Как плавает парусное судно при попутном ветре, специально объяснять не нужно. Передвигаться по ветру можно на любой лодке и с парусом простейшей конструкции. Иное дело — движение под углом навстречу ветру и против него (так называемая лавировка). Для этого требуются эффективные косые паруса и корпус со специальными обводами. Косой парус располагается по одну сторону от мачты или штага, к которым крепится его передняя кромка — шкаторина, поэтому он развивает достаточно большую силу тяги не только при попутном ветре, но и при встречном, если его направление составляет не менее 36—35° по отношению к курсу судна.
В этом случае парус работает подобно крылу самолета: при обтекании паруса потоком воздуха на его подветренной (выпуклой) стороне создается разрежение, на наветренной — повышенное давление. Суммарное действие этих давлений может привести к результирующей аэродинамической силе А, которую по авиационной терминологии можно назвать подъемной силой. Сила А раскладывается на силу тяги Т, движущую судно вперед, и силу дрейфа D, сносящую его в подветренную сторону. При ходе под острым углом к ветру сила дрейфа вчетверо превышает силу тяги. При направлении ветра -перпендикулярно курсу (галфвинд) они примерно равны, а при попутном ветре сила дрейфа практически отсутствует.
Рис. 1. Схема сил, действующих на парус и корпус яхты при ее движении под углом к направлению ветра.
Эти силы действуют на парус. Однако по законам механики при равномерном установившемся движении к судну должны быть приложены равные по величине и противоположно направленные силы. Такими силами являются сопротивление воды движению судна Rf и сила сопротивления дрейфу (или боковое сопротивление) Rd, приложенные в подводной части корпуса.
Появление силы бокового сопротивления обусловлено тем, что парусник фактически идет не по направлению ДП, а под углом дрейфа а. Таким образом, подводная часть, парусника, обтекаемая косым потоком воды, работает подобно крылу, развивая достаточно большую по величине подъемную силу R. В идеальном случае силы А и R должны действовать в одной вертикальной плоскости, т. е. в этой плоскости должны располагаться центр аэродинамического давления на паруса или центр парусности (ЦП) и центр бокового сопротивления корпуса (ЦБС). Точно рассчитать положение этих точек на корпусе и парусах практически невозможно, так как оно меняется в зависимости от курса яхты и угла установки парусов относительно ветра. На практике считается достаточным, чтобы геометрический центр тяжести площади парусов, поставленных в-ДП, располагался перед центром тяжести боковой проекции подводной части ДП (с учетом киля и руля) на некоторую величину а. Эта величина зависит от обводов корпуса и типа парусной оснастки и может изменяться в пределах от 0,04 до 0,181 (здесь L — длина по ватерлинии). На плоскодонных лодках с опускным килем (швертботах) а = (0,04 ~ 0,06) L на яхтах, имеющих специальные обводы с глубоким килем и полными оконечностями, а — (0,06 Ь 0,10) L; на легких яхтах с плавниковым килем и мелкосидящим корпусом а — (0,08 -f 0,18) L.
Нетрудно заметить, что на продольную устойчивость движения помимо относительного положения ЦП и ЦБС влияет также пара сил тяги Т и силы сопротивления Rj, появляющаяся вследствие крена судна. Эта пара оказывает противоположное действие паре сил Rd и D, поэтому, чем меньше остойчивость судна (больше крен при действии ветра), тем меньшую величину а следует принимать.
На рис. 123 обозначены еще два момента сил: кренящий Мкр, возникающий вследствие наличия плеча I между силами D и Rd, и противодействующий ему восстанавливающий момент поперечной остойчивости судна Мв.
Кратко требования, предъявляемые к парусной лодке, которая должна идти под углом к ветру — курсом бейдевинд, можно сформулировать следующим образом:
1. Лодка должна быть оборудовайа парусами достаточно большой площади § по отношению к смоченной поверхности корпуса Q. У спортивных яхт S/Q = 2 г 2,5; у лодок со вспомогательными парусами S/Q = 1,5 г 1,8.
2. Корпус должен иметь развитую боковую проекцию ДП с эффективным килем в виде профилированного крыла. Обычно площадь бокового сопротивления составляет 1/20—1/17 площади парусов.
3. Судно должно обладать хорошей остойчивостью, чтобы в трех — четырехбалльный ветер крен его под всеми парусами не превышал 20—25°.
4. Судно должно быть хорошо отцентровано (правильно выбрана величина а).