Умеренное стремление яхты на привод может заметно повысить удовольствие от управления ею. Откуда появляется тяга яхты к приводу на ветер и как управлять этой ее особенностью?
Текст Ларса Болле
Стремление парусной яхты самостоятельно менять свой курс, ложась носом на ветер, является позитивной особенностью. Приведение лодки к ветру свидетельствует, что она идет быстрее. Кроме того, она может иметь свойство во время лавировки стремиться идти на грани заполаскивания парусов, что помогает рулевому найти оптимальный курс. Такая особенность парусного судна приводит к постоянному давлению на руль, что обеспечивает на нем хорошую обратную связь. Ну и дополнительно стремление яхты привестись имеет и определенный аспект безопасности, поскольку при потере управления она не сможет плыть самостоятельно. Однако данный аспект часто чрезмерно переоценивают. Вкратце рассмотрим его, чтобы впредь к нему не возвращаться.
Хотя это и противоречит принципам хорошей морской практики, все же бывают случаи, когда рулевой оставляет руль без присмотра. Рулевой может заснуть, потерять сознание или спуститься под палубу, чтобы проверить курс и позицию яхты. В последнем случае он старается как-то зафиксировать руль в надлежащем положении, например при помощи тросов. Если имеется автопилот, то вообще нет никаких проблем в том, чтобы на некоторое время оставить руль без присмотра. Однако если автопилот (или фиксатор руля) не справляется со своей задачей, яхта выйдет из-под контроля и сама ляжет на выбранный ею курс. Это не очень хорошо, но меньшим злом в данном случае является приведение яхты к ветру до момента заполаскивания парусов, после чего она потеряет ход. Однако если не взять судно под контроль в этот момент, оно приобретет задний ход, после чего последствия могут быть уже непредсказуемы. Яхта может сильно увалиться или даже совершить неконтролируемый поворот через фордевинд. О возникающем при этом хаосе на борту не стоит даже и говорить.
Столь же сильно порой переоценивают приведение яхты к ветру и в случае падения человека за борт. В условиях слабого ветра лодка, даже приведясь к ветру, будет продолжать движение, так что даже очень хорошему пловцу будет почти невозможно настичь ее. В условиях сильного ветра она и в самом деле может очень быстро встать в положение левентик, но остается вопросом, удастся ли упавшему за борт доплыть до нее в мешающем спасательном жилете.
Но все это лишь побочные аспекты стремления яхты идти на привод. Оно особенно хорошо заметно, когда яхта развивает под парусами большую скорость. Почему дело обстоит именно так, объясняет сложная взаимосвязь сил и моментов, действующих на парусное судно. В упрощенном варианте подобное поведение парусной лодки можно объяснить соотношением гидро- и аэродинамических сил, действующих на яхту.
Точка, к которой приложена результирующая всех гидродинамических сил и разниц давления, прикладываемых к яхте ниже КВЛ, называется центром бокового сопротивления (ЦБС). Ее аналог, но уже для аэродинамических сил, называется центром парусности (ЦП). Как сказывается разность взаимного положения ЦП и ЦБС на способности яхты удерживать заданный курс, показывают приводимые на этой странице рисунки. Они показывают изначальные конструктивные особенности яхт, отображая взаимовлияние сил и моментов лишь при отсутствии крена (или при минимальном крене) в условиях очень слабого ветра. В этих условиях большинство яхт нейтрально на руле. Это делается намеренно – если в этих условиях сделать яхту приводящейся к ветру, то при усилении ветра и росте угла крена она быстро выйдет из-под контроля. Поэтому нейтральное поведение на руле – или даже легкая тенденция на увал – при малом угле крена в тихую погоду является нормой и не обсуждается.
Желаемая тенденция на привод появляется при усилении ветра и нарастающем угле крена, однако порой быстрее, чем хотелось бы. При крене ЦП отчетливо смещается под ветер, а ЦБС, напротив, на ветер. Параллелограмм сил существенно модифицируется, как это показывают рисунки на следующей странице. Противостоящие друг другу силы больше не компенсируют друг друга, возникает заметный вращающий момент, заставляющий яхту приводиться к ветру.
