На любом курсе, кроме фордевинд, киль и перо руля препятствуют смещению яхты в сторону, т.е. боковому дрейфу. Происходит это потому, что поток воды, проходя у поверхности этих элементов корпуса, создает подъемную силу. Подъемной, эту силу называют потому, что причины ее возникновения те же, что у подъемной силы крыла самолета. Так же, как у крыла самолета, подъемная сила киля и руля направлена перпендикулярно плоскости поверхности. Но крыло самолета расположено горизонтально, а киль и перо руля яхты вертикально, следовательно, сила, которую создают подводные части корпуса, направлена в сторону.

Для простоты изложения, в дальнейшем киль, шверт или перо руля мы будем называть гидродинамическими поверхностями, по аналогии с поверхностями аэродинамическими. Килем, будем называть любою структуру, которая препятствует смещению яхты в сторону, независимо от конструктивных особенностей (фальшкиль, шверт или нечто иное).

Подъемная сила

Формирование подъемной силы осуществляется за счет энергия потока, проходящего вдоль гидродинамической поверхности. Как и крыло самолета, киль и перо руля двигаются сквозь непрерывную среду (соответственно, воздух или воду), но для того, чтобы упростить объяснение проще представить, что поверхность зафиксирована, а двигается среда.

Крыло самолета ассиметрично и в верхней части имеет больший изгиб. Но крыло симметричной формы тоже способно создавать подъемную силу, даже перевернутое вверх ногами самолетное крыло, способно создавать подъемную силу. Это возможно потому, что кроме формы, большое значение имеет угол, под которым крыло расположено к потоку (угол атаки). Киль, для того, чтобы одинаково эффективно работать на разных галсах, должен быть симметричен.

1. Величина подъемной силы пропорциональна квадрату скорости. Т.е. если скорость потока увеличится в два раза, величина подъемной силы увеличится в четыре.
2. Подъемная сила пропорциональна углу атаки. Другими словами, если вы увеличите угол атаки в два раза, в два раза возрастет и подъемная сила.
3. Существует предел эффективного увеличения угла атаки при данной скорости. Если вы слишком увеличите угол атаки, произойдет срыв потока и подъемная сила резкого уменьшится.
4. Расположенная под углом к потоку поверхность, создает сопротивление, которое тем больше, чем больше угол. Увеличение угла атаки тормозит яхту, до определенной границы это происходит линейно, затем сопротивление увеличивается очень резко. 
5. Срыв потока на поверхности приводит к тому, что, по сравнению с нормальным режимом обтекания, резко увеличивается трение между поверхностью и потоком.

Формирование подъемной силы

Подъемная сила возникает в том случае, если величина угла атаки поверхности отличается от нуля. Не трудно догадаться, как изменить угол атаки руля. Достаточно потянуть или оттолкнуть румпель и перо руля изменит угол, под которым оно проходит сквозь поток воды (угол атаки). Меня усилие на румпель мы определяем, насколько увеличится подъемная сила. Не забывайте, что при данной скорости существует предел, до которого увеличение угла атаки будет сопровождаться увеличением подъемной силы. Если резко потянуть румпель, вместо того, чтобы круто изменить курс, яхта снизит скорость!

Процесс формирования подъемной силы килем несколько сложнее, ведь повернуть киль относительно вертикальной оси, невозможно. Как же угол атаки киля может стать отличным от нуля? Ответ, благодаря боковому дрейфу.

Киль был придуман для того, чтобы противостоять боковому дрейфу. Он уменьшает дрейф, но совсем избавится от этого явления невозможно. Получается, что между направлением потока и диаметральной плоскостью яхты образуется небольшой угол, который называют углом дрейфа. Получается, что яхта движется вперед слегка боком.   

Для того, чтобы лучше объяснить процесс формирования угла атаки киля, давайте немного повернем рисунок, так чтобы линии тока были горизонтальны.

Теперь хорошо видно, что относительно потока воды яхта движется под некоторым углом, т.е. киль имеет угол атаки, который равен углу дрейфа. Если угол дрейфа яхты 5 градусов, то угол атаки киля тоже равен 5 градусам.

От чего зависит дрейф?

Согласно первому закону Ньютона, равномерное прямолинейное движение возможно, если все силы, действующие на объект (в нашем случае яхта) уравновешены. Если все силы равны нулю, яхта не движется, скорость равна нулю.

