Плавание под парусом. Ветер, волнение и течения.

Использование волнения на соревнованиях.

 

Из книги "ПЛАВАНИЕ ПОД ПАРУСОМ: ветер, волнение и течение".
Автор: Ян Проктор.

Использование волнения на соревнованиях.

Волны характеризуются высотой, длиной, периодом и скоростью. Между высотой волны и другими ее элементами не имеется простых и точных соотношений, но длина, период и скорость зависят друг от друга, - если известна одна величина, то по ней можно определить другую (конечно, эти простые соотношения являются приближенными).

Рис. 28 Высота и длина волны.

На рис. 28 показан способ определения высоты и длины волны. Высота - вертикальное расстояние между вершиной волны и следующей за ней подошвой. Длина - горизонтальное расстояние между двумя одинаковыми частями соседних волн, например расстояние между вершинами. Период волны- время, необходимое для прохождения волны через заданную точку, или, другими словами, время между прохождением двух последовательных вершин через фиксированную точку. Скорость волны - это скорость перемещения волны по поверхности воды, то есть скорость, с которой движется гребень (в советской литературе используются несколько другие определения, но дальнейшее изложение и полученные выводы не зависят от принятого определения волны или ее элементов).

Определение скорости волн.

Между длиной, периодом и скоростью волны имеются различные зависимости, по которым получаются несколько отличающиеся результаты. На соревнованиях наибольший интерес представляет скорость волны, а единственной точной величиной, по которому можно ее определить, является период. Эти две величины связаны очень простой формулой:
Скорость (узлы) =3, 0 x период в с.
Эту формулу упростил я сам, но ее точность вполне достаточна.
Имеется несколько способов определения периода волн. Один из самых простых - бросить в воду какой-либо плавающий предмет, не подверженный действию ветра. Время, в течение которого предмет поднимется на вершины двух соседних волн, является периодом. Для большей точности лучше взять время прохождения 10 волн. Период крупных волн в прибрежных водах обычно составляет около 5-7 секунд.
Если рядом имеется буй, то пo времени между его появлением на вершинах соседних волн можно определить период, однако следует помнить, что этот способ не точен при наличии течений, так как требуется определить скорость волн относительно спокойной воды. Период можно также найти по времени подъема свободно дрейфующей яхты на гребни волн. Последний способ не так точен, как хотелось бы, так как держать яхту без хода длительное время сложно, но для общей оценки он, по-видимому, пригоден.
Для примера бросим небольшой листок белой бумаги на поверхность воды. Он хорошо виден и, плавая на поверхности, не подвержен действию ветра. Отметим время его подъема на вершину волны, засечем время прохождения еще девяти волн и, когда бумажка поднимется на вершину десятой волны, закончим счет (то есть определяется время прохождения 11 вершин волн). Если время между этими определениями равно, скажем, 25 секундам, то период волн равен 25: 10 = 2, 5 секунды.
Простой расчет по вышеприведенной формуле дает следующий результат:
Скорость = 3, 0-2, 5 = 7, 5 узла.

Использование информации о скорости волны.

Полученная информация хотя и интересна, но часто бесполезна для яхтсмена. Однако при определенных условиях эти сведения очень нужны.
Например, для глиссирования при ветре, который может разогнать небольшую яхту до скорости 9 узлов, важно решить, проходить ли дистанцию по взволнованной поверхности или держаться более спокойной зоны. Если на спокойной воде яхта может развить скорость 9 узлов, то будет ошибкой направить ее в волны, движущиеся со скоростью 8 узлов. В этом случае Глиссирование на тыловом склоне и гребне волны совершенно невозможно, поэтому скорость лодки будет ограничена скоростью волн, то есть 8 узлами.
Рассмотрим гораздо более сложный случай с волной большей длины и скоростью 16 узлов, при Скорости ветра, достаточной для глиссирования по спокойной воде со скоростью 9 узлов. Что лучше- оставаться на спокойной воде и глиссировать с постоянной скоростью 9 узлов или направиться к волнам? Во многом это зависит от яхты и, конечно, от умения экипажа управлять яхтой на волнах. Из рис. 29 видно, что глиссирование будет примерно только на 2/з волны. На остальной трети яхта пойдет вверх по волне и будет следовать не со скоростью глиссирования, а с максимальной скоростью водоизмещающего плавания, которая для 4-метровой яхты составит 5, 5 узла.
О скоростях яхты на волне можно только догадываться. На рис. 30 показаны значения скоростей, возможных на различных участках волны, которая имеет скорость 16 узлов. По формуле, которую здесь можно не приводить, волна с такой скоростью имеет длину 40 метров и период 5 секунд (подобную волну можно встретить в открытом море). В тыловой части волны лодка, как показано на рисунке, имеет водоизмещающую скорость 5, 5 узла, на подошве она начинает глиссировать и имеет среднюю скорость 8 узлов, на гребне развивает скорость около 12 узлов.

