Принципы работы виндсерфингового плавника или о том, что такое подъемная сила.

[m-1]

Сообщение от Surfmonster

Уважаемый Lop
Признаю замечания по физической терминологии, но возражений по существу процесса не вижу.

Значит, самое интересное в плавниках пока проходит мимо вас.

- При изгибе эффективность плавника снижается.

По сравнению с чем? С прямым?
Т.е., твистованный парус и согнутая вбок мачта хуже работают (или лучше)???

- Т.к. для сохранения курса изогнутому плавнику надо придать больший угол атаки, потому что изгибаясь, он еще и скручивается, и чем дальше от основания тем больше скручивание и потеря "подъемной силы", значит для сохранения курса основанию плавника необходимо придать больший угол атаки, а чем больше угол атаки, тем больше гидродинамическое сопротивление, направленное назад и соответственно меньшую скорость можно развить при прочих равных условиях.

Объяснение классическое, в меру продвинутое, но...

Скажите, разве райдер может разворачивать и удерживать доску на глиссировании так, как считает нужным, как ему хочется в силу собственных взглядов (под нужный угол атаки плавника)?
- Конечно, нет! (А почему?)
Кратковременно - может. А постоянно - нет. Только поставив ДРУГОЙ плавник (или парус..) райдер может изменить характер движения. Чувствуете разницу? - парус можно подстроить под среду (в относительно бОльших пределах хотя), а плавник - увы.

Вот правильный производитель и озабочен тем, как осуществить комплексную автостабилизацию доски ан предельных режимах... средствами плавника, в том числе.
И уж никак не абсолютной его жесткостью.
(Чуть-чуть про актуальность упругости плавника, особенности колебаний и характер твиста - говорили в другой теме... )

Попробуйте ответить на вопрос такого рода:
На критическом глиссировании плавник работает на пике своей поляры или на более низком ее участке?

(Как только ответите - увидите, что физика процесса оптимального глиссирования для плавника не так проста, ... имхо.
А вообще - приятно читать заинтересованные посты. )
__________
Ну а подымальная сила на ВС плавнике обязана существовать. По определению.
Как следствие правильного понимания процесса работы плавника.

[lop]

Сообщение от Surfmonster

Уважаемый Lop
Признаю замечания по физической терминологии, но возражений по существу процесса не вижу.

Это ... сильно зависит от того, что мы понимаем под "существом процесса", насколько глубоко собираемся его анализировать. В любом случае, если вы собираетесь обмениваться информацией, и хотите, чтобы ваша информация воспринималась правильно, знание некоторых терминов будет полезным.

Поясню по поставленному под сомнение утверждению:
"Интересно, почему изогнутый вбок плавник трётся о воду сильнее, чем не изогнутый? Шаршавость у него вырастает, чтоле. Почему я не медик?"
Попробую высказать корректно без аппеляций к медицине: При изгибе эффективность плавника снижается.

Вот, например, вы используете слово "эффективность". Но что вы имеете в виду, когда его используете, я, например, не знаю. Вроде бы эффективный, в отличие от неэффективного или малоэффективного, должен создавать больший эффект. Однако в чём именно этот эффект будет заключаться? Вроде бы основной эффект плавника, ради которого его и ставят на доску - препятствовать дрейфу. Но тогда выходит, что наиболее эффективным будет огромный широкий и длинный плавник, так как чем больше длина и площадь плавника, тем меньший дрейф мы получим. Однако никто таких плавников не ставит, поскольку такая "эффективность" вступает в очевидное противоречие с другим необходимым качеством - малым сопротивлением, необходимым для высокой скорости. Если мы хотим скорости, то вынуждены ограничивать эту бывшую уже "эффективность", уменьшая размер плавника: его длину и площадь, до некоторых разумных пределов. Да, плавник большей длины и площади будет лучше препятствовать дрейфу, но разогнаться с ним будет гораздо тяжелее, высокой скорости с таким не достигнуть. Плавник же слишком малых размеров, позволяя хорошо разгоняться на полных курсах, не позволит поддерживать высокую скорость на острых курсах, так как при большом дрейфе сопротивление его быстро возрастает. И каков же тогда критерий эффективности?
Вы утверждаете, что при изгибе эффективность плавника снижается. То есть наиболее эффективным должен быть "алмазный" несгибаемый (и нетвистуемый) плавник? Но, скажем, для формулы, где длина плавника ограничена, используют множество разновидностей плавников, в том числе и довольно гибких. Можете это объяснить, основываясь на понимании "существа процесса"?