Сила бокового дрейфа компенсируется подъемной силой, которую генерирует киль. Если подъемная сила киля меньше, чем сила бокового дрейфа яхта быстрее смещается в сторону. Увеличение скорости бокового дрейфа, в сою очередь, увеличивает угол атаки и, следовательно, подъемную силу киля. В какой-то момент подъемная сила киля уравновешивает дрейф, и скорость движения в сторону более не увеличивается.

Если условия меняются, например яхта увеличивает скорость, подъемная сила киля возрастает, и это приводит к уменьшению дрейфа и наоборот. До тех пор пока опять не наступит равновесие.

Кроме подъемной силы, дрейф зависит от величины и направления силы, которую создает парус. Чем больше боковая составляющая этой силы, тем больше дрейф, но в любом случае, на каком-то этапе наступает момент, когда дрейф уравновешивается подъемной силой киля.   

Такой же баланс определяет скорость движения вперед. Если сила, которую развивают паруса больше, чем сопротивление, яхта ускоряется. С увеличением скорости растет и сопротивление, причем последнее растет быстрее, чем скорость. В момент, когда эти силы уравновешиваются, рост скорости прекращается. Если ветер стихает, сила, с которой парус толкает яхту уменьшается, скорость падает, но только до того момента, пока не наступит новое равновесие.

Эффект крена.

Как указывалось выше, сила, которую создает гидродинамическая поверхность, направлена перпендикулярно плоскости. Если яхта движется без крена, подъемная сила, которую создает киль и перо руля направлена горизонтально. Но движение без крена, скорее исключение, чем правило, поэтому для того, чтобы выяснить, как крен влияет на распределение сил, воспользуемся методом разложения силы на составляющие.

На рисунке хорошо видно, что угол между горизонтальной составляющей и подъемной силой, равен углу крена. Следовательно, горизонтальная составляющая равна подъемной силе умноженной на косинус угла крена, и по мере увеличения крена уменьшается.  

В таблице приведены значения горизонтальной составляющей при разных углах крена (в процентах от начальной подъемной силы):

0º	5º	10º	15º	20º	25º	30º	35º	40º	45º	50º	55º	60º
100%	100%	98%	97%	94%	91%	87%	82%	77%	71%	64%	57%	50%

Хорошо видно, что при крене до 20º горизонтальная составляющая подъемной силы уменьшается незначительно, но при увеличении крена до 25º и больше горизонтальный компонент резко уменьшается. При крене 60º и более горизонтальная часть составляет только половину подъемной силы, которую создает киль в отсутствие крена. Для большинства шкиперов это достаточный аргумент, чтобы потравить шкоты и снизить нагрузку.

С другой стороны, если необходимо чтобы горизонтальная составляющая гидродинамической поверхности была определенной величины, по мере увеличения крена должна увеличиваться и подъемная сила. Но подъемная сила растет с увеличением скорости дрейфа! Следовательно, при небольшом крене (до 20-25 градусов) дрейф увеличивается несущественно, но далее растет стремительно.   

Крен и перо руля

Подъемная сила, которую создает перо руля, меняет курс яхты или удерживает яхту на заданном курсе. Последнее необходимо при движении острым курсом, для противодействия тенденции приводиться. Чем больше тенденция приводиться, тем больше усилий вынужден прилагать рулевой, чтобы удержать яхту на заданном курсе. Сила, с которой необходимо давить на румпель, зависит от скорости яхты и угла, на который необходимо отклонить перо руля.  

При крене яхты, горизонтальны компонент подъемной силы, которую создает перо руля, тоже уменьшается. Если тенденция приводится и скорость постоянны, то, для того, чтобы при крене, подъемная сила пера руля не менялась, угол атаки должен быть увеличен.  При крене 25º, для того чтобы соответствовать начальным параметрам в горизонтальной плоскости, перо руля должно увеличить подъемную силу на 10%, а если крен увеличивается до 40º перу руля потребуется генерировать на 30% больше подъемной силы.

Однако, увеличение крена увеличивает и тенденцию приводиться, поэтому, для того, чтобы противодействовать силе, которая поворачивает яхту, необходимо увеличить давление на руль. Получается, что по мере увеличения крена, необходимо все больше и больше налегать на румпель, увеличивая угол атаки.  