Однако, как это ни странно, это объяснение, которое знает любой выпускник парусной школы, порой оказывается трудным для полного понимания. Попробуем дать упрощенную трактовку приведенных схем: представьте себе все силы, действующие на яхту ниже ее КВЛ, тормозящими, а все силы, действующие на паруса, – тянущими яхту вперед. Представьте себе, что в синей точке, обозначающей на нашем рисунке ЦБС яхты, находится вбитый гвоздь как символ торможения судна. Таким образом, при приложении силы тяги к ЦП яхта будет стремиться повернуться вокруг этого самого «гвоздя» – носом на ветер, поскольку появляется плечо рычага и соответственно возникает вращающийся момент.
Этому моменту противодействует рулевой, управляющий яхтой и устанавливающий перо руля в набегающем потоке таким образом, что на подветренной стороне пера руля возникает повышенное давление (как это показывают рисунки на последующих страницах). За счет возникновения в подводной части еще одного участка с повышенным давлением (и как следствие сопротивлением) ЦБС смещается несколько назад, в корму. При этом взаиморасположение ЦП И ЦБС меняется таким образом, что приводящий момент уменьшается и яхта сохраняет прямолинейное направление движения. Надо отметить, что это заметнее на яхтах с раздельно стоящим рулем, в первую очередь на современных лодках с коротким килем. На судах с длинным килем бороться с приведением поворотом руля удается гораздо хуже, поскольку перо руля на таких лодках зачастую имеет гидродинамически невыгодную форму, развивающую меньшую подъемную силу. Но яхты с длинным килем имеют свое очень важное достоинство: ЦБС их корпусов почти всегда находится позади их ЦТ. Это приводит к тому, что киль оказывает сильное стабилизирующее воздействие на курс яхты. Поэтому лодки с длинным килем очень хорошо сохраняют прямолинейное направление движения.
Многое зависит и от формы подводной части яхты. Яхты с S-образной формой шпангоутов имеют, как правило, либо острую, либо сильно зауженную корму. Современные яхты с U-образными обводами, имеющие большие подпалубные объемы, особенно в корме, имеют довольно широкие транцы. Порой ширина яхты на транце равна ширине яхты на миделе. Это не только повышает комфорт, но и в ряде случаев положительно влияет на ходовые качества. При движении яхты без крена или с небольшим креном – на полных курсах – возникают благоприятные условия для выхода на глиссирование. Разумеется, лишь в том случае, если водоизмещение яхты невелико, а паруса развивают достаточную тягу. К тому же плоские и широкие U-образные обводы заметно повышают статическую остойчивость (остойчивость формы).
Но подобная форма современных яхт приводит к усилению их стремления к приводу при росте крена по сравнению со старыми яхтами. Это показывают схемы на следующей странице. Когда яхта стоит без крена, ее конструктивная диаметральная плоскость (ДП) совпадает с плоскостью симметрии ее подводной части – и с уловной линией, которая соответствует направлению движения яхты относительно воды. Без крена яхта всегда движется туда, куда направлен ее нос. Когда же современная яхта с большой шириной начинает крениться, форма ее креновых ватерлиний быстро становится асимметричной, при этом бОльшая часть площади креновой ватерлинии уходит на подветренную часть, смещаясь в корму. Диаметральная плоскость яхты больше не совпадает с осью симметрии подводной части яхты – последняя становится направленной на ветер, хотя сам по себе курс яхты остался неизменным. Это явление способствует усилению рассмотренного выше стремления яхты привестись к ветру. Дополнительно происходит еще вот какая вещь: поскольку современная яхта имеет очень большие объемы именно в корме (о чем сказано выше), то при погружении в воду подветренного борта ее объемистая корма притапливается меньше, чем острый нос. В итоге кормовая часть яхты немного подвсплывает. Это может привести к выходу части пера руля из воды, что приводит к смещению ЦБС вперед. Это увеличивает рычаг приводящего момента, что требует усиленной перекладки руля на современных яхтах. Это вызывает за собой рост сопротивления и в ряде случаев срыв потока с пера руля, уменьшающего эффективность работы последнего. С этим можно бороться, добавляя второе перо руля, что сегодня происходит уже и в мире массовых крейсерских яхт (пример тому – новые лодки Bavaria и Beneteau).