Рис. 29. Участок волны, на котором яхта может глиссировать или "сидеть" на волне.

Рис. 30. Возможные скорости яхты на различных участках волны длиной 40 метров.

По данным из примера, приведенного в предыдущем разделе, можно определить, что средняя скорость яхты на такой волне равна примерно 9, 7 узла. Поскольку она на 0, 7 узла больше, чем при таком же ветре на спокойной воде, то использовать волны для глиссирования на гребнях выгодно, несмотря на неодинаковость и неравномерность скорости яхты из-за барашков, замедляющих водоизмещающее плавание.
В приведенном выше примере необходимо учитывать несколько интересных особенностей. Наиболее важно понять соотношение между скоростью яхты и скоростью волны На всех трех участках, на которые мы ее разделили.

Рис. 31. Время прохождения яхтой различных участков волны, показанной на рис. 30.

Рис. 32. Уменьшение скорости яхты на переднем склоне (волны на 1 узел существенно замедляет среднюю скорость.

Из рис. 31 видно, что на первом участке водоизмещающая скорость яхты 5, 5 узла и волна будет догонять ее с относительной скоростью 10, 5 узла, поэтому яхта будет находиться здесь только 2, 14 секунды. На втором участке яхта движется быстрее (8 узлов), а относительная скорость, с которой волна ее догоняет, также 8 узлов, поэтому яхт, а будет находиться на этом участке дольше - примерно 3, 25 секунды. На третьем участке яхта движется еще быстрее, относительная скорость волны и яхты уменьшается только на 4 узла, поэтому яхта будет оставаться на этом участке 6, 51 секунды.
Отсюда видно, что наиболее важно, чтобы яхта начала глиссировать как можно раньше после прохождения ложбины, а гонщик использовал все мастерство для поддержания максимальной скорости, которую яхта получила от толчка волны, и постарался удержать ее на этом участке как можно дольше.
Вернемся к примеру с волной длиной 40 метров и скоростью 16 узлов. Если на гребне волны (участок 3) скорость яхты вместо 12 узлов достигнет только 11, то средняя скорость по всей волне станет немного меньше - около 9 узлов, то есть фактически будет меньше скорости на спокойной воде (см. рис. 32).
С другой стороны, если скорость яхты в тыловой части волны (участок 1) уменьшится до 3, 5 узла, то средняя скорость изменится ненамного и составит 9, 4 узла. Если на этом же участке скорость упадет до 4, 5 узла, то средняя скорость лодки уменьшится только до 9, 6 узла, что и показано на рис. 33.

Рис. 33. Уменьшение скорости на тыловом склоне на 2 узла приводит к незначительной потере средней скорости.

Рис. 34. Уменьшение скорости яхты на тыловом склоне на 1 узел уменьшает среднюю скорость только на 0, 15 узла.

Другими словами, уменьшение скорости на 1 узел на гребне (участок 3) уменьшит среднюю скорость лодки на 0, 7 узла, а уменьшение скорости на 2 узла на тыловом склоне уменьшит среднюю скорость всего на 0, 3 узла. Если скорость в тыловой части волны уменьшится на 1 узел (так же, как на гребне), то средняя скорость по всей волне уменьшится только на 0, 15 узла (см. рис. 34).
Рисунки, которые использовались в вышеприведенном примере, являются очень грубым приближением, а все расчеты достаточно произвольны, но результаты убедительны и проясняют рассматриваемый вопрос.
В этих простых примерах предполагалось, что направление движения волны и лодки одинаково, а легкий ветер достаточен для глиссирования на спокойной воде со скоростью 9 узлов. В действительности маловероятно, чтобы такие условия наблюдались одновременно: обычно лодка, идущая в галфвинд, пересекает волны под углом, однако последнее условие может не выполняться, если ветер повернул, оставив после себя зыбь. Изложенные принципы применимы как для яхты, идущей в направлении волн, так и для яхты, пересекающей их под небольшим углом.

