Когда за дело берутся конструкторы

Автор обратился к пяти известным конструкторам - авторам моделей парусных досок, пользовавшихся наибольшим успехом во время прошлогодней выставки катеров и яхт в Париже - с просьбой рассказать о создании их моделей. Это Озе-пи-Бреинер (доска "Дюфур-Вииг"), Жубер и Нивель ("Магнум"), Ле Грааль ("Аз Опен"), Скопиннш ("Хи-Флай"). Из их ответов удалось составить представление о том, что такое инженерное направление в проектировании обводов корпусов парусных досок и каковы его возможности.

В любом виде технической деятельности возможны два подхода. Один основан на умелых руках и верном глазомере, он называется эмпирическим. Другой - научный; в его основе лежат методы тех иаук, которые изучают интересующее нас явление. В общем, второй подход более прогрессивен. Успехи судостроения, достигнутые с тех пор, как в проектировании судов стали применяться научные методы, свидетельствуют об этом. До изобретения начертательной геометрии ничего нельзя было рассчитать. Судам придавали форму знаменитые старые мастера, которые вырезали модель из цельного куска дерева, часто пользуясь лишь ножом. Когда ее форма становилась приятной для глаза и казалась гладкой иа ощупь, модель разрезали иа куски равной толщины и переносили их контуры на бумагу. Так рождались чертежи. Успех зависел от опыта и интуиции мастера.

Так создавались и первые модели парусных досок. Поскольку размеры их ие слишком велики, модели можно было выполнять в натуральную величину, ие используя промежуточного макета. Результаты известны: при всех вариантах получалась увеличенная доска для обычного серфинга - более длинная, более широкая, ио почти той же формы, потому что при данном методе конструирования трудно далеко уйти от оригинала. Первые модели были похожи на оригинальный "Виндсерфер" - то же плоское днище, практически симметричные относительно миделя обводы с максимальной шириной в середине корпуса; отличие заключалось лишь в некоторых вариациях ширины и обводов носовой части. Было отмечено, что более широкие доски (например, "Мистраль" первых выпусков) удобнее для новичков благодаря более высокой остойчивости, что корпуса с плоским днищем в кормовой части лучше ходят в волну, что симметричные относительно миделя корпуса хороши для "фигурного катания". Это почти все, что удалось установить методом проб и ошибок. Трудно было узнать больше, так как ие пытались серьезно анализировать, какие причины вызывают то или иное следствие. Напротив, если известно влияние каждого параметра на поведение виндсерфера, теоретически можно сделать все, кроме чертежа идеального корпуса. Конечно, для улучшения одних характеристик любого судна приходится жертвовать другими. Например, увеличение ширины иесовместимо с уменьшением смоченной поверхности. Любой проект виндсерфера может представлять собой только компромисс, суть которого определяется теми качествами, которые считают важнейшими: скорость в слабый ветер или в свежий, скорость на гладкой воде или на волнении, высокая скорость или улучшенная маневренность и т. д. Первым уроком инженерного метода в приложении к виндсерферу был вывод: не существует идеальной формы, она бывает наиболее подходящая либо для определенных целей, либо для предусмотренных условий плавания.

виндсерфинг

Крен и остойчивость. Все конструкторы отметили, что в отличие от обычных парусников, виндсерфер всегда находится в горизонтальном положении и что его остойчивость ие связана с углом наклона паруса. "В противоположность паруснику, виндсерфер плавает в горизонтальной плоскости. Его очень малая остойчивость, обусловленная высоким положением центра тяжести системы корпус плюс вооружение плюс гонщик, допускает угол крена ие более 5°..." (Озепи-Бреинер). "Виндсерфер нельзя прямо сравнивать с малым швертботом, так как результирующая аэродинамическая сила не создает кренящий момент для корпуса (из той точки центра парусности, к которой оиа приложена), но передается вертикально через йоги спортсмена и через степс мачты" (Скопиииш). Напомним, что остойчивость может быть определена как момент сил массы системы и сил плавучести, возвращающий в исходное положение тело, испытывающее кренящий момент.

Восстанавливающий момент для виндсерфера можно рассчитать, умножив расстояние по горизонтали от центра доски до центра тяжести спортсмена иа его вес. На обычной яхте восстанавливающий момент создается в основном благодаря смещению центра действия сил плавучести в сторону накрененного борта. На такой яхте мачта закреплена жестко и немедленно передает корпусу кренящий момент, создаваемый аэродинамической силой. На виндсерфере сила, возникающая при воздействии ветра иа парус, уравновешивается не остойчивостью корпуса, а той частью веса спортсмена, которая приложена через гик к парусу. На приводимой - схеме показано, какие силы образуют уравновешенную систему при ветре 4 балла и весе спортсмена 70 кг. Видно, что здесь не существует силы, вызывающей крен корпуса.

виндсерфинг

При постоянной высоте центра тяжести начальная остойчивость, а вместе с ней и удобство виндсерфера для новичков, зависят главным образом от значения момента инерции площади ватерлинии I и объема подводной части - водоизмещения V: r = I/V, где r - начальный метацентрический радиус. Для увеличения остойчивости, r должно быть возможно большим. Момент же инерции площади ватерлинии зависит от ширины кропуса в третьей степени, поэтому даже 2 или 3 см ширины оказывают существенное влияние на остойчивость (чтобы убедиться в этом, достаточно последовательно опробовать "Виндсерфер" и "Мистраль").

Теория дает возможность произвести точный расчет величин, а не просто определить их порядок; она может точно предсказать, что нелегко создать массовую модель с шириной 60 см, соответствующей минимально допустимому значению по правилам "Открытого класса". Нужно быть хорошим виндсерфистом, чтобы держаться на таком узком корпусе при слабом ветре и сколько-нибудь значительном волнении. Вот поэтому-то средняя шнрнна распространенных сейчас моделей равна 67 см.

