Kan ett segelfartyg segla mot vinden? Krafter som agerar på båtens skrov och segel

För de flesta barn i skolan orsakar fysiklektioner inte mycket intresse: ordet "fysik" är förknippat med komplexa problem och formler. Och kunskapen i klassrummet är ganska svår att tillämpa i praktiken, och detta ger upphov till ett missförstånd om innebörden av att studera ämnet. Som en lösning på detta problem, liksom för att skapa logiskt tänkande och analys, kan en uppsättning "uppfinningsmässiga problem" föreslås. Vi gav dem vanligtvis antingen i slutet av lektionen eller under de "återstående fem minuterna" eller som läxa... Under de återstående 5-7 minuterna av lektionen i 10: e klass kan du till exempel ha tid att lösa ett eller två problem.

Eftersom allt arbete måste vara vettigt kan barnens intresse stimuleras av bedömningen. Om problemet ställdes hemma, då för fem olika lösningar på problemet - poäng "5", för varannan ytterligare lösning - ytterligare en poäng "5". Om uppgiften gavs i klassrummet gavs de mest aktiva studenterna bedömningen.

- Täck kärlet med ett lock 2 ... Således för att öka trycket och följaktligen kokpunkten för vatten i det.

- Salta vattnet i kärlet 2 - kokpunkten kommer också att stiga.

- Koka vatten i ett kärl 2 flera gånger och låter det svalna mellan kokarna. Således kommer vi att ta bort föroreningar från vattnet (de kommer att fällas ut) och följaktligen förångningscentren, därför kommer vi att öka kokpunkten för vatten.

- Placera på botten av fartyget 2 ultraljud generator.

- Placera en kopparstång i vattnet så att den vilar mot botten på båda kärlen. I det här fallet får vi en värmeledare.

- Vänta tills vattnet är i kärlet. 2 koka bort.

- Häll i ett kärl 2 vätska som kokar vid temperaturer över 100 ° C.

- Värm magneten. Således kommer vi att missrikta domänerna i magneten.

- Värm upp spiken. Således kommer vi att missrikta domänerna i
nagel.

- Använd en spak av trä eller icke-magnetisk metall.

- Vikla ledningen runt spiken och låt strömmen strömma. Vänd sålunda spiken till en magnet med samma polaritet med hästskonens ändar.

- Dra spiken kraftigt.

- Placera järnstången ovanför nageln. Således "kortsluter" vi linjerna för magnetisk induktion och försvagar magnetfältet i ändarna av magneten.

- Knacka på magneten. Deformation leder till störningar av den ordnade orienteringen av domänerna i magneten.

- Pumpa luft in i kolven. Som du vet är bågen lätt att bryta om du trycker inifrån.

- Placera hela systemet under klockan, sätt i röret och evakuera luften från klockan. Således kommer vi att skapa övertryck i kolven och den kommer att spricka, som i föregående fall.

- Häll vatten i en kolv och frys. Kolven spricker, för vattnet expanderar vid kylning.

- Värm kolven ojämnt. Kyl hälften av kolven och värm den andra. Kolven spricker på grund av skillnaden i termisk expansion.

- Skicka en ljudvåg till kolven. Ljudet får kolvens väggar att svänga och vid resonans spricker kolven.

- Lägg några fler tegelstenar på toppen.

- Slå på tegelstenen.

- Vänta tills vattnet avdunstar.

- Värm muggen för att påskynda avdunstningen.

- Lägg en sked i en mugg och frys. Ta sedan ut en sked tillsammans med is.

Notera... Omedelbart efter frysning kan skeden inte nås, så muggens kanter måste värmas upp något.

- Doppa en svamp i glaset.

- Lägg cocktailröret i muggen och suga ut vattnet.

- För in änden av det långa gummiröret i muggen, sänk den andra änden under vätskeytans nivå och sug luften ur röret - vatten kommer att rinna ut.

- Placera röret i muggen, vars andra ände placeras i ett kärl med lågt tryck. Atmosfäriskt tryck tvingar vattnet in i ett annat kärl.

- Flytta glasögonen relativt varandra, vrid varandra i förhållande till varandra.

- Vänta lite. Systemet är inte helt tät och luft läcker fortfarande genom packningen.

- Öka glasets temperatur, häll till exempel kokande vatten över dem. Gastrycket i glasen stiger.