Выбор нужных участков.

Из вышеизложенного необходимо извлечь следующий урок: при возможности глиссирования на свободных курсах надо стараться вести яхту с наивыгоднейшей скоростью на ложбинах, гребнях и склонах волн. Конечно, на всех частях волны важно идти как можно быстрее, но практически трудно все время держать яхту на пределе возможностей, то есть постоянно изменять ее дифферент, положение шверта, шкотов или оттяжки гика, а следовательно, заниматься настройкой лодки в ложбинах, гребнях и на передних склонах больше, чем при подъеме на тыловые склоны волн.
При равенстве средних скоростей яхты и волны из этого правила имеется важное исключение: если рулевой позволит яхте скатиться по переднему склону одной волны и сможет поддержать скорость на уровне, достаточном для успешного подъема на гребень следующей, то яхта не только выиграет волну, но станет помехой для лодки за кормой, которая не так искусно плыла на тыловых склонах волн. При таких условиях легко оставаться на переднем склоне волны и следовать с ее скоростью, но очень трудно сойти с нее и взобраться на следующую волну.
Прорваться вперед волны (если она движется примерно со скоростью лодки) можно, только бросившись на нее с максимально возможной энергией, которую удалось приобрести на переднем склоне предыдущей волны. Однако если яхта не смогла подняться по тыловому склону идущей впереди волны и обосновалась в ложбине, то лучше позволить лодке тихо скользить, пока гребень идущей сзади волны опять не поднимет ее, а затем со всей возможной скоростью снова броситься за идущей впереди волной. Находись в ложбинах, только если имеется опасность потерять волну или яхта замедлила ход; качаясь в ложбинах - не имеешь никаких перспектив!

Горизонтальное движение воды при волнении.

Яхтсмены на маленьких не глиссирующих лодках склонны упрощать волновое движение. Часто подчеркивается, что волны - это только вертикальное движение воды и перемещается лишь форма. В этой связи отмечается, что волны можно заставить бежать по веревке, если один конец ее привязать, а другой трясти, при этом очевидно, что веревка, как и волны, горизонтально не перемещается.
Важно, что горизонтальное перемещение воды невелико по сравнению с вертикальными колебаниями. Главное, что у волны перемещается только форма, а относительное смещение массы воды невелико. Однако чрезмерное выделение этих фактов может привести к игнорированию наличия заметного горизонтального смещения воды. Движение частиц воды на гребне совпадает с генеральным направлением перемещения волны, а частицы на подошве смещаются в обратном направлении. Наблюдения за любым плавающим предметом, низко сидящим в воде и, следовательно, не подверженным действию ветра, подтверждают движение вперед на гребне и назад - в ложбине.
Строго говоря, сочетание горизонтального движения частиц воды и их вертикального перемещения, вызываемого подъемом на гребнях и опусканием в ложбинах, приводит к круговому, или орбитальному, движению, представленному на рис. 35. Здесь частица показана все время на поверхности волны, причем центры орбит находятся на одной и той же высоте. Вращение направлено против часовой стрелки: вперед - на гребнях, вниз - на тыловых склонах, назад - в ложбинах и вверх - на передних склонах.

Рис. 35. Орбитальное движение частиц в волне.

Основное направление движения на различных участках волны показано внизу стрелками. Мы рассматриваем только горизонтальное движение Частицы движутся по круговым орбитам (рис 35), назад и вперед, вверх и вниз, поэтому можно считать, что диапазон горизонтального движения частиц примерно равен высоте волны. Этот диапазон называется амплитудой.

Скорость поверхностного движения воды.

Чем выше волна, тем больше диапазон горизонтального движения, или амплитуда, которая зависит только от высоты и не связана с длиной волны Скорость этого движения зависит от длины волны и гораздо больше для коротких и крутых волн, чем для длинных и пологих.

Рис. 36. Направление и скорость движения воды на поверхности волны.