Согласно закону Архимеда, величина водоизмещения виндсерфера сильно зависит от веса спортсмена. Лишние 20 кг (даже одних мускулов) не облегчают дело: они означают увеличение объема подводной части, т. е. водоизмещения доски на 20 л, а также уменьшение начальной остойчивости, если момент инерции площади ватерлинии, а следовательно, и ширина не возрастают в той же пропорции. Отрицательный эффект может быть еще больше, если месье (или мадам) "плюс 20 кг" имеет высокий рост, что поднимает расположение центра тяжести. Вниманию высоких! Учитесь ходить на широких корпусах, либо сгибайте колени.

виндсерфинг

Но это детали. Важнее то, что для большинства случаев при увеличении погруженного объема площадь ватерлинии с определенного момента уменьшается (см. теоретический чертеж "Хи-Флай" и "Аз Опен"). А это имеет эффект, обратный ожидаемому. Те, кто плавал вдвоем на одном корпусе, знают это. Равновесие в данном случае сохранить труднее не только из-за неправильных движений спортсменов, но и вследствие того, что наиболее широкая часть корпуса уже находится под водой, а остойчивость определяется новой ватерлинией. Все это приводит нас к мысли, что нельзя создать корпус, который бы одинаково подходил и для спортсменов легкого веса, и для спортсменов-тяжеловесов. Видимо, изготовители парусных досок должны указывать в их паспортах оптимальный вес спортсменов и допустимые границы его изменения.

Скопиниш больше внимания уделяет ходовой остойчивости. Теоретически виндсерфер ходит без крена, поскольку корпус независим от вооружения. В действительности же имеется небольшой обратный (в наветренную сторону) крен. При сильном ветре на ступнн ног спортсмена действует горизонтальная составляющая - реакция, уравновешивающая кренящий момент, которая стремится сдвинуть спортсмена. Чтобы уменьшить действие этой составляющей, приходится сдвигать ноги на наветренный край корпуса, что н вызывает крен доски.

виндсерфинг

Устойчивость на курсе и меневренность. Известно, что при крене корпуса форма подводной части изменяется таким образом, что линии обтекания со стороны крена имеют выпуклую форму. Из-за этого возникает момент сил, стремящийся накренить корпус еще больше. Чем более широкий и плоский корпус, тем заметнее становится явление. Проблема заключается в определении - достоинство это илн недостаток. Нужно ли стремиться к уменьшению этого эффекта, как в случае с кораблями, где считается, что это недостаток?

Многим нравится, когда корпус послушен под ногами. Другие любят, когда в самую сильную волну корпус идет "как по рельсам" даже на фордевинде. "Виндгляйдер" - яркий пример модели второго типа. Благодаря тому, что максимальная ширина корпуса смещена далеко вперед, ось подводной части прн крене почти параллельна оси подводной части при горизонтальном положении. Однако другие соображения, а именно облегчение выхода на глиссирование, заставляют конструкторов предпочитать обводы с максимальной шириной, смещенной в корму, что, очевидно, ведет к неустойчивости на курсе. Чтобы смягчить этот эффект, конструкторы парусных досок стараются распределить объем погруженной части примерно так же, как это делается на больших яхтах.

виндсерфинг

Уменьшение смоченной поверхности. Величина смоченной поверхности прямо влияет на скорость при слабом ветре. Для ее уменьшения (это не секрет) ширина должна быть минимальной, а поперечные сечения корпуса по возможности округлыми. Оба этих требования, к сожалению, не совместимы, с одной стороны, с высокой остойчивостью корпуса, и с другой, - хорошим глиссированием. Наши пять конструкторов пошли на компромисс, состоящий в том, что сечения носовой части своих досок они выполнили более округлыми, а кормовой - более плоскими. Такое решение вынуждает при слабом ветре передвигаться вперед, чтобы улучшить обтекание кормы, которая уменьшает свою осадку, а при сильном - смещаться назад для достижения оптимальной центровки при глиссировании.

Способность к глиссированию. Все конструкторы утверждают, что им удалось найти обводы, позволяющие легко переходить от режима водоизмещающего плавания к режиму глиссирования. В действительности такая проблема не стоит. Решающим обстоятельством является умение гонщика дать своей лодке импульс, вызывающий глиссирование. Это так же верно, как то, что максимальная достижимая скорость зависит от силы ветра и мускульной силы спортсмена. Можно спросить себя: стоит ли погружаться в сложные дебри теории ради предполагаемого выигрыша в скорости, пренебрежимо малого по сравнению с тем, что зависит от умения гонщика? Некоторые вещи очевидны, например, эффективность плоской формы днища в кормовой части - как в поперечном, так и в продольном направлениях. (Возможно, корпус, сконструированный исключительно для развития максимальной скорости, в кормовой части должен иметь небольшую вогнутость в продольном направлении во избежание чрезмерного дифферента на корму, возникающего при высокой скорости.) Также целесообразно заметное смещение в корму максимальной ширины доски для получения оптимального положения центра тяжести, так как при выходе на глиссирование гонщик перемещается дальше к корме.

В общем складывается впечатление, что вмешательство конструкторов в конструирование корпусов виндсерферов пока что дало результаты не столько в плане повышения скорости, сколько в плане улучшения "комфортабельности" модели, лучшей ее приспособленности к условиям использования. На сегодняшний день большей популярностью пользуются "эмпирические" модели, при разработке которых главное внимание обращалось на гоночные качества (к слову сказать, - обязательное условие популярности).

Ив М. Маке. Перевод из журнала "Neptune Nautisme" А. Р. Бендерского,
журнал "Катера и Яхты", 1980 год.

Windseekers
Developers: skat, wolf