1 La fuente de energía de un velero
La mayoría de la gente suele pensar que un velero es impulsado por el viento. De hecho, la fuerza del viento actúa sobre la vela de dos formas, como se muestra en las Figuras 1 y 2. La mayor fuente de energía de los veleros es el llamado "efecto Bernoulli".
Sabemos que cuando el aire fluye rápidamente, el objeto que lo bloquea en el frente será impactado por el aire. La presión generada por este impacto se llama presión dinámica. Cuando un velero navega a favor del viento como se muestra en la Figura 1, lo que lo impulsa hacia adelante es la presión dinámica del aire sobre la vela. Según el principio de Bernoulli de "a medida que aumenta el flujo, la presión disminuye", cuando el aire fluye en una dirección, la fuerza que actúa en el costado disminuirá relativamente. En otras palabras, cuanto mayor es el caudal de gas, mayor es la presión dinámica y menor es la presión estática. Cuanto menor sea el caudal, menor será la presión dinámica y mayor la presión estática. De esta manera, los lugares con baja velocidad del aire generarán una presión lateral en lugares con alta velocidad del aire. Esta presión lateral se llama presión estática. Cuando se navega contra el viento, como se muestra en la Figura 2, el barco es empujado por la presión estática del viento.
La presión estática sobre la vela se debe principalmente a que la vela tiene un arco a modo de ala. Si comparamos la sección transversal de una vela con la sección transversal de un perfil aerodinámico, podemos ver sus similitudes. Como se muestra en la Figura 3, cuando el flujo de aire pasa a través de la vela o el ala, debido a que el flujo de aire sobre el ala y delante de la vela tiene que recorrer una distancia más larga para encontrarse con el flujo de aire debajo del ala y detrás de la vela, la velocidad del flujo se acelera. , lo que hace que el barco El flujo de aire delante y detrás de la vela tenga velocidades diferentes que el flujo de aire sobre la parte superior e inferior del ala. La presión a baja velocidad es mayor que la presión estática a alta velocidad. Esta diferencia de presión hace que las alas generen sustentación hacia arriba y las velas ganen impulso hacia adelante, como se muestra en la Figura 4. También podríamos llamarlo "ascensor".
Veamos cómo la presión estática sobre las velas impulsa el barco hacia adelante. Como se muestra en la Figura 5, la presión estática FT sobre la vela no se puede usar para empujar el barco hacia adelante, pero la fuerza componente FR de FT a lo largo de la dirección de proa realmente se usa para empujar el barco hacia adelante. El valor de FR es menor que el. Fuerza componente que hace que el barco se mueva lateralmente FH. Aunque la fuerza lateral es grande, es raro ver que el barco se mueva lateralmente durante la conducción real. Sin embargo, el barco se movía bastante rápido. Los veleros y tablas de windsurf avanzados pueden alcanzar velocidades de 30 a 40 kilómetros por hora como máximo. Además del empuje generado por las velas, la razón también es el fondo aerodinámico del barco. El área de la sección transversal de la parte submarina del barco es mucho mayor que el área de la sección transversal longitudinal. Aunque el empuje FR es menor que la fuerza transversal FH, la resistencia del barco que avanza en el agua es mucho menor que la resistencia del barco que se mueve transversalmente. Por lo tanto, el efecto de la FR al empujar el barco hacia adelante es bastante significativo.
2 Limitaciones y beneficios de las rutas de navegación
Figura 6
Los veleros pueden viajar con viento impulsado por presión dinámica, o con viento en contra impulsado por presión estática. Sin embargo, el rumbo del velero no es completamente ilimitado y es imposible generar una propulsión efectiva dentro de un rango de aproximadamente 45 grados entre vientos positivos y negativos, como se muestra en el área A de la Figura 6. Pero no es bueno ir demasiado a favor, porque el efecto Bernoulli desaparece en este momento. El barco es impulsado por la presión dinámica del viento sobre la vela, y el tamaño de la presión dinámica depende de la velocidad relativa del viento sobre la vela. Cuanto mayor es la velocidad relativa, mayor es la presión dinámica. Sin embargo, impulsada por la presión dinámica, la velocidad de avance del barco aumentará gradualmente y la velocidad relativa del viento y del barco disminuirá. Por lo tanto, la presión dinámica del viento sobre las velas disminuirá y la velocidad del barco disminuirá. hacia abajo nuevamente y al mismo tiempo entrará en un estado inestable, como se muestra en el área C de la figura. Por lo tanto, la presión dinámica no es una fuente de energía eficiente y constante para un velero. En la figura, sólo el área B es la mejor dirección de navegación. En este momento, la dirección de navegación del barco forma un cierto ángulo con la dirección del viento, y el barco puede obtener una fuerza motriz continua y estable bajo presión estática, lo que le permite obtener una mayor velocidad de navegación.
Si el barco navega contra el viento, la dirección de navegación del barco debe formar un ángulo con la dirección del viento, por lo que se debe adoptar una ruta en forma de Z. Como se muestra en la Figura 7.
Control y gobierno de un velero
Dado que existe una cierta distancia entre el centro de la vela afectado por la fuerza del viento y el centro del costado del casco afectado por la resistencia del agua, el FH La fuerza hace que el barco se mueva transversalmente, aunque no es perceptible, pero tiene un efecto significativo en la inclinación del barco a favor del viento. Como se muestra en la Figura 8, esto requiere que los atletas usen su propio peso para ajustar el centro de gravedad del bote en cualquier momento para mantener el equilibrio del bote (a menudo llamado "presionar la línea"). Debido a que la fuerza del viento cambiará en cualquier momento, el efecto de la fuerza lateral también cambiará. Por lo tanto, es necesario cambiar las cuerdas con flexibilidad en cualquier momento, lo cual es una habilidad operativa importante para los atletas.
Thrust FR empuja el barco hacia adelante y también tiene el efecto de inclinarlo hacia adelante. Aunque es mucho menor que la fuerza lateral FH, también puede provocar que el barco entre en pérdida. Por ello, los deportistas siempre deben prestar atención a posibles cabeceos e intentar mantener el equilibrio de la embarcación presionando la cuerda.
Cambiando el rumbo, la navegación se basa principalmente en la navegación. El windsurf se basa en cambios en la posición de la vela y el centro de gravedad. La figura 9 es un diagrama esquemático del principio de cambiar el rumbo de un velero mediante el timón. Cuando el barco se mueve, el flujo de agua le da al timón una fuerza F perpendicular a la superficie de navegación. Un componente F1 de F puede hacer que el barco gire y el otro componente F2 puede impedir que el barco avance. Debido a que F2 actúa como resistencia en el barco, no fuerces demasiado el ángulo de dirección al girar. Por supuesto, para completar la acción de gobierno, además de navegar, también es necesario coordinar la posición de la vela y las acciones de la tripulación.
En el gobierno de una tabla de windsurf, cuando el deportista inclina el mástil móvil detrás del viento, la cabeza de la tabla gira en la dirección del viento. A la inversa, cuando el mástil se inclina delante del viento. , la cabeza de la tabla se desvía del viento. Mediante el movimiento inverso del mástil, se mueve el centro de la vela, provocando que la tabla genere un momento de rotación, provocando así que gire.
Como puedes ver en lo anterior, la vela y el windsurf tienen ciertas dificultades técnicas, pero también pueden darte una gran sensación de logro y emoción. Mientras estudies mucho y practiques activamente, pronto experimentarás el placer de surcar el viento y las olas.