- Placera systemet under klockan och evakuera luften. Trycket i glasögonen blir större än utanför.

  • Hur delar man en isbit i två lika stora delar?

- Fick syn på.

- Mal till smulor och dela.

- Skär med en het kniv.

- Värm hälften.

- Smält kuben, dela upp vattnet i hälften, frys de resulterande halvorna.

- Lägg ett stöd.

- Spik benen på golvet.

- Välj experimentellt lutningsvinkeln så att jämvikt upprättas. Trim stolens ben i denna vinkel för att öka fotavtrycket.

- Klipp ut urtag i golvet i en vinkel och sätt in stolens ben i dem.

- Limma stolen.

  • Hur får jag en matematisk matris att svänga i bara ett plan?

- Snurra lasten runt dess axel. Som ett resultat får vi ett gyroskop, och som ni vet ändrar inte gyroskopets rotationsplan sin position i rymden.

- Gör en järnvikt i ett magnetfält.

- Konstruera en styrstruktur (två plattor).

- Gör en metallviktsvängning i ett statiskt elektriskt fält (till exempel mellan två laddade kulor).

- Finjustera vid start.

  • Hur kyla vattnet i flaskan?

- Sätt flaskan i kylen.

- Sätt (på) under is.

- Vik in flaskan med en fuktig trasa och lägg den i en luftström. När vatten avdunstar från trasans yta svalnar den senare och tar bort värmen från vattenflaskan.

- Vik in flaskan med en fuktig trasa, lägg den under klockan och evakuera luften. Således kommer vi att sänka trycket, därför kommer vi att påskynda avdunstningen.

- Lägg flaskan i en behållare med kallare vatten, t.ex. is.

- Kemiskt cool.

  • Hur man ansluter två metallplattor?

- Använd en bult och mutter.

- Använd nitar.

- Lim.

- Löd.

- Laga mat. (Inte alla metaller är svetsade - Ed.)

- Använd elektrisk punktsvetsning.

- Slipa och slipa båda ytorna som ska fästas och tryck hårt. (Så här utförs kallsvetsning i rymden. Ed.)

  • Hur värmer man upp en metallkula?

- Sätt i ugnen.

- Träffa.

- Gnugga länge.

- Deformera.

- Passera den elektriska strömmen.

  • Hur påskyndar torkningen av en fuktig trasa?

- Häng på ett rep i ett torrt, varmt rum.

- Utöka det så mycket som möjligt.

- Placera i en torr luftström.

- Placera mellan torra trasor (tidningar) och byt dem regelbundet.

- Stänk en trasa med torr sand (sågspån), skaka av med jämna mellanrum och strö igen med en ny portion sand. Sanden absorberar fukt.

- Placera den nära en kraftfull källa för högfrekvent elektromagnetisk strålning. Som ett resultat av verkan av Foucault-strömmar kommer vätskan att värmas upp.

  • Hur tar man bort överflödig sten?

- Chip off med en mejsel och hammare.

- Radera.

- Värm stenen och kyla den kraftigt. Som ett resultat av det kraftiga temperaturfallet på grund av termisk expansion, kommer stenen att spricka.

- Kyl och värm snabbt.

- Klipp av.

- Att smälta.

  • Vad är det snabbaste sättet att fylla en hink i regnet?

- Placera en hink under avloppet nära husets tak. Där samlas vatten upp från en stor takyta.

- Placera tratten över skopan.

- Lägg en tygduk i skopan med ena änden och häng den andra änden. Vattnet rinner från tyget in i skopan (området som vattnet samlas i kommer att öka).

- Placera skopan i en vinkel på 45 ° mot dropparnas fallriktning. (Det kommer att bli värre. - Ed.)

- Placera flera laddningar med samma namn i mitten av skopan. Som ett resultat kommer dropparnas bana att förändras.

  • Hur höjer man vattennivån i armbågen på ett U-rör relativt den andra?

- Pumpa ut luft från ett knä och stäng knäet med en propp.

- Pumpa luft i ett knä och stäng knäet med en propp.

- Häll en lättare vätska (t.ex. fotogen) i en armbåge.

- Placera baffeln (kolven) mellan knäna och flytta den till exempel på en tråd.

- Använd fenomenet osmos.