Сила гидродинамического сопротивления, направленная назад вдоль линии движения доски, возрастает (Линия движения доски не совпадает с осевой линией доски и отклонена от нее на несколько градусов (На угол атаки)) Т.к. для сохранения курса изогнутому плавнику надо придать больший угол атаки, потому что изгибаясь, он еще и скручивается, и чем дальше от основания тем больше скручивание и потеря "подъемной силы", значит для сохранения курса основанию плавника необходимо придать больший угол атаки, а чем больше угол атаки, тем больше гидродинамическое сопротивление, направленное назад и соответственно меньшую скорость можно развить при прочих равных условиях.

Вот мы идём определённым курсом, имея на плавнике определённый угол дрейфа/атаки, пусть плавник изначально не изогнут и не скручивается. Что произойдёт с углом атаки сечения в нижней части (скажем, на 2/3 длины плавника от днища), если плавник изогнётся? Угол атаки уменьшится, так как сечение развернётся относительно продольной горизонтальной оси и поперечная компонента скорости потока в проекции на эту развёрнутую плоскость сечения уменьшится, а продольная компонента останется прежней. То есть, изгибаясь, плавник сам уменьшает угол атаки, поэтому естественно желание его владельца тот угол атаки восстановить до прежнего значения. То же самое можно сказать и о скручивании. Таким образом, мы не столько увеличиваем угол атаки плавника, сколько стремимся сохранить его первоначальное значение, уменьшившееся из-за изгиба и скручивания. Поэтому говорить о том, что изогнутый плавник следует вести с большим углом атаки, чем не изогнутый - это как-то неубедительно. Угол дрейфа доски возрастёт - это да, и связанное с ним увеличение сопротивления самой доски - возможно, но про плавник говорить однозначно, что при изгибе и скручивании его сопротивление непременно возрастёт я бы не стал. Особенно о скручивании. Вы уверены, что из двух плавников, один - абсолютно жёсткий, а второй - с твистом, сопротивление, при одинаковой боковой силе, будет больше у твистованного?

Ну и потом, вы так и не объяснили сущность процесса роста сопротивления с ростом угла атаки ... основания плавника. Площадь вроде та же, скорость по поверхности, по гамбургскому счёту, тоже вроде та же осталась: где-то чуть возросла, где-то уменьшилась, то есть воды мимо плавника трётся столько же, а сопротивление почему-то получается больше?

Коллеги!
Меня изначально очень заинтересовал вопрос о том поднимает плавник или нет?
Может быть еще раз оботрем эту тему, мне так и не понятно, хорошо бы написал кто-нибудь, кто реально знает.
При движении доски на ровном киле, но с изогнутым плавником в теории воникает составляющая, направленная вертикально вверх, т.к. подемная сила всегда перпендикулярна плоскости плавника, но раз сама плоскость уже несколько смотрит вверх за счет изгиба, то тут и появляется "подъемная сила" в чистом виде.
Вопрос:
Теория - теорией, а на практике это чуствуют и принимают в расчет? Василий, например, едет на плавнике 30м, выходит вертикальная составляющая может быть настолько значительной, что поднимает и тушку и снаряд, понятно, что если еще дашь крена на подветренный борт, то доска сразу месте со швертом выскочит из воды. Сам иногда ловлю такие моменты. Влюбом случае за счет изгиба давление доски на воду снижается и едет она лучше. Это в теории, а на практике это можно почувствовать? Это играет роль в гонках? Или все можно списать на то, что доска просто скачет по волнам? Опять же надо уточнить термин Lift - имеется виду эта вертикальная составляющая и способность плавника реально "поднимать" или хотя бы облегчать доску? Или это просто суммарная подъемная сила плавника, которая на практике воспринимается, как то, насколько хорошо в него можно упереться на скорости, при минимуме гидродинамического сопротивления, что ощущается как "легкий ход" доски?