Движение волн, на которых, как (правило, соревнуются маленькие яхты, обычно невелико, но оно достигает наибольшей скорости на гребнях (вперед) и в подошвах (назад). Об этом необходимо помнить при плавании на волнах, как будет показано ниже. Рисунок 36 иллюстрирует вышесказанное.
Например, рассмотрим волну длиной 1, 5 метра и высотой 1, 2 метра. Для волн можно принять следующую формулу:
Длина волн (м)=1, 5 (период, с).
Тогда в нашем примере период равен примерно 3 секундам Поскольку амплитуда горизонтального движения равна высоте волны, то имеем перемещение на 1, 2 метра в обе стороны, то есть 1, 2 х 2=2, 4 метра. Это перемещение на расстояние 2, 4 метра осуществляется за период одной волны, то есть за 3 секунды. Один узел равен 1 морской миле в час, в морской миле 1852 метра, а в часе 3600 секунд Отсюда 2, 4 метра за 3 секунды дают скорость x =1, 6 узла.
Наша волна длиной 1, 5 метра и высотой 1, 2 метра вызывает поверхностное движение со средней скоростью 1, 6 узла. Эта средняя скорость может быть еще больше, так как надо учитывать неравномерность возвратно-поступательного движения, то есть ускорение на гребнях и ложбинах.

Поверхностное движение и вымпельный ветер.

Важно помнить, что при плавании лагом к волне рассмотренное движение воды будет на каждом гребне отклонять яхту от ветра, что повлияет на его вымпельную скорость и направление при курсе по ветру (на фордевинд) и волнении, совпадающем с истинным ветром, на гребне вымпельный ветер будет уменьшаться и заходить к носу, в ложбинах картина обратная. Для плывущего против ветра (в крутой бейдевинд) вымпельный ветер на гребнях будет уменьшаться и изменять направление в сторону траверза, в ложбинах ветер будет усиливаться и дуть острее к носу.
Экранирующее действие волн на истинный ветер до некоторой степени гасит колебания вымпельного ветра из-за движения волн, но обычно неполностью.

Приведение на гребнях.

Практическое использование этих сведений зависит также и от других обстоятельств, например от состояния поверхности моря и необходимости сохранения лодки сухой; следует принимать в расчет и особенности конструкции яхты. Более очевидно, что при лавировке на значительном волнении на гребнях обычно возможно немного привестись к ветру; однако можно посоветовать и другое - уваливаться в ложбинах.

Рис. 37. Изменение направления вымпельного ветра при следовании через волны в лавировку.

Рис. 38. Рекомендуемый курс, при котором изменение вымпельного ветра дает преимущество при лавировке на волнении.

В этой главе будет показано, что при лавировке на коротких и неправильных волнах иногда (в зависимости от особенностей яхты) выгодно несколько отклоняться от крутого бейдевинда. Может показаться, что сказанное противоречит совету приводиться на гребнях, но это целесообразно для относительно длинных волн, а совет идти немного уваливаясь предназначен для плавания на беспорядочных коротких волнах с длинами менее полуторной длины яхты.
При приведении на гребнях длинных волн на вымпельную скорость ветра кроме поверхностного движения воды влияет также форма волны. Взбираясь по склону на гребень, яхта несколько замедляет свой ход из-за уменьшения скорости вымпельного ветра и его незначительного отклонения в сторону траверза. Когда яхта соскальзывает по тыловому склону волны, она идет быстрее, и вымпельный ветер опять усиливается и заходит к носу.
На рис. 37 сделана попытка проиллюстрировать это изменение скорости и направления вымпельного ветра, а на рис. 38 показан курс, которым предлагается следовать, чтобы получить наибольшую пользу от изменения вымпельного ветра из-за приведения на гребнях.

Галфвинд и фордевинд на волнении.

Техника прохождения волн, особенно на глиссирующих яхтах, очень важна при плавании на фордевинд, когда скорость попутного ветра близка к скорости глиссирования лодки.
Мы отмечали, что в свободный галфвинд у вершины волны ветер имеет тенденцию поворота к носу и ослабления из-за того, что волна отталкивает яхту от ветра. При сильных ветрах всегда выгодно уваливаться на гребнях, нейтрализуя тем самым тенденцию захода вымпельного ветра к носу и используя вынуждающий импульс волн для начала глиссирования; при этом изменяется только курс, а увеличение скорости яхты при скольжении вниз по волне приводит к еще большему заходу вымпельного ветра к носу. Движение волны изменяет вымпельный ветер в ту же сторону, поэтому вытравливать шкоты не надо, фактически происходит обратное движение и шкоты следует выбирать. Предлагаемый курс представлен на рис. 39.