Итак, формы киля и корпуса старых яхт с длинным килем способствуют их бОльшей курсовой стабильности и снижают стремление таких яхт к приводу на ветер. Это наглядно подтвердил большой тест, опубликованный в YR № ХХ. Однако платой за это является уменьшение обитаемости (за счет узкого корпуса с небольшими объемами) таких яхт. Тем не менее и яхты с такими корпусами приводятся на ветер – за счет изменения взаимного положения ЦП и ЦБС, о чем сказано выше. При этом руль на таких яхтах менее эффективен. Поэтому у яхт с длинным килем тоже может наступить момент, когда перекладка руля под ветер не меняет курс судна, а только тормозит его.
Какова зависимость между углом крена и углом перекладки руля является наилучшей, какая степень стремления яхты привестись является нормальной, а какая – вредной, различается от конструкции к конструкции. Неким базовым правилом может служить следующее соотношение: на острых курсах при ветре силой от двух до трех баллов желателен угол перекладки руля под ветер около 3°, при усилении ветра этот угол может доходить до 6°. При увеличении угла перекладки сопротивление на пере руля начинает расти быстрее, чем подъемная сила. На яхтах с румпельным управлением угол перекладки легко можно измерить транспортиром и впоследствии пометить желаемый сектор перекладки на палубе или транце. При штурвальном управлении замеры проще всего сделать по квадранту и потом отметить нужный диапазон, например, наклейками на штурвале. Это, разумеется, имеет смысл делать лишь в том случае, если рулевое устройство лишено заметных люфтов.
Соотношение положений центра парусности (ЦП) и центра бокового сопротивления (ЦБС) определяет характер поведения и курсовую стабильность яхты
Подобная маркировка особенно важна, когда одного только давления на руль и обратной связи недостаточно для того, чтобы уверенно управлять яхтой. Давление набегающего потока на перо руля – хороший индикатор для рулевого, его повышение обычно означает увеличение угла поворота пера. Однако на современных яхтах с частично сбалансированными рулями даже сильная перекладка пера порой не вызывает заметного повышения давления на руль. Подобное происходит и в рулевых системах с очень низким передаточным отношением или очень тяжелым ходом. Лишены обратной связи и многие гидравлические системы.
При указанных выше углах перекладки пера руля парусная яхта должна нормально идти под полной парусностью на острых курсах с углами крена до 20°, реже до 30°. Если же лодка в указанных условиях чрезмерно сильно приводится (или, наоборот, имеет тенденцию на увал), это свидетельствует о несбалансированности ее конструкции. Поэтому для начала следует попытаться изменить наклон мачты – увеличение ее наклона назад повышает приводящий момент. Могут помочь и изменение площади или даже формы пера руля. Увеличение площади пера руля смещает назад ЦБС, это способствует уменьшению стремления яхты к приводу. Но при этом растет и суммарное сопротивление.
Однако простейшим способом уменьшить излишнее стремление яхты привестись к ветру – это уменьшение угла крена. Для этого следует сделать паруса более плоскими. На следующей странице мы вкратце приведем перечень необходимых для этого мер. Еще одной мерой против крена является перемещение части водоизмещения (например, в виде веса экипажа) на ветер. Если все эти меры не помогают, выход один – надо рифиться. Однако каждая яхта реагирует по-своему на уменьшение парусности (у многих яхт ЦБС при рифлении смещается в корму, лишь повышая плечо приводящего к ветру момента), поэтому для чисто крейсерских яхт золотым правилом является начинать рифление с грота (гонщики предпочитают менять передние паруса, а не рифить грот, поскольку при ходе по волне он создает бОльшую тягу, но это уже другой разговор). При этом ЦБС заметно смещается вперед, уменьшая плечо приводящего момента. К сожалению, при этом теряется и крутизна хода к ветру, но яхта движется заметно комфортнее.
Как уже было сказано выше, при рифлении не надо брать пример с гонщиков. Они предпочитают менять передние паруса, а не рифить грот еще и потому, что возможности настройки гоночных парусов сегодня таковы, что грот можно набить в буквальном смысле «в доску», при этом реально работать будет лишь его верхняя треть. По эффекту это сравнимо с тем, как если бы мы взяли на таком гроте первый риф. Чисто крейсерские паруса обычно довольно пузаты и их излишнюю полноту обычно полностью убрать не удается (причем чем старше парус, тем это сильнее заметно). Кроме того, профессиональная команда гоночных яхт может активно работать кареткой гика-шкота, эффективно сбрасывая порывы с грота, кратковременно обезветривая его. Но в дальнем крейсерском плавании вряд ли кому-нибудь придет в голову постоянно работать с кареткой гика-шкота.