Но изменение угла атаки пера руля имеет еще один аспект, сопротивление движению. По мере увеличения угла атаки, увеличивается не только подъемная сила, но и  сопротивление движению. Происходит следующая цепь событий, при увеличении крена, рулевой вынужден больше поворачивать руль, это приводит к увеличению сопротивления, в результате, скорость яхты уменьшается, а дрейф увеличивается. Но и это еще не все, снижение скорости приводит к тому, что подъемная сила, которую генерирует перо руля, уменьшается и для того, чтобы компенсировать это уменьшение, угол руля необходимо еще увеличить.  

Все это говорит о важности техники компенсации тенденции приводиться без применения руля. Это может быть и распределение веса в лодке, и откренивание, и изменение натяжение шкотов, или площади парусов… работа с рулем облегчится, а скорость увеличится, двойная победа.

Крен и дрейф

Напомним, что основная функция киля препятствовать боковому дрейфу. Так как, при увеличении крена горизонтальная составляющая подъемной силы киля уменьшается, дрейф увеличивается. Если при движении острым курсом чрезмерно выбрать шкоты, крен увеличится, а это приведет к увеличению бокового дрейфа. Кроме того, уменьшится скорость, а это приведет к еще большему дрейфу. Вот почему очень опасно перебирать шкоты!   

Усиление ветра, тоже увеличивает боковую составляющую движущей силы и, как следствие, крен. Оба эти фактора увеличивают боковой дрейф. В то же время увеличивается и сила движущая яхту вперед, увеличивается скорость и, как следствие, подъемная сила киля, а это уменьшает боковой дрейф. Поэтому можно сделать вывод, увеличение скорости ветра не так опасно, как неправильная настройка парусов!

Эффект от перечисленных выше факторов зависит от того насколько велик крен яхты, ее остойчивости, эффективности вооружения, а также насколько близка к максимальной скорость. Каков будет результирующий эффект предсказать не просто, но в общих чертах:

• При больших углах крена движение яхты далеко от идеального, увеличение крена увеличивает боковой дрейф.
• Правильно выбранные паруса обеспечат оптимальный крен, при котором на порывах яхта будет ускоряться, а не дрейфовать в сторону.   

Срыв потока

Вернемся к началу статьи. Подъемная сила, которую создает гидродинамическая поверхность, линейно зависит от угла атаки только до определенного его значения. Это значение, при котором наступает срыв потока. Срыв происходит потому, что из-за большого угла атаки, ламинарный поток не может достаточно быстро обогнуть поверхность крыла, отрывается и превращается в турбулентный поток. Срыв потока резко снижает подъемную силу, а турбулентный поток создает значительное сопротивление.   

Угол, при котором наступает срыв, зависит от конструкции крыла. Причем некоторые крылья срывают поток резко, в то время как другие переходят в этот режим постепенно.  Если срыв потока произошел, для того, чтобы восстановить подъемную силу необходимо уменьшить угол атаки.  

Тенденция приводиться к ветру

Даже хорошо сбалансированная яхта, на острых курсах может иметь тенденцию приводиться. Более того, небольшая тенденция приводится, считается полезным свойством. Поэтому для того, чтобы удерживать яхту на заданном курсе необходимо отклонять перо руля на определенный угол.

Чем больше яхта приводится, тем большим должен быть этот угол (угол атаки пера руля). Однако значительное отклонение может закончиться срывом потока на пере руля, а это значит, что большая часть силы направленной в сторону исчезает, и руль лишь слегка будет противодействовать приведению. Если же тенденция приводиться значительна (яхта лежит на руле), срыв потока может привести к совершенно неожиданному изменению курса.

Если яхта повернет на ветер, ее скорость снизится, плавность потока восстановится, руль начнет работать так же, как до срыва потока. Если погодные условия таковы, что можно предположить нередкие, одиночные порывы ветра, на которые ваша яхта отвечает неожиданным приведением, будет лучше уменьшить парусность. Иначе, регулярно теряя контроль над яхтой, вы будете очень похожи на неваляшку.  

При движении острым курсом неконтролируемое приведение может быть, очень опасным. Потенциально, это может привести к столкновению или посадке на мель. Поэтому следует быть внимательным, следить за резкими порывами ветра и нести паруса, соответствующие погоде.   

Если же, не смотря на предосторожности, яхта начала резко приводится, быстрые и слаженные действия команды могут исправить положение. Для этого, обычно, достаточно,  отпустив каретку или шкот, сбросить ветер с грота, а затем, после того как плавность потока восстановится и руль начнет работать, настроить грот соответственно условиям. Порывистый ветер, отличный повод для того, чтобы играя шкотами на порывах ветра, получать большие дозы адреналина, но при длительной лавировке это может утомить. Поэтому, когда решаете, настала ли пора брать рифы, не забывайте, что яхта с небольшим креном идет быстрее.  