Можешь не сумлеваться, есть такая сила на плавнике - подъёмная. Помимо боковой. Даже на 30см плавнике, если скорость хорошая, она чувствуется, ну уж а на длинных её порой и много бывает. Тут, похоже, кроме Джона никто в этом не сомневается, да и он, имхо, "дурку включил" для поговорить.

[AlohaSpb]

Сообщение от Surfmonster

Уважаемый Lop

Коллеги!
Меня изначально очень заинтересовал вопрос о том поднимает плавник или нет?
Может быть еще раз оботрем эту тему, мне так и не понятно, хорошо бы написал кто-нибудь, кто реально знает.
При движении доски на ровном киле, но с изогнутым плавником в теории воникает составляющая, направленная вертикально вверх, т.к. подемная сила всегда перпендикулярна плоскости плавника, но раз сама плоскость уже несколько смотрит вверх за счет изгиба, то тут и появляется "подъемная сила" в чистом виде.
Вопрос:
Теория - теорией, а на практике это чуствуют и принимают в расчет? Василий, например, едет на плавнике 30м, выходит вертикальная составляющая может быть настолько значительной, что поднимает и тушку и снаряд, понятно, что если еще дашь крена на подветренный борт, то доска сразу месте со швертом выскочит из воды. Сам иногда ловлю такие моменты. Влюбом случае за счет изгиба давление доски на воду снижается и едет она лучше. Это в теории, а на практике это можно почувствовать? Это играет роль в гонках? Или все можно списать на то, что доска просто скачет по волнам? Опять же надо уточнить термин Lift - имеется виду эта вертикальная составляющая и способность плавника реально "поднимать" или хотя бы облегчать доску? Или это просто суммарная подъемная сила плавника, которая на практике воспринимается, как то, насколько хорошо в него можно упереться на скорости, при минимуме гидродинамического сопротивления, что ощущается как "легкий ход" доски?

В гидродинамике "подъёмная сила" направлена по нормали к набегающему потоку (т.е. почти по нормали к плавнику или крылу). В контексте действия серфового плавника часто "подъёмной силой" (lift) называют эффект дополнительного "всплывания" кормы при определённых условиях. Эффект связан с отклонением плавника от вертикали (креном доски) и его изгибом. В результате появляется вертикальная составляющая силы (той самой "подъёмной" или "боковой" гидродинамической силы). Эта сила, разумеется, создаёт момент, стремящийся накренить доску на подветренный борт. Однако будет ошибкой считать, что этим моментом действие силы и ограничивается (похоже, так подумал Джон).
Важно, что есть компонента силы, направленная вверх.
Как на наличие этой компоненты отреагирует матчасть (будет ли только меняться крен, или же всплывёт корма, или и то, и другое), зависит от величины этой компоненты и распределения остальных сил (и их моментов), действующих в системе тушка-матчасть.

Для примера можно вспомнить самолёт. На каждом крыле возникает подъёмная сила. Соответственно, возникают два момента с каждой стороны, которые компенсируют друг друга. Это объясняет, почему самолёт не вращается вокруг своей оси. Однако, не объясняет, почему самолёт не падает. Для этого объяснения необходимо вспомнить про сами силы, создающие эти моменты.

Так и с плавником. Наклонённый и/или изогнутый плавник создаёт вертикальную силу. Эта сила разгружает корму и создаёт кренящий момент (который уравновешивается противоположным моментом прежде всего с стороны наших ног). Действие момента мы чётко видим, особенно когда слишком длинный плавник на скорости выворачивает нам ноги. Подъёмный эффект силы на плавнике отследить труднее, потому что доска всплывает в первую очередь по другой причине - просто от увеличения скорости. Плавник лишь добавляет свой вклад. Иногда этот вклад не велик, иногда довольно существенен. Зависит, очевидно, от размеров плавника, скорости доски, крена и т.д.

