|
|
|
|
Секреты плавников от Рика Ханке
 |
 |
|
Сейчас часто обсуждаются характеристики и качества плавников, все спорят о том, какие возникают на плавнике силы, что такое на самом деле спинаут и каково вообще назначение плавника. В этой статье попытаемся прояснить основные вопросы, физические принципы виндсерфинга, роль плавника, как он работает и какие его параметры наиболее важны.
Для того, чтобы понять влияние плавника, который хоть и мал, но является очень важной частью системы, мы должны сначала описать всю эту систему, чтобы увидеть взаимодействие ее элементов.
Принцип равновесия
Чтобы описать равномерное движение доски мы можем применить простой метод, используя принцип равновесия. Для равномерного движения результирующие векторы всех действующих сил, приложенных к телу должны быть уравновешены или, на математическом языке - сумма всех сил и моментов должна быть равна нулю. Это открыл еще Исаак Ньютон в 1687 году и это работает по сей день.
В соответствии с принципом равновесия (Первым законом Ньютона), движение тела задается действующими на него силами и вращающими моментами. Для всех тел в состоянии покоя или в равномерном движении сумма всех сил и моментов равна нулю. Это значит, что все силы должны быть уравновешены, как в случае движения доски, которое сдерживается равной силой сопротивления. Если это условие не выполняется, тело будет ускоряться или замедляться.
Силы и вращающие моменты, возникающие на ходу
Все силы могут быть определены через вес тела спортсмена потому, что сила, создаваемая весом тела должна находиться в равновесии с аэро и гидродинамическими силами от паруса и плавника. Очень точно определять эти силы нет необходимости, но мы должны понимать общюю концепцию.
Подьемная сила доски
Во время глиссирования поток воды препядствует погружению доски, динамически создавая силу поддержания. Поток отклоняется вниз и возникает направленная вверх сила (действие = противодействие). Она удерживает вес доски, паруса и спортсмена.
Наступает состояние равновесия: подьемная сила доски сравнивается с весом (рис.1).
Силы на доске, парусе и плавнике
Ветер (вымпельный) создает на парусе силу, перпендикулярную направлению потока, направленную немного вперед от перпендикуляра к диаметральной плоскости (ДП) доски, в зависимости от курса, течения и т.п. Общая сила на парусе может быть представлена как сумма двух векторов - тяги (вперед вдоль доски) и боковой тяги, перпендикулярной ДП.
Чтобы сохранялось условие равномерного движения, все силы и моменты должны быть уравновешены. Поэтому:
Тяга паруса = Сопротивлению доски
Боковая тяга паруса = Боковой реакции (плавника и корпуса)
И все вращающие моменты должны уравновешиваться (рис.2).
Боковая реакция плавника создается так же, как тяга паруса - движением под углом к потоку воды (углом атаки). В случае плавника угол дрейфа доски и будет его углом атаки, необходимым для создания боковой силы.
Все физические явления, которые создают подьемную силу на авиационном крыле, работают и на плавнике. Единственное отличие - плотность воды в среднем в 850 раз больше плотности воздуха и вязкость в 14 раз ниже, чем у воздуха. Поэтому плавник и может быть настолько меньше паруса, и при этом создавая такую же силу. Скорость потока на плавнике равна скорости хода доски, а для паруса - скорость потока (вымпельного ветра) может быть больше скорости реального ветра.
Далее, так какова же сила на парусе, с которой надо бороться плавнику?
 Силы на парусе и плавнике
Если рассмотреть все силы и моменты, действующие на доску с переднего ракурса, то, согласно принципу равновесия, сила тяги паруса удерживается весом тела. В противном случае парня утащило бы через доску.
Что это значит? В любых условиях - разной силе ветра, скорости, курсах, размерах паруса и т.п., боковая сила на плавнике будет ограниченной.
Учитывая средние размеры тела и паруса, получается, что максиальная боковая сила, удерживаемая весом, будет равна примерно 37,5% от веса тела.
Еще, боковой силе противостоит и корпус доски, но в общем, плавник должен нести всю нагрузку. На более широких кормовых обводах требуется большая тяга плавника из-за дополнительного вращающего момента от веса спортсмена.
|
|
ОпределенияРазмерения плавника и профиля показаны на рис.4
На эффективность плавника влияют следующие факторы: длина, коэффициент сужения, удлинение, площадь, относительная толщина профиля, расположение максимальной толщины, радиус передней кромки и угол схождения задней кромки профиля.
