на парусе можно считать неизбежным мусором. Вот проекция аэродинамической силы на продольную ось доски нам и интересна, её я и называю тягой паруса, потому что только она не просто тянет, а тянет строго в нужном нам направлении. Только эта тяга способна увеличить нашу скорость движения вперёд, поперечная же к продольной оси доски составляющая аэродинамической силы тянет нас вбок и только мешает двигаться вперёд, туда, куда смотрит нос доски. Её логично назвать боковой силой и пытаться всячески уменьшить. А сопротивление и подъёмную силу оставь пелотам. Парус, он конечно будет сопротивляться движению воздуха, но без этого "сопротивления" мы бы вообще стояли на месте. Короче, читать Мархая.

[meral]

у вас странная какаято физика.
парус тянет в свей плоскости в результате разности давлений от ефекта бернулли.
сила тянущая вперед это только часть тяги паруса направленная по оси (вообще говоря не совсем по оси доски, вектор смещен) минус терние о воду и о воздух(для паруса существенное).

перепендикулярная соотовляющая компенсируется плавником.

[Леха@velokiev]

Сообщение от meral

у вас странная какаято физика.
парус тянет в свей плоскости в результате разности давлений от ефекта бернулли.

Так и запишем, в нестранной физике парус тянет в своей плоскости.
Та физика, где эта тяга приблизительно перпендикулярна этой плоскости - странная

[lop]

Видимо, нужно использовать нерусское слово Drive, тогда народ поймёт, что такое тяга. А то, что они тягой называют, обозвать таким же нерусским, но вовсе безграмотным словом Рower

[M1605]

Сообщение от meral

...парус тянет в свей плоскости...

Жаль что Сэр Те́ренс Дэ́вид Джон Пра́тчетт нас не читает, "Плоский мир" стал бы ещё невероятнее!

[HeliДеД]

смотрим "аэродинамику для чайников"- подъёмная сила- сила созаваемая на крыле(и на парусе тоже) из за неравномерного обтекания(эффекта Бернулли) перпендикулярная невозмущённому потоку -в нашем случае ветру. А сила тяги -сила направленная вдоль ДП. Здесь lop прав, а вчасти остального "мусора "нет.