Рис. 39. Рекомендуемый курс, при котором изменение вымпельного ветра дает преимущество при плавании в галфвинд через волны.

В слабый ветер, когда нельзя ожидать глиссирования, уваливаться на гребнях, вероятно, невыгодно и в общем случае самым быстрым будет самый прямой курс на следующий знак. Однако выбор курса очень зависит от точного положения знака, и если имеется возможность избежать фордевинда путем небольшого приведения в ложбинах и спуска при заходе вымпельного ветра вперед на гребнях, то, возможно, выгодно плыть курсом, предложенным для более сильных ветров. Для сохранения направления вымпельного ветра можно посоветовать удерживать криволинейный курс, даже когда яхта несет спинакер.

Изменение настройки на волнах.

Волнующее чувство падения на легком швертботе с переднего склона большой волны производит на команду некий психологический эффект, заставляющий ее не задумываясь правильно изменять дифферентовку лодки. Во всяком случае, мой личный опыт, задолго до того как я занялся изучением техники смещения собственного веса вперед и назад на волне, естественно подсказывал примерно правильную реакцию. Я заметил такой же автоматизм у совершенно неопытных экипажей, с которыми мне приходилось плавать.
Некоторым образом смещение веса экипажа при плавании на попутном волнении похоже на преодоление высоких препятствий в стипльчезе, эта аналогия показана на рис. 40 и 41. Однако подобие не является полным и в основном заключается в совпадении фаз отбрасывания веса назад при устремлении яхты с гребня по склону волны.

Рис. 40. Наездник при преодолении препятствия и экипаж яхты на переднем склоне волны одинаково смещают вес вперед.

Рис. 41. Приземляясь за препятствием и опускаясь на переднем склоне волны, наездник и экипаж отклоняются назад.

Для четкого понимания поведения яхты при движении на волнах полезно вначале рассмотреть силы, действующие на яхту на спокойной воде. На рис. 42 показаны две основные силы - сила тяжести, тянущая яхту вертикально вниз, и сила плавучести, выталкивающая ее вертикально вверх. Если не имеется других сил, воздействующих на яхту, то центры тяжести (ЦТ) и плавучести (ЦП) находятся на одной вертикальной линии.

Рис. 42. Расположение центра плавучести (ЦП) под центром тяжести (ЦТ), на одной вертикали с ним, приводит к равновесию на гладкой воде.

Рис. 43. Если при выходе на волну яхта наклонена назад, то центр плавучести уже находится вертикально под центром тяжести. В этом случае корма погружается в воду.