[lop]

При обтекании тела потоком жидкости (или газа) на его поверхности возникают касательные (патамушта направлены по касательной к поверхности) напряжения, вызываемые вязкостью жидкости и нормальное (патамушта направлено по нормали, то есть перпендикулярно, к поверхности) давление, от вязкости напрямую не зависящее. Разобьём поверхность тела на маленькие квадратики, в пределах которых касательное напряжение и нормальное давление можно считать постоянными. Если умножить для каждого квадратика величину касательного напряжения на площадь квадратика, то мы получим силу (вязкого) трения, направленную по касательной к поверхности квадратика и в направлении локальной скорости потока над квадратиком. Если умножить давление на площадь квадратика, то мы получим силу (гидродинамического) давления, направленную по нормали к квадратику. Если теперь просуммировать касательные и нормальные силы на всех квадратиках, то мы получим полную гидродинамическую силу, действующую на тело. Этой силе похер, где у нас верх, а где низ, подымает она тело или опускает - она на это тело действует в зависимости от скорости потока и ориентации в этом потоке нашего тела.

Если тело у нас не шар, и имеет различающиеся размеры по длине, ширине и высоте, то мы можем связать с этим телом систему координат, оси которой направить вдоль характерных направлений самого тела. Иногда её называют судовой или судостроительной. Например, для плавника, имеющего плоскость симметрии, естественно направить оси так: первую (Х), в плоскости симметрии, вдоль днища доски к носу; вторую (Z), тоже в плоскости симметрии, но перпендикулярно первой (то есть примерно вверх при условии, что доска лежит на спокойной воде), наконец, третью (Y) - перпендикулярно плоскости симметрии. Тогда проекции полной гидродинамической силы на оси этой системы координат можно назвать нормальной (на ось Y) и касательной (на ось Х) силами, по их ориентации к плоскости симметрии нашего плавника. Какая-то мелкая проекция на ось Z тоже будет, но она сильно меньше первых двух и о ней можно благополучно забыть.

Теперь рассмотрим другую систему координат, тоже связанную с телом, но оси её ориентированы не столько в соответствии с геометрическими особенностями самого тела, сколько в соответствии с особенностями обтекания этого тела потоком. Ось х этой системы координат направлена в том же направлении, в котором движется доска. Ось у этой системы координат будет перпендикулярна оси х и лежит в той же плоскости, в которой лежит вектор полной гидродинамической силы, третья ось перпендикулярна первым двум. Заметим, что с ориентацией плавника, равно как и понятиями "верх" и "низ" эта система координат прямо не связана, то есть ничего о них не знает. Это обычная для гидродинамики поточная система координат. И проекции полной силы в ней называются силой сопротивления (на ось х) и поперечной (к потоку) силой (на ось у). Иногда поперечную силу называют подъёмной, но в общем случае это неправильно, так как для доски без крена и плавника без изгиба никакого подъёма эта сила производить не будет, а при крене на наветренный борт будет, напротив, притапливать доску.

Наконец, рассмотрим третью систему координат, которая получается из поточной, если ось у ориентирована не по плоскости вектора полной гидродинамической силы, а лежит в горизонтальной плоскости. Поскольку скорость доски обычно тоже лежит в горизонтальной плоскости, то третья ось z будет вертикальна. Эту систему координат называют скоростной и для тел сложной формы часто используют вместо поточной. В частном случае горизонтального прямолинейного движения скоростная и поточная система координат обычно считаются эквивалентными. Поскольку ось х у поточной и скоростной систем одна и та же, то и проекция полной силы на эту ось останется прежней - это сила сопротивления. Проекция полной силы на горизонтальную ось у будет называться боковой силой, а проекция полной силы на ось z - подъёмной силой. И тогда все непонятки с подъёмной силой сгинут.

[AlohaSpb]

Спасибо за подробный и ясный обзор. По крайней мере, при случае можно будет сослаться на него, чтобы не повторяться.
Правда, в поточной системе координат поперечную силу также называют подъёмной (в той же Википедии). Это, конечно, только добавляет непоняток.
Видимо, упоминая подъёмную силу, нужно всегда указывать систему координат и ссылаться на пост Lopа.