Подьемная сила и сопротивление
Как создается подьемная сила?
Так как плавник является хоть и маленьким, но крылом, мы можем использовать определения из аэродинамики. Возникающие на плавнике подьемная сила и сила сопротивления определяют его аэродинамическое качество. Несмотря на то, что плавник работает вертикально, а не горизонтально, как крыло, физика процесса возникновения сил остается неизменной.
Подьемная сила крыла создается при движении профиля в потоке с определенным углом атаки. Поток вокруг профиля несиметричен. В верхней части ему надо пройти больший путь чем снизу. Поэтому в верхней части приходится проходить быстрее, что создает меньшее давление по сравнению с нижней частью. Разность давлений и создает боковую силу.
Подьемная сила всегда сопровождается и сопротивлением, которое зависит от геометрии профиля и от трения молекул воды о поверхность плавника.
Подьемная сила увеличивается почти линейно с увеличением угла атаки, но до только до тех пор, пока угол не станет таким большим, что поток больше не может равномерно обтекать сторону разрежения плавника и отрывается (рис.7). Тяга падает, делая плавник неэффективным. Это еще называют спинаутом. (Автор ошибочно обьединяет понятия спинаута (вентиляции) и срыва потока - на самом деле это вещи разные. Прим.переводчика.)
То, на каком угле атаки плавник может работать без срыва, зависит от геометрии профиля. Острые передние кромки показывают ранний срыв, толстые, с бОльшим радиусом носика имеют более широкий диапазон углов атаки.
Кроме подьемной силы геометрия профиля влияет на характеристики сопротивления. Так называемые ламинарные профиля, например, создают очень низкое сопротивление при очень узком диапазоне углов атаки благодаря снижению турбулентности в пограничном слое. И требуется очень гладкая поверхность, особенно в районе передней кромки.
Качество плавника сильно зависит от числа Рейнольдса (Re). Число Re является мерой соотношения сил инерции к силам вязкости в потоке. Оно очень зависит от местной скорости потока, которая с удалением от поверхности профиля последовательно снижается до скорости среды. Сейчас доступны профиля, которые дают хорошие результаты также при достаточно малых числах Рейнольдса (при низкой скорости). (Похоже, речь о ламинаризированных профилях, дающих преимущество только на малых скоростях и малых углах атаки. Прим.переводчика.)
Поляры профилей
Свойства профиля хорошо представляются на графиках зависимости подьемной силы от угла атаки.
Сравнение поляр профилей наглядно показывает разницу эффективности. На рис.8 показаны поляры профилей А и В. Оба профиля имеют линейное возрастание подьемной силы с одинаковым углом подьема. Но В срыв потока (спинаут) происходит уже на 9 градусах, в то время как А демонстрирует более поздний срыв - при 13 градусах. Следовательно, А создает в общем бОльшую подьемную силу и также достаточную на малых скоростях. И еще он имеет намного лучшее качество для лавировки.
В целом для плавника, являющегося объемным крылом, подьемная сила, сопротивление и вращающие моменты пропорциональны:
- плотности воды
- квадрату скорости
- площади плавника
- углу атаки
- геометрии профиля
- геометрии плавника в плане.
Как и для паруса, для плавника наиболее важным параметром является площадь. Большая площадь дает бОльшую подьемную силу, но также бОльшее сопротивление. Далее, плавник дожден быть оптимизирован по форме в плане. Длинные узкие плавники, такие как слаломные дают хорошее отношение подьемной силы к сопротивлению, они эффективны гидродинамически (как длинные крылья планеров). Чтобы избежать спинаута, площадь плавника должна подбираться так, чтобы обеспечить требуемую подьемную силу во всех условиях, но без риска срыва потока.
Но бывают условия, когда плавник не всегда работает в воде. Низкое давление может привести к прорыву воздуха, и последует срыв потока (вентиляция плавника). Резкие маневры с сильным давлением на доску также могут привести к вентиляции.
Кроме общих параметров мы должны смотреть на стреловидность и жесткость плавника.
