Юный техник, 2002 № 04
Шрифт:
Можно ли плыть под парусом быстрее ветра? Вопрос, казалось бы, абсурдный. Но не будем спешить с выводами.
Вспомните детский эксперимент, обычно вызывавший недовольство родителей. Если взять свежую арбузную косточку и медленно сжать двумя пальцами, наступит момент, когда она выскользнет и улетит в дальний угол комнаты. Значит, малая скорость, действующая на тело сбоку, способна вызвать во много раз большую.
При желании все это можно объяснить через правило параллелограмма. Но практики
Впервые парус обогнал ветер в 1870 году. А произошло это на суше.
В те годы американский изобретатель Бэском, работавший на Канзас-Тихоокеанской железной дороге, построил парусную тележку для перевозки по рельсам рабочих и грузов (рис. 1).
Рис. 1
Порою ее скорость превышала скорость ветра и достигала 60 км/ч. С тех пор, правда, о применении парусов на железных дорогах не слышно.
Но в наше время рекордный буер-парусник, движущийся по льду на своеобразных коньках, при скорости ветра 15 км/ч может развить все 120. В 1960 году француз дю Буше за пять дней прошел на четырехколесном парусном экипаже по пескам Сахары 750 км. Выходя на дороги, он развивал до 80 км/ч. И это уже никого не удивляет. Однако успехи паруса на море скромнее. Здесь скорость ветра пока удается превысить лишь в два-три раза. Причина в том, что при боковом ветре на парус действует и боковая сила, сносящая его в ту же сторону. На земле, на рельсах или на льду ей противодействуют силы сцепления с дорогой, и, главное, на это почти не требуется тратить энергию. На воде же боковой упор создается за счет киля судна, который работает как крыло.
Крыло самолета характеризуется аэродинамическим качеством — отношением подъемной силы к силе тяги винта. Например, у хорошего самолета на каждый кг тяги создается 15 и более кг подъемной силы.
У старинных парусников длинный киль создавал огромное сопротивление и на один кг тяги «вырабатывал» лишь 2–3 кг силы бокового упора. Потому создатели скоростных парусных судов стараются поднять как можно выше гидродинамическое качество киля, чем дополнительно уменьшают расход энергии на создание упора, и аэродинамическое качество паруса, который тоже можно рассматривать как самолетное крыло. Для повышения качества крыла, работает оно в воздухе или в воде, применяются одни и те же способы. Его делают узким, тонким и длинным. Потому, например, у быстроходных яхт применяют не киль, а шверт, по сути, это крыло с большим относительным удлинением. Все чаще вместо паруса на быстроходных спортивных судах ставят крылья, потому что у них аэродинамическое качество выше, чем у паруса.
Глиссирующую яхту-катамаран с жестким парусом предложил в начале прошлого века американский конструктор О. Херешофф. Модель такой яхты длиной 0,76 м развивала скорость 10 узлов (14 км/ч). Изобретатель ожидал, что судно длиной девять метров должно развить скорость 30 узлов, двигаясь в 1,5 раза быстрее ветра. Однако на воде таких скоростей удалось достичь лишь к концу века.
Внешне такие парусники выглядят непривычно (рис. 2).
Рис. 2
Они имеют два, три и более корпусов, систему подводных крыльев, которые за счет изменения наклона выполняют роль швертов.
Эта тенденция доведена до крайности в «плавательном аппарате» — судном его назвать трудно — «гидрокрыло» Б.Смита. Здесь все подчинено цели как можно сильнее обогнать ветер.
Гидрокрыло состоит из пустотелой продольной балки с парой несущих подводных крыльев по концам (рис. 3).
< image l:href="#" />Рис. 3
Примечательно, что оба крыла расположены по одну сторону от балки. На ней расположена поворотная мачта-крыло, к которой крепится мягкий парус. Сбоку на шарнирно закрепленной балке установлено еще одно подводное крыло, служащее для сохранения устойчивости при боковом ветре. Управление аппаратом производится при помощи воздушного руля и стабилизатора, как на самолете.
Испытания радиоуправляемых моделей подтвердили возможность развить скорость 75 км/ч при ветре 28 км/ч.
Однако судно предназначено для достижения рекорда и сохраняет устойчивость только при ветре, дующем с одной стороны.
На рисунке 4 изображена модель парусника с жестким крылом, в которой чувствуется влияние идей Смита.
Рис. 4
Изобретатель надеялся получить устойчивое мореходное судно, способное перевозить груз в 25 т со скоростью около 60 км/ч.
Величина значительная, но до буеров этому паруснику далеко. Во всех этих случаях аэродинамическое качество крыла-паруса с учетом воздушного сопротивления корпуса судна не превышало десяти.
Увеличение скорости крылатых судов требует дальнейшего повышения качества их воздушных и подводных крыльев, но традиционный способ, основанный на улучшении профиля и повышении относительного удлинения, себя исчерпал. Возможно, сегодня в аэрогидродинамике происходит тихая революция. Появились компьютерные программы, позволяющие моделировать обтекание жидкостью или газом любых тел.
Московский изобретатель О.Г. Войцех обратился к старой идее решетчатого крыла, аналогичного птичьему. Оказалось, что при скоростях менее 150 км/ч аэродинамическое качество его на воздухе достигает 300! Продувки модели в аэродинамической трубе показали правильность выбранного пути. Если так, то ждите наступления эры крылатых судов! Тем же, кто не захочет сидеть сложа руки, для начала рекомендуем читать книги и статьи Ю.С. Крючкова, публиковавшиеся до 1991 года в известном ежеквартальном сборнике и журнале «Катера и яхты», и строить модели. Успехов вам!
А.ИЛЬИН
Рисунки автора
ФИЗИКА В ШКОЛЕ
Капли, которые гуляют сами по себе
Обычно жидкость под влиянием силы тяжести принимает форму того сосуда, в который она налита. В состоянии невесомости вода собирается в одну большую шарообразную каплю. Это было можно видеть в кинофильме космонавта Серебрякова «Физика в космосе», снятом на борту станции «Мир».
Действие силы тяжести мы не умеем устранять полностью, поэтому в земных условиях не сможем точно повторить космические опыты. Но порою действие силы тяжести на жидкость бывает не столь уж значительно, это дает возможность наблюдать поразительные явления.