Сообщение от lop

Проекция полной силы на горизонтальную ось у будет называться боковой силой, а проекция полной силы на ось z - подъёмной силой. И тогда все непонятки с подъёмной силой сгинут.

Многие, но не все. :)

Кроме проблем с терминологией, налицо непонятки с силами и моментами. Похоже, наличие момента силы у некоторых подменяет саму силу.

[lobzik]

Не осилил 10 страниц, потому заранее прошу прощенья, если вопрос тут уже обсуждался.
Вопрос такой: почему, например, слаломные плавники тонкие и длинные, а не короткие и широкие? По-моему, сила... (не дай бог сказать "подъёмная") с который плавник сопротивляется боковому сносу, должна быть пропорциональна (ну или примерно пропорциональна) его площади, а не длине, при прочих равных. Понятно, что длинный плавник при той же площади создает больший кренящий момент на доске, чем короткий. Доске так необходима эта сила?..
Где-то встречал упоминание, что короткий широкий плавник создает большее сопротивление потоку, чем длинный и узкий. Так ли это? Если да, то почему? Вроде бы наоборот, при той же толщине короткий плавник имеет меньшую площадь лобового сопротивления...

[ALEX3M]

Найди понятие- "гидродинамическое качество".
Зависит от удлиннения: чем больше, тем лучше.

[lobzik]

Нашел. Это отношение, в данном случае, этой самой силы, с который плавник сопротивляется боковому сносу, к его сопротивлению.
Ок, вопрос тогда звучит так: почему это самое гидродинамическое качество у короткого широкого плавника ниже, чем у длинного узкого? Чисто умозрительно это неочевидно как-то. Или это темные дебри гидродинамики и так сходу не понять, можно только принять как данность?

[ALEX3M]

как раз "чисто умозрительно" и понятно.
На конце каждого крыла происходит потеря подьемной силы.
Чем больше конец по сравнению с общим размером крыла, тем хуже- потери больше, сопротивление растет.
Поэтому стремятся удлиннение обычно увеличивать, особенно для гоночных аппаратов.

[lop]

1. Тонкие, точнее узкие (по размеру вдоль длины доски) и длинные плавники имеют более высокое качество, чем короткие и широкие. Более того, узкие и длинные плавники имеют более высокое качество, чем широкие и такие же длинные плавники (с большей площадью). Это вАжно, когда важнО и малое сопротивление для высокой скорости, и достаточная боковая сила для противодействия дрейфу. То есть на курсах, близких к галфвинду, характерных для слаломных досок. Вот почему. На полных курсах, характерных для досок спидовых, важнее малое сопротивление, сопротивление дрейфу же не имеет особого значения, поэтому на первый план выступает не столько высокое качество, сколько малое сопротивление. Напротив, для рэйсовых досок, для которых очень важно идти как можно острее на лавировке, некоторое увеличение максимальной боковой силы в ущерб качеству допустимо, так как при этом за счёт большей чем у слаломного плавника ширины уменьшается вероятность возникновения спинаута при больших углах атаки, характерных для режимов с относительно невысокой скоростью и большим дрейфом, что мы наблюдаем на лавировке.

Если бы боковая сила была примерно пропорциональна площади, а от длины зависела слабо, то плавники делали бы широкими и короткими. Представь, что у формулы повернули плавник на 90 градусов, длинной стороной прикрепив его к днищу, и получили бы ту же боковую силу. Очевидно, что не нашлось бы придурков, которые стали бы увеличивать осадку доски, если бы такое предположение было справедливым. У короткого широкого плавника обтекание его потоком происходит не столько по горизонтали, сколько по вертикали, в результате вдоль всей нижней кромки образуется мощный вихрь, который создаёт большое индуктивное сопротивление.

Термин же "площадь лобового сопротивления" вообще достаточно бессмысленный, так как лобовое сопротивление - сила - не имеет площади. Сила эта действительно зависит от площади, но не от площади проекции на некую "поперечную" относительно движения плоскость, а от всей площади плавника, а главное, эта сила в значительной степени зависит от картины обтекания плавника водой. Картины же обтекания "вертикального" формульного плавника и его "горизонтального" варианта отличаются разительно.