Кроме того, смена передних парусов на гоночных яхтах зачастую связана не столько с уменьшением их площади, сколько с постановкой более плоских парусов, создающих меньшую кренящую силу. Для крейсерских яхт это тоже почти всегда невозможно, поскольку они оснащены генуей на закрутке. Среди подобных парусов лишь очень редкие и потому дорогие модели позволяют делать их профиль при сворачивании более плоским. Это, кстати, дополнительно потребует настройки кипов стаксель-шкотов. В худшем же случае при уменьшении площади носового паруса вместо него получится бесформенный мешок, создающий мало тяги, – как следствие, ЦП при этом уйдет в корму, лишь увеличив приводящий момент. Это происходит потому, что точка расположения ЦП зависит не только от соотношения площадей обоих парусов (стакселя и грота), но и от соотношения развиваемой ими силы тяги.
Если яхта уваливается с острого курса на полный, ее крен, как правило, уменьшается. Однако тот, кто ожидает спокойного плавания, может быть жестоко обманут. Яхта, которая только что шла вполне спокойно, после уваливания может начать сильно приводиться на ветер и потребовать активной работы на руле. Хотя крен (и вызываемый им приводящий момент) уменьшился, ЦП сильно сместился под ветер за счет потравленных шкотов, что вновь привело к росту приводящего момента, как это показывает схема на стр. ХХ. К тому же носовые паруса при потравливании шкотов теряют форму и профиль – они сильно открывают заднюю шкаторину. Для компенсации этого приходится вновь работать со шкотами, регулируя заднюю шкаторину, отчего ЦП смещается назад, опять-таки увеличивая рычаг приводящего момента.
Здесь может помочь размещенный на релинге канифас-блок, через который проводятся стаксель-шкоты. Однако подлинным решением является лишь рифление, причем именно рифление грота. В случае сомнений его лучше вообще убрать. Когда яхта останется только под одним передним парусом, ЦП уйдет максимально вперед, уменьшив рычаг приводящего момента до предела. Как следствие плавание станет более приятным. Геную же, если она была перед этим частично скручена, следует развернуть полностью.
Стремление яхты идти на привод, как мы показали, является нормой. Оно говорит о том, что яхта живая, быстрая и правильно настроенная. Однако если это стремление излишне велико, ситуация может стать неприятной или даже опасной. Кто угощает своих гостей прогулкой при 35° крена и потоках воды в лицо, тот скоро будет вынужден отправляться в плавания в одиночку. Тот же, кто научится своевременно применять нужные меры для коррекции поведения яхты, сможет быстро и комфортно достигать цели своего плавания.
Крен. Когда яхта в сильный ветер ложится на борт, ЦП смещается под ветер. При этом он перестает находиться на одной линии с ЦБС, за счет чего возникает вращающий момент, разворачивающий яхту носом на ветер. Широкие яхты с плоскими U-образными обводами при сильном крене приобретают дифферент на нос, что лишь усиливает приводящий момент. Яхты с S-образными обводами реагируют спокойнее. Плоские U-образные обводы в комбинации с широкой кормой создают клинообразную форму ватерлинии – узкую спереди, широкую сзади. При крене подводная часть яхты меняет ось симметрии. Она перестает находиться в одной плоскости с ДП, возникает приводящий момент. Узкий корпус обеспечивает более гармоничное обтекание смоченной поверхности. Обводы корпуса гидродинамически благоприятны. Смоченная поверхность смещается под ветер (но не так сильно, как в случае с U-образными обводами), сохраняя почти симметричную форму с минимальным приводящим моментом. Если крен слишком велик, то стремление яхты привестись может стать опасным и неконтролируемым. Рекомендуется принять следующие меры: сделать грот более плоским, сделать более плоской Геную, уменьшить нагрузку, взять рифы.
Сокращенный вариант. Опубликовано в Yacht Russia №10 (57), 2013 г.