  • Hur får jag en bil att rulla av en puckel för att resa längre tröghetssträcka?

- Knuff.

- Ladda bilen.

- Smörj skenorna med olja, vilket minskar friktionskoefficienten.

- Kyl skenorna. Det finns alltid vattenånga i atmosfären, kondens kommer att dyka upp på de kylda skenorna, vilket minskar friktionen.

  • Hur säkerställer man att det finns vattenmolekyler i en höjd av 1 cm över vattenytan i kärlet?

- Doppa veken i vattnet. Vattenmolekyler kommer att stiga genom kapillärerna.

- Kasta is i vattnet: den flyter i vattnet, därför kan du plocka upp en bit som kommer att stiga 1 cm över ytan, och is är också vatten.

- Sänk ner svampen. Vattnet, som med veken, kommer att stiga.

- Värm upp vattnet.

- Inget att göra. Vatten avdunstar vid vilken temperatur som helst, därför finns det över ytan, i vilken som helst eller nästan vilken höjd som helst, minst en H2O-molekyl.

  • Hur lyser jag upp ett litet utrymme?

- Tänd en tändsticka (ljus, fackla).

- Tänd upp den med en ficklampa.

- Tänd en elektrisk urladdning.

- Upphetsa luminiscens.

- Excite Cherenkov-glödet (glödet av vatten när partiklar passerar genom det med en hastighet som är högre än ljusets hastighet i vatten).

  • Hur påskyndar kokningen av vätska i en vattenkokare?

- Öka värmaren.

- Häll inte vatten i vattenkokaren utan en lättare kokande vätska (till exempel aceton).

- Isolera till exempel vattenkokaren, linda in den i en tjock trasa och en bomullstäcke.

- Placera vattenkokaren i ett område med lågt tryck.

- Knacka ständigt på vattenkokaren och rör om vattnet.

  • Hur stoppar man en fjäderklocka utan att skada dess yttre skal?

- Rör inte vid klockan på länge - de stannar själva.

- Skaka starkt, släpp, slå.

- Doppa i vätska och frys.

- Placera i flytande kväve.

- Placera i ett alternerande magnetfält.

- Värme.

  • Hur förbättrar jag stövlarnas glid?

Svaralternativ

- Torka helt av yttersula skyddet.

- Gör isen jämn, jämn.

- Gör isytan fuktig.

- Häll olja över isen.

- Fäst löpare på stövlarna (för att göra skridskor).

________________________

4: e studenten i VyatSGU, gav detta material 2005 i klassrummet och fritidsaktiviteter, passerar pedagogisk praxis i skolan nummer 5 (Slobodskoy, Kirov-regionen, chef - Ryska federationens hedrade lärare Victor Ivanovich Elkin [e-postskyddad]). Eleverna gillade verkligen problemen, de löste dem med glädje.

En segelbåts nedvindrörelse bestäms faktiskt av det enkla vindtrycket på dess segel, som skjuter båten framåt. Vindtunnelstudier har dock visat att segling i vind utsätter seglet för en mer komplex uppsättning krafter.

När den inkommande luften flyter runt segelns konkava bakre yta minskar lufthastigheten, medan den flyter runt segelns konvexa främre yta ökar denna hastighet. Som ett resultat bildas ett område med ökat tryck på seglets bakre yta och ett lågtrycksområde på framsidan. Tryckskillnaden på segelns båda sidor skapar en dragkraft som skjuter båten framåt i en vinkel mot vinden.

En segelbåt, som ligger ungefär i rät vinkel mot vinden (i nautisk terminologi, en båt slår till), rör sig snabbt framåt. Seglet utsätts för drag- och sidokrafter. Om en segelbåt går i en spetsig vinkel mot vinden, hastigheten saktar ner på grund av en minskning av dragkraften och en ökning av lateral. Ju mer seglet vänds mot aktern, desto långsammare rör sig båten framåt, särskilt på grund av den stora sidokraften.