Ещё один важный фактор - это угол дрейфа. Если угол дрейфа равен нулю, то сопротивление "горизонтального" плавника будет меньше, чем сопротивление нормального "вертикального". Но ни тот, ни другой плавник при этом не будут создавать никакой боковой силы. Если же угол дрейфа будет одинаковым, скажем 10 градусов, то боковая сила на "вертикальном" плавнике будет в разы больше, а сопротивление - в разы меньше, чем на "горизонтальном". Наконец, при угле дрейфа в 30 градусов "вертикальный" плавник сорвётся в спинаут, боковая сила на нём упадёт почти до нуля, а сопротивление резко возрастёт; в то же время на "горизонтальном" плавнике спинаута не будет, он по прежнему будет создавать заметную боковую силу, хотя и его сопротивление будет значительным.

Длинный плавник при той же площади (и угле дрейфа) создаёт больший кренящий момент, чем короткий. Но прежде всего, он создаёт большую, чем короткий, боковую силу. С увеличением длины при неизменной площади кренящий момент действительно возрастает быстрее, чем растёт боковая сила, но это неизбежная цена, которую мы вынуждены платить за увеличение качества. Ведь чем длиннее плавник, тем большее количество неподвижной воды при той же скорости он в принципе способен "зацепить" и отбросить в сторону, выполнив тем самым свою основную функцию - создать боковую силу

[lobzik]

Сообщение от lop

чем длиннее плавник, тем большее количество неподвижной воды при той же скорости он в принципе способен "зацепить" и отбросить в сторону, выполнив тем самым свою основную функцию - создать боковую силу

Вот это был ключевой момент, теперь ясно, спасибо.

[m-1]

Сообщение от lop

... Ведь чем длиннее плавник, тем большее количество неподвижной воды при той же скорости он в принципе способен "зацепить" и отбросить в сторону, выполнив тем самым свою основную функцию - создать боковую силу

Еще чут-чуть! и вами будет сформулирована вполне современная и правильная/адекватная с точки зрения теории отечественная трактовка создания СИЛЫ на парусе и плавнике, которую не стыдно будет предлагать ВС народу, имхо.
(Но без упоминания ... эффекта коанды ТЕОРИЯ будет больше, чем хотелось бы лично мне, смахивать на плагиат, сорри.
Типа, шучу.)

[ALEX3M]

Сообщение от m-1

Еще чут-чуть! и вами будет сформулирована вполне современная и правильная/адекватная с точки зрения теории отечественная трактовка создания СИЛЫ на парусе и плавнике, которую не стыдно будет предлагать ВС народу, имхо.
(Но без упоминания ... эффекта коанды ТЕОРИЯ будет больше, чем хотелось бы лично мне, смахивать на плагиат, сорри.
Типа, шучу.)

Читаем Волкова "Мечта летать", многое становится понятно!

[John W1000]

Сообщение от lop

1. Тонкие, точнее узкие

Тезка, а что же "подъемная сила" у тебя потерялась, такая важная? Я надеюсь ты не из-за меня не включил ее в характеристики?

[lop]

Тока изза тебя
Оценивая влияние на гидродинамику геометрических характеристик плавника, правильнее было бы говорить о поперечной составляющей ГД силы, а не о боковой. При этом подъёмная сила обычно конечно тоже имеет место быть, положительная или отрицательная, в зависимости от угла крена и изгиба плавника. Но всё же заметной она становится только на сравнительно длинных плавниках., а реально влиять на сопротивление и скорость доски начинает только при длине плавника выше 45-50 см и сравнительно большом крене. Если же не впадать в тазоидную гигантоманию и говорить о досках вообще, то главной для плавника будет всё же боковая сила, которая слабо зависит от крена и соответствует основной функции плавника - препятствовать дрейфу. Я противник использования термина "подъёмная" вместо корректного "поперечная". Но я тут такой наверное один. Шож я один буду в ногу шагать, когда все не в ногу? Нравится народу подъёмная сила, тянет его в небо, больше он хочет быть "отважным лёччиком", чем "моряком".