Спинаут
Срыв потока на профиле у нас называется спинаутом. Срыв потока у самолета обычно означает потерю подьемной силы. Чтобы ее восстановить, надо уменьшить угол атаки и иметь достаточно скорости. Это непросто понять - направляясь вверх, начинаешь падать! То же относится и к виндсерфингу кроме того, что намного легче уменьшить угол атаки при сохранении скорости, восстанавливая подьемную силу и продолжать полет дальше. В самолетах применяют электронные системы контроля подьемной силы, скорости, а досочники делают динамическую настройку всего этого по интуиции, по чувствам и опыту, почти как птицы.
Кавитация
Часто спинаут путают с кавитацией. Это совершенно другой физический процесс. Кавитация происходит когда разрежение на профиле становится ниже давления вскипания воды при этой температуре. На поверхности крыла образуются пузырьки пара. Это приводит к потере подьемной силы и увеличению сопротивления. Кавитация также может произойти на маленьких углах атаки при большой скорости.
Жесткость, изгиб и крутка
Жесткость определяется сопротивлением материала к изгибу. Нагрузка на плавник приводит к его изгибу, что изменяет поток на профиле: чем больше изгиб, тем хуже распределение подьемной силы. Изгиб приводит к потере боковой силы и эффективность плавника падает. Изгиба на длинных плавниках избежать нельзя по причине отсутствия настолько жестких материалов. Но есть соображения, по которым изгиб полезен, например улучшение контроля!
Крутка (твист)
Крутка это поворот сечений плавника вдоль его оси. Она возможна только на стреловидном плавнике, когда боковая сила действует мимо оси изгиба. Это плечо и создает вращающий момент.
В случае положительной стреловидности профиля на конце плавника скручиваются, уменьшая угол атаки. Это позволяет избежать возникновения спинаута. Но в общем твист уменьшает эффективность плавника.
Твист плавника аналогичен парусному, когда порывы ветра открывают верхушку. Для плавника это достигается бОльшим давлением ногами.
Плавник и характеристики движения
Предыдущие соображения были достаточно простыми.
Сейчас, используя GPS-устройства вы можете удобно измерять то, как быстро двигается доска в любом направлении и как эффективно вы набираете высоту. Не сложно определить и поведение плавника при спинаутах.
Но намного сложнее обьективно судить о таких параметрах, как легкость контроля, поворотливость на волнах или во время маневров. Они определяются парусом, доской, плавником и зависят от навыков и персональных предпочтений спортсменов. То, что одному покажется подходящим, другому, имеющему уровень катания выше или ниже - совсем нет.
Плавники могут испытываться таким же образом, как доски, с использованием оценочных шкал. Это важно делать на одинаковых досках и парусах, одними спортсменами в одинаковых условиях и с плавниками одинаковой площади.
|
Плавник - такой же парус в воде, он обеспечивает контроль направления движения.
Тяжелому спротсмену нужен плавник большей площади, также как нужна доска с более широкой кормой.
К сожалению, плавники не настолько ранжированы по площади, а только по длине. Когда мы сравниваем различные плавники, видно, что при одной длине они могут сильно различаться по площади (рис.10). С другой стороны, длина влияет на меневренность доски.
Поэтому, каждая доска в определенных условиях требует своего решения по плавнику.
Как все технические разработки, научный подход необходим для улучшения плавников, для того, чтобы разработать отличный продукт, в котором учитываются последние достижения физики, применяются новейшие методы испытаний. Сейчас появились медоты компьютерного рассчета, позволяющие контролировать характеристики профиля с достаточной точностью, что исключает необходимость проведения дорогостоящих тестов в трубе.
Но тем не менее, плавники, созданные с помощью компьютера, требуют испытаний в реальных условиях. Maui Ultra Fins проводит постоянные тесты с помощью GPS и специальных анкет, заплолняемых как профессионалами, так и любителями.
Только высококлассный плавник улучшит вашу доску и ваш драйв!
Больше скорости, больше стабильности, больше драйва.
Хотелось бы поблагодарить Michael Benket, Gereon Westphal, Timm Kopke, Charlie Gilman и Bob Waterman за их ценный вклад и критические мысли, касающиеся этой статьи.
|
|