En segelbåt kan inte segla rakt upp i vinden, men den kan driva sig framåt i en serie korta sicksackrörelser i en vinkel mot vinden, kallade tacks. Om vinden blåser till babord sida (1) sägs båten segla på babord tack, om till styrbord (2) - på styrbord tack. För att gå snabbare avståndet försöker seglare att höja båtens hastighet till det yttersta genom att justera positionen för sitt segel, som visas i bilden nedan till vänster. För att minimera avvikelsen från den raka linjen rör sig båten, byter kurs från styrbord till babord och vice versa. När båten byter kurs kastas seglet till andra sidan, och när dess plan sammanfaller med vindlinjen rusar det en stund, d.v.s. är inaktiv (mittfigur under texten). Båten faller in i den så kallade döda zonen och tappar hastigheten tills vinden igen blåser upp seglet från motsatt sida.

Vindarna i södra delen Stilla havet blåser västerut. Därför var vår rutt utformad så att segelbåten "Juliet" rör sig från öst till väst, det vill säga så att vinden blåser i ryggen.

Men om du tittar på vår rutt kommer du att märka att vi ofta, till exempel när vi flyttade från söder till norr från Samoa till Tokelau, var tvungna att röra sig vinkelrätt mot vinden. Och ibland ändrade vindriktningen helt och hållet och var tvungen att gå mot vinden.

Juliet Route

Vad ska man göra i det här fallet?

Segelfartyg har länge kunnat segla mot vinden. Den klassiska Yakov Perelman skrev om detta länge bra och enkelt i sin andra bok från underhållningsfysiken. Jag citerar detta stycke här ordagrant med bilder.

"Seglar mot vinden

Det är svårt att föreställa sig hur segelfartyg kan gå "mot vinden" - eller med sjömännens ord gå "till sidovind". Det är sant att sjömannen säger att du inte kan gå direkt mot vinden under segel, men du kan bara röra dig i en spetsig vinkel mot vindens riktning. Men denna vinkel är liten - ungefär en fjärdedel av rätt vinkel - och det verkar kanske lika obegripligt: ​​om man ska segla direkt mot vinden eller i en vinkel på 22 ° mot den.

I verkligheten är detta emellertid inte likgiltigt, och vi kommer nu att förklara hur vindens kraft kan gå mot den i en liten vinkel. Låt oss först överväga hur vinden verkar på seglet i allmänhet, dvs var det skjuter seglet när det blåser på det. Du tror nog att vinden alltid skjuter seglet i den riktning det blåser. Men detta är inte så: varhelst vinden blåser skjuter den seglet vinkelrätt mot segelplanet. I själva verket: låt vinden blåsa i den riktning som indikeras av pilarna i figuren nedan; linje AB anger segel.

Vinden skjuter alltid seglet i rät vinkel mot sitt plan.

Eftersom vinden trycker jämnt på hela segelytan ersätter vi vindtrycket med kraften R som appliceras på mitten av seglet. Vi sönderdelar denna kraft i två: kraften Q, vinkelrät mot seglet och kraften P, riktad längs den (se bilden ovan, till höger). Den sista kraften skjuter seglet ingenstans, eftersom vindens friktion mot duken är försumbar. Kraften Q kvarstår, som skjuter seglet i rät vinkel mot det.

Att veta detta kan vi lätt förstå hur ett segelfartyg kan gå i en spetsig vinkel mot vinden. Låt KK-linjen representera fartygets köllinje.

Hur kan du segla mot vinden.

Vinden blåser i en spetsig vinkel mot denna linje i riktningen som indikeras av pilaraden. Line AB representerar seglet; den är placerad så att dess plan halverar vinkeln mellan kölens riktning och vindens riktning. Följ sönderdelningen av krafter i figuren. Vi representerar vindtrycket på seglet med kraften Q, som vi vet måste vara vinkelrät mot seglet. Vi sönderdelar denna kraft i två: kraften R, vinkelrät mot kölen och kraften S, riktad framåt, längs fartygets kölinje. Eftersom fartygets rörelse i riktning mot R möter starkt vattenmotstånd (kölen i segelfartyg blir mycket djup), balanseras kraften hos R nästan helt av vattnets motstånd. Endast kraften S återstår, som, som du kan se, är riktad framåt och flyttar därför fartyget i en vinkel, som mot vinden. [Det kan hävdas att S är viktigast när segelplanet halverar vinkeln mellan köl och vindriktning.] Vanligtvis utförs denna rörelse i sicksack, som visas i figuren nedan. På sjömans språk kallas denna förflyttning av fartyget "att slå" i ordets snäva mening. "

Låt oss nu överväga alla möjliga vindriktningar i förhållande till båtens kurs.