Когда поверхность воды не горизонтальна и лодка приподнята, как на рис. 43, то линия, соединяющая центр плавучести с центром тяжести, также отклоняется от вертикали. Это нарушает равновесие, и, чтобы восстановить его, необходимо или еще больше погрузить корму и тем самым перенести центр плавучести к корме, или переместить центр тяжести вперед. Погружать корму нежелательно, так как это вызывает увеличение кормового сопротивления (из-за увеличения масс воды, захватываемых кормой), поэтому необходимо перемещать центр тяжести вперед, смещая туда вес экипажа.
Конечно, нельзя также забывать, что при подъеме вверх по волне наклон вершины мачты - и, следовательно, плоскости грота - изменяется, при этом нос лодки толкается вниз. Однако теоретическое уменьшение усилия, давящего на нос и наклоняющего верхнюю часть грота, примерно компенсируется увеличением вымпельной скорости ветра, который усиливает давление на нос из-за замедления скорости лодки при подъеме на волну.
На практике, по-видимому, будет правильно, если при неизменном ветре рулевой и команда на тыловых склонах волн будут сидеть там же, где и при плавании на ровном киле, и лишь слегка наклоняться вперед, чтобы переместить положение центра тяжести яхты относительно центра плавучести.
Если лодка обгоняет волну, то, настигнув гребень, выгодно бросить вес тела вперед, наклонив нос вниз и помогая яхте начать скольжение по переднему склону волны. Аналогично, если волны догоняют лодку, то можно держать ее на гребне волны чуть-чуть дольше, наклонив лодку вперед, когда волна проходит под ней.
Когда яхта начинает скользить вниз по переднему склону волны, то для обеспечения лучшего глиссирования вес команды следует перенести назад (частично для компенсации наклоняющего действия силы тяжести, частично для наклона корпуса лодки на угол атаки относительно волны), что противоположно разъяснению на рис. 43.
При плавании на волнах ответственность за основные перемещения веса должна лечь на экипаж яхты. Движения капитана слишком стеснены румпелем и постоянной необходимостью управлять лодкой для исключения рыскания или поворота через фордевинд. Экипажу, сидящему на центральной банке лицом вперед, совсем нетрудно сильно наклоняться вперед или назад. Однако это не книга по технике управления гоночными яхтами, к тому же хороший экипаж вырабатывает собственную технику.
Настройка килевых яхт для "сидения" на волнах затруднительна. Однако интересно отметить, что на килевых яхтах значительная часть веса находится в балластном киле, поэтому центр тяжести гораздо ниже, чем на швертботах. На многих прогулочных яхтах центры тяжести и плавучести могут почти совпадать, а на легких гоночных корпусах с хорошим балластным коэффициентом центр тяжести расположен ниже центра плавучести. Возвращаясь к рис. 43, видим, что если бы центр тяжести был ниже центра плавучести, то картина была бы обратной той, что изображена на этом рисунке. Такая лодка при подъеме на волны шла бы с наклоном на нос, а не на корму.
Когда яхта с низким центром тяжести спускается то склону волны, то относительное положение центров тяжести и плавучести требует дифферентовки на корму. Такое положение выгодно, так как согласуется с действиями экипажа швертбота, который наклоняется назад при скольжении вниз по переднему склону волны. Яхта с наклоном на корму всегда лучше управляется при скольжении вниз по переднему склону крутых волн. Чем ниже центр тяжести, тем более выражено это положительное свойство. Возможно, это вносит свой небольшой вклад в успех современных легких мореходных яхт и хороших морских лодок.

Толкание (учинг) на гребнях волн.

Несколько лет назад в США для класса "Снайп" была разработана техника более раннего выхода лодки на глиссирование. Эта техника получила название "учинг". Видимо, правильнее было бы сказать, что этот прием способствует более раннему сёрфингу ("сидению" на волне) или глиссированию с помощью волны, чем чистому глиссированию.
Учинг заключается в том, что экипаж хватается за любую часть яхты, которая способна выдержать возникающие напряжения, и энергично и многократно (до 50 раз в минуту) выбрасывает весь свой вес вперед. Движение вперед должно быть очень энергичным, а возвращение - более спокойным. Это довольно утомительная процедура, но шести толчков часто бывает достаточно, чтобы лодка начала скользить.
ИЯРУ (международный союз парусного спорта) относит учинг и пампинг (взмахивание парусов) к категории приемов, запрещенных на соревнованиях. Правила соревнований отводят этим способам целую страницу и, среди прочего, там сказано следующее: "Пампинг состоит в быстром, часто повторяющемся выбираний парусов безотносительно к изменению направления истинного или вымпельного ветра. Быстрое выбирание парусов, которое способствует началу глиссирования или "сидения" яхты на гребне волны, не считается "взмахиванием"... Учинг представляет собой толчки вперед и резкие остановки туловища, для того чтобы продвинуть яхту вперед. Эти действия запрещаются (как и пампинг)".
В правилах сказано, что учинг (или пампинг) разрешается для начала глиссирования или "сидения" на волнах, но этот маневр не разрешен для поддержания состояния глиссирований. В этом разъяснении говорится о способствовании глиссированию или "сидению", а не его сохранении. Яхта, находящаяся на определенной части волны, должна двигаться за счет естественного движения воздуха и воды без дальнейшего учинга. В правилах также говорится, что учинг или пампинг при приближении к знаку или финишной линии должны соответствовать условиям прохождения этого отрезка дистанции, хотя как можно доказать или опровергнуть такую ситуацию, остается непонятным.
Очевидно, что правило нелегко интерпретировать и использовать, и я полагаю, что как само правило, так и приложение к нему должны быть тщательно изучены, прежде чем использовать технику учинга. В противном случае придется отвечать на протест.

Следующая глава.

Оглавление.