Срыв потока при смене галса

Иногда, особенно при легком ветре, после смены галса мы обнаруживаем, что яхта резко замедлилась и не отвечает на движение руля. Кажется, что при смене галса, яхта повернула больше, чем необходимо, и не возвращается на крутой бейдевинд и не реагирует даже на очень резкий поворот руля. Причина этого, срыв потока на киле.   

Из-за того, что при смене галса, яхта какое-то время находится в положении левентик, т.е. движущая сила исчезает, наблюдается значительное снижение скорости. После этого, вполне возможно, что на новом галсе, скорость яхты окажется недостаточной для того, чтобы, на курсе крутой бейдевинд, киль создал подъемную силу, способную эффективно противостоять боковому дрейфу. В результате, боковой дрейф увеличивается, а это значит, что увеличивается и угол атаки киля. Если яхта идет слишком медленно, поток может сорваться, а подъемная сила, которую генерирует киль, резко уменьшится. Скорость бокового дрейфа увеличивается, но рано или поздно, компенсирует боковую составляющую силы ветра. В такой ситуации скорость дрейфа будет сопоставима со скоростью движения вперед.

Замедление движение вперед и увеличенный дрейф на крутом бейдевинде вызывает у рулевого естественную реакцию увалиться. Но из-за большого угла дрейфа, получается, что перо руля становится параллельно потоку воды, и не оказывает никакого эффекта, следствие – яхта продолжает неспешно дрейфовать в сторону.

Для многих яхт такое состояние может оказаться достаточно стабильным. Как только яхта начнет поворачивать под ветер, поток воды надавит на наветренную сторону пера руля и развернет яхту обратно. Тоже, но с обратным знаком случится, если яхта повернет на ветер. При этом смещение вперед, будет минимальным.

Срыв потока на киле при низкой скорости происходит потому, что подъемная сила, которую создает киль, пропорциональна квадрату скорости. Если на курсе острый бейдевинд яхта идет со скоростью 3 узла, при смене галса она снизится до одного узла. Это значит, что подъемная сила киля уменьшится в 9 раз, следовательно, чтобы подъемная сила опять смогла компенсировать дрейф, угол атаки с 5 градусов должен увеличиться до 45 градусов. Это намного больше, величины, при которой наступает срыв потока на киле при этой скорости. При большей скорости, киль сохраняет способность генерировать достаточную подъемную силу.   

Восстановление нормальной работы киля после срыва потока

Для того, чтобы восстановить нормальную работу киля, руль нужно поставить в центральное положение. Между потоком и пером руля возникнет угол и подъемная сила, коротая, повернет нос яхты против ветра. Угол атаки киля уменьшится, и поток восстановит плавное течение, срыв исчезнет. Нормальное течение потока намного меньше тормозит яхту, а поворот в подветренную сторону увеличит движущую силу парусов, и скорость быстро увеличится. Как только скорость увеличится, можно опять плавно поворачивать нос на ветер. На хорошей скорости киль будет создавать достаточную, для удержания разумного угла дрейфа, подъемную силу и яхта опять сможет идти курсом крутой бейдевинд.

Как избежать срыва потока на киле

При слабом ветре поворачивать нужно плавно. Если резко рвануть руль, большой угол атаки руля создаст большое дополнительное сопротивление и затормозит судно, а это именно то, чего мы стремимся избежать. Сменив галс, не спешите выравнивать руль, пройдите крутой бейдевинд, до полного бейдевинда. На полном бейдевинде бистро наберет скорость, а после того, как скорость восстановится после поворота, можно будет опять плавно приводиться.   

Стоит ли идти очень остро к ветру

Яхтсмены знаю, что идти слишком остро к ветру, плохо. Давайте попробуем разобраться, почему?

Типичная круизная яхта на крутом бейдевинде под углом около 40 градусов к истинному ветру может идти со скоростью 5 узлов. Допустим, что угол дрейфа при этом составляет 5 градусов. Это значит, что относительно земли галс к истинному ветру равен 45 градусам, а скорость продвижения к цели (VMG), 3,5 узла. 

Приведемся на 5 градусов, теперь угол к истинному ветру 35 градусов. Режим движения яхты изменился к худшему, паруса работают не так эффективно, соответственно и скорость движения относительно воды уменьшится, допустим, до 4 узлов. Следствием уменьшения скорости, будет уменьшение подъемной силы, которую создает киль. В результате дрейф начинает увеличиваться. Так будет продолжаться до момента, когда наступит новое равновесие. Так как величина подъемной силы пропорциональна квадрату скорости для восстановления исходной величины подъемной силы, угол атаки необходимо увеличить на величину равную отношению квадрата старой скорости, к новой (5²/4² =25/16 =1,6). Это даст нам новый угол дрейфа 5º * 1,6 = 8º, соответственно относительно земли галс к истинному ветру будет 43 градуса.      

При галсе 43 градуса к истинному ветру (относительно земли) и скорости относительно воды 4 узла, скорость продвижения к цели (VMG) будет 2,9 узла. Это на 17% меньше, чем на курсе крутой бейдевинд до того, как мы привелись на 5 градусов.

В нашем примере предполагается, что благодаря эффективному длинному килю, угол дрейфа достаточно мал. Если же киль не очень эффективен, на курсе крутой бейдевинд угол дрейфа может быть 7, а то и 8 градусов. Это значит, что для яхты, идущей под углом 40 градусов к истинному ветру, относительно земли этот угол будет равен 47 градусам. Если предположить, что вы привестись еще на 5 градусов, в результате чего, скорость снизилась с 5 до 4 узлов, теперь угол дрейфа увеличиться до 11 градусов, а галс относительно земли стал равным 46 градусам. Это означает, что выигрыш в 1 градус более крутого курса будет стоить вам  потери 20 процентов скорости!

Величина дрейфа зависит от соотношения скоростей до и после изменения курса. Потеря одного узла при скорости 4, это 25%, что намного хуже, чем при скорости 10 узлов, потому, что это всего 10%. Заманчиво при легком ветре привестись немного круче к ветру, и пойти почти прямо на цель, но если скорость не велика, это ухудшит ваш результат.

Уменьшение сопротивления увеличивает способность идти остро к ветру

Сила тормозящая движение яхты, зависит от скорости и от гладкости поверхности корпуса вашей яхты. Понятно, что быстрее движется та яхта, у которой сопротивление меньше. И это потому, что максимальная скорость достигается тогда, когда сопротивление движению уравновешивает движущую силу.  

Мы видели, что чрезмерно острый курс резко уменьшает скорость и увеличивает боковой дрейф, в результате потери при движении против ветра удваиваются. Если мы сможем уменьшить сопротивление, скорость увеличится, а боковой дрейф уменьшится и это удвоит выигрыш при движении против ветра.   

Сопротивление, зависит от размера, формы и качества поверхности корпуса и киля, и других факторов, например наличия винта, если яхта оснащена двигателем. Мы ничего не можем сделать с формой корпуса, кроме того как поднять шверт на швертботе, но с поверхностью кое-что сделать можем.   

Для любой яхты, которая постоянно содержится в воде, очень существенное значение имеет чистота поверхности корпуса. Растения водоросли и ракушки, растущие на корпусе, заметно тормозят движение. Особенно страшны наросты на киле. Они нарушают плавность потока, а это резко уменьшает подъемную силу. Это значит, обросший киль, не только снижает скорость, но и увеличивает боковой дрейф. Вывод: если хотите, чтобы ваша яхта ходила остро к ветру, держите в чистоте подводную часть.   

Винт мотора, существенно тормозит яхту и увеличивает боковой дрейф. Складной гребной винт при движении под парусом намного лучше, чем фиксированный.  

Яхта с фиксированным винтом двигается со скоростью 4 узла под углом 40 градусов к истинному ветру и 5 градусами бокового дрейфа. Это соответствует галсу 45 градусов относительно земли и скорость к цели 2,8 узла. Если использовать складывающийся винт, скорость увеличится минимум на пол узла. Скорость 4,5 узла уменьшит угол бокового дрейфа до 4 градусов. В результате этого скорость в направлении к цели увеличится до 3,2 узлов, что составляет 20%.

Не следует забывать о том, что не сразу бросается в глаза, т.е. про подводную часть яхты. Обработка поверхности, возможно дополнительная очистка в середине сезона или установка специального винта заметно улучшит характеристики вашей яхты. Даже если вы не участвуете в гонках, уход за яхтой улучшит ход и доставит вам больше радости при движении под парусом.