Diagrammet över fartygets kurs i förhållande till vinden, det vill säga vinkeln mellan vindriktningen och vektorn från akter till båge (kurs).

När vinden blåser i ansiktet (leventik) dinglar seglen från sida till sida och det är omöjligt att röra sig med seglet. Naturligtvis kan du alltid sänka seglen och sätta på motorn, men detta har ingenting att göra med segling.

När vinden blåser exakt i ryggen (förvind, medvind) sätter de spridda luftmolekylerna trycket på seglet från ena sidan och båten rör sig. I detta fall kan fartyget bara röra sig långsammare än vindhastigheten. Analogin med att cykla i vinden fungerar här - vinden blåser i ryggen och det är lättare att trampa.

När det rör sig mot vinden (beewewind) rör sig seglet inte på grund av trycket från luftmolekylerna på seglet bakifrån, som i fallet med fordewind, utan på grund av hissen som skapas på grund av olika lufthastigheter från båda sidor längs seglet. På grund av kölen rör sig båten inte i riktning vinkelrätt mot båtens kurs utan bara framåt. Det vill säga att seglet i det här fallet inte är ett paraply, som i fallet med en sidovagn, utan en flygvinge.

Under våra korsningar gick vi främst backstays och Gulfwinds med en genomsnittlig hastighet på 7-8 knop med en vindhastighet på 15 knop. Ibland gick vi mot vinden, Gulfwind och Beydewind. Och när vinden dök ned slog de på motorn.

I allmänhet är en båt med ett segel som går mot vinden inte ett mirakel utan en verklighet.

Det mest intressanta är att båtar inte bara kan gå mot vinden utan även snabbare än vinden. Detta händer när båten stannar kvar och skapar "sin egen vind".

Jag tror att många av oss skulle ta chansen att dyka ner i havsavgrunden i något slags undervattensfordon, men ändå föredrar de flesta en havsresa på en segelbåt. När det inte fanns några flygplan eller tåg fanns det bara segelbåtar. Världen var utan dem, blev inte så

Segelbåtar med rak segel förde européer till Amerika. Deras stabila däck och rymliga grepp förde män och förnödenheter för att bygga den nya världen. Men även dessa forntida fartyg hade sina begränsningar. De gick långsamt och praktiskt taget i samma riktning medvind. Mycket har förändrats sedan dess. Idag använder de helt andra principer för att kontrollera vind- och vågstyrkan. Så om du vill åka en modern, måste du lära dig lite fysik.

Modern segling det är inte bara rörelse i vinden, det är något som påverkar seglet och får det att flyga som en vinge. Och detta osynliga "något" kallas lift, vilket forskare kallar sidokraft.

En uppmärksam observatör kunde inte låta bli att lägga märke till att oavsett var vinden blåser rör sig segelbåten alltid dit kaptenen behöver det - även när vinden vänder mot. Vad är hemligheten med en sådan fantastisk kombination av envishet och lydnad.

Många inser inte ens att ett segel är en vinge, och principen om att en vinge och ett segel är densamma. Den är endast baserad på hiss om vingen lyfts flygplan, med hjälp av motvind, skjuter planet uppåt och sedan leder det vertikalt placerade seglet segelbåten framåt. För att förklara detta vetenskapligt måste du gå tillbaka till grunderna - hur seglet fungerar.

Ta en titt på den simulerade processen som visar hur luft verkar på segelplanet. Här kan du se att de mer böjda luftströmmarna under modellen böjer sig för att kringgå modellen. I detta fall måste flödet påskyndas lite. Resultatet är ett område med lågt tryck - detta genererar lyft. Lågt tryck på undersidan drar ner seglet.

Med andra ord försöker högtrycksområdet att röra sig mot lågtrycksområdet och sätta press på seglet. En tryckdifferens uppstår som genererar en hiss. På grund av segelns form är vindhastigheten mindre på den inre vindsidan än på den lägre sidan. Ett vakuum bildas på utsidan. Seglet suger bokstavligen in luft, vilket driver segelbåten framåt.

Faktum är att denna princip är ganska enkel att förstå, bara titta närmare på något segelfartyg. Tricket här är att seglet, oavsett hur det är placerat, överför vindenergi till fartyget och även om det visuellt verkar som att seglet borde sakta ner båten, ligger kraften i kraften närmare segelbåtens båge och vindkraften ger translationell rörelse.

Men detta är teori, men i praktiken är allt lite annorlunda. I själva verket kan en segelbåt inte gå mot vinden - den rör sig i en viss vinkel mot den, de så kallade tacks.

Segelbåten rör sig på grund av kraftbalansen. Segel fungerar som vingar. Det mesta av hissen de genererar riktas åt sidan och endast en liten mängd fram. Men hemligheten ligger i detta underbara fenomen i det så kallade "osynliga" seglet, som ligger under båtens botten. Är det köl eller på nautiska språk- mittbord. Hissen på mittbordet ger också hiss, som också främst riktas åt sidan. Kölen står emot hälen och motsatt kraft på seglet.

Förutom lyftkraften finns det också en rulle - ett fenomen som är skadligt för rörelse framåt och farligt för fartygets besättning. Men det är därför det finns ett team på båten som ska tjäna som en levande motvikt till de oförlåtliga fysiska lagarna.

I en modern segelbåt arbetar både kölen och seglet tillsammans för att styra segelbåten framåt. Men som alla nybörjare kommer att bekräfta i praktiken är allt mycket mer komplicerat än i teorin. En erfaren sjöman vet att även den minsta förändringen i segelböjningen gör det möjligt att få mer lyft och kontrollera dess riktning. Genom att variera seglingens krökning kontrollerar den skickliga sjöman storleken och positionen för det hissproducerande området. En djup framåtböjning kan skapa en stor tryckzon, men om böjningen är för stor eller luftmolekylens framkant är för brant, kommer den strömmande luften inte längre att följa böjningen. Med andra ord, om objektet har skarpa hörn av flödespartiklarna inte kan göra en sväng - rörelseimpulsen är för stark, kallas detta fenomen "separerat flöde". Resultatet av denna effekt är att seglet "flingar" och tappar vind.

Och här är några fler praktiskt råd användning av vindenergi. Optimal motvind kurs (racing sidvind). Sjömän kallar det "springa mot vinden." Vimpelvind, som har en hastighet på 17 knop, är märkbart snabbare än den sanna vinden, vilket skapar ett vågsystem. Skillnaden i deras riktningar är 12 °. På väg till synbar vind - 33 °, till sann vind - 45 °.

Den ryska poeten Mikhail Yurievich Lermontov älskade hav och i sina verk nämnde han honom ofta. Han skrev en underbar dikt om blekningen segla, som rusar bland vågorna i det avlägsna havet. Du är förmodligen bekant med Lermontovs dikt, för det här är de mest kända poetiska linjerna om segelfartyg. När man läser dem kan man föreställa sig ett rasande hav och vackra fartyg bland dess vågor. Vinden blåser seglen. Och tack vare vindens kraft går fartygen framåt. Men hur klarar segelbåtar att segla mot vinden?

För att svara på detta måste du först lära dig ett okänt ord. "kryssa".Halsomär fartygets rörelseriktning i förhållande till vinden. Taket kan lämnas när vinden blåser från vänster, eller höger när vinden blåser från höger. Det är också viktigt att känna till den andra betydelsen av ordet "tack" - detta är en del av stigen, eller snarare, dess segment som en segelbåt passerar när den rör sig mot vinden... Kom ihåg?

Nu, för att förstå hur segelbåtar lyckas segla mot vinden, låt oss hantera seglen. De finns i olika former och storlekar på en segelbåt - rak och sned... Och alla gör sitt jobb. När en motvind blåser styrs skeppet av sneda segel som vänder på ett eller annat sätt.

Efter dem svänger fartyget i en eller annan riktning. Vänder och går framåt. Sjömännen kallar denna rörelse - variabel tack... Dess väsen ligger i det faktum att vinden pressar på de sneda seglen och blåser fartyget något åt ​​sidan och framåt. Segelbåtens roder tillåter inte att den svänger helt, och de skickliga sjömännen sätter seglen i rörelse i tid och ändrar position. Så i små sicksackar och går framåt.

Självklart är variabel tackning mycket svår för hela besättningen på en segelbåt. Men sjömännen är erfarna killar. De är inte rädda för svårigheter och är mycket förtjusta i havet.

Läs också: