Вітрило

Вітри́ло, або па́рус (від — «тканина», «полотнище»), — будь-яка поверхня, призначена як рушій для створення тяги під впливом вітру.

Використання вітрил Вітрила зазвичай використовуються як морський рушій для обладнання вітрильних суден, наприклад, яхт, а також на малих плавальних засобах, таких як віндсерф. Разом з такелажем і рангоутом складають вітрильне оснащення судна.

Іншими, менш поширеними застосуваннями принципу вітрила у машинах є: вітряні млини, буєри (льодові яхти), повітряний змій, електричні генератори та наземні вітрильники. Успішно розробляються і запускаються космічні апарати, що використовують сонячний вітер (тиск радіації) за допомогою сонячних вітрил.

У торговельному сполученні, риболовлі та інших комерційних використаннях вітрила протягом 20-го ст. були майже повністю заміщені іншими видами рушіїв, як то двигун внутрішнього згоряння. Хоча останнім часом розробляються проєкти комерційних суден з вітрилами як допоміжними рушіями, що спричинене подорожчанням мінерального палива у останні десятиліття, а також розвитком інтелектуальних систем автоматизованого керування вітрилами. Потенційно вітрила спроможні знизити витрати палива великими вантажними суднами на більш як 30 % без зниження крейсерської швидкості їх пересування. Але натепер вітрило залишається популярним лише в галузі відпочинку і спорту. Найпопулярнішими видами вітрильників є невеликі яхти, серед них традиційними є бермудські шлюпи, які мають два косі вітрила: грот та стаксель. Обидва грот і стаксель мають трикутну форму; грот приєднаний до щогли і до гіка, та простягається назад, у той час як стаксель приєднується до щогли у верхній частині і простягається вздовж штага до носа судна. Традиційним є також використання генуї і спінакера.

Історія вітрила

Деякі дослідники вважають, що вітрила використовували вже трипільці — принаймні так інтерпретують деякі малюнки на трипільському посудіМустафін О. Справжня історія стародавнього часу. Х., 2018, с.34. Вітрила були відомі також в Стародавньому Єгипті, принаймні з 3200 року до н. е., The sea-craft of prehistory, p76, by Paul Johnstone, Routledge, 1980 Саме цим часом датують зображення очеретяних човнів, які пливли вгору проти течії річкою Ніл. Стародавні шумери використовували пряме вітрильне озброєння приблизно в той же час: вважають, що вони проклали морські торговельні шляхи аж до долини Інду. Також, протоавстронезійські слова на позначення вітрила і частин вітрильного озброєння датуються близько 3000 року до н. е., коли ця група племен почала своє поширення тихоокеанськими островами. Греки і фінікійці почали плавати на вітрильниках із торговельною метою близько 1200 року до н. е..

Прямі вітрила, що кріпляться до рей впоперек до корпусу човна пристосовані до ходу за вітром; вони домінували в стародавньому Середземномор'ї та поширилися на Північну Європу, були незалежно винайдені в Китаї та Еквадорі. Хоча косі вітрила стали популярними на сучасних яхтах, прямі продовжують використовуватися для спорядження великих вітрильників з Доби Вітрильників і дотепер. Трикутне косе вітрило було винайдене в Середземномор'ї (латинське вітрило з однією реєю) і незалежно — в Тихому океані, як ефективніша двощоглова крабова клішня,I. C. Campbell, «The Lateen Sail in World History» , Journal of World History (University of Hawaii), 6.1 (Spring 1995), p. 1-23 Marchaj, Czeslaw A. Sail Performance, Techniques to Maximize Sail Power, Revised Edition. London: Adlard Coles Nautical, 2003. Part 2 Aerodynamics of sails, Chapter 11 «The Sail Power of Various Rigs» і як і раніше використовується у всьому світі. У 16 — 19-х століттях інші види косого вітрильного озброєння були розроблені в Європі, такі як шпринтове, гафельне, та бермудське (разом з такими вітрилами, як клівер, генуя і стаксель), що поліпшило здатність європейських мореплавців до ходу проти вітру. Можна навести такий цікавий факт: застарілий траулер «Пелікан» обладнали нетрадиційним вітрильним озброєнням, що використовувалося берберськими піратами у 16-му столітті. У результаті було отримано дивовижні ходові властивості: «Пелікан» ішов до вітру на 20 градусів гостріше, ніж інші відомі судна з прямими вітрилами.

Типи вітрил

Вітрила поділяються за призначенням на косі та прямі. Косі вітрила застосовуються для ходу як за вітром, так і проти вітру (під деяким кутом), а прямі — лише за вітром. За формою вітрила зазвичай трикутні або чотирикутні, причому косі найчастіше трикутні (за винятком гафельних, шпринтових і арабо-латинських), а прямі — майже завжди чотирикутної форми.

Вітрильник, зазвичай, має кілька комплектів вітрил для різних погодних умов. Наприклад, існують спеціальні штормові вітрила.

Прямі вітрила

Прямі вітрила досягли максимального розвитку на кліперах і торговельних барках кінця 19-го і початку 20-го століття. Прямокутні вітрила висять поміж рей, які в свою чергу закріплені до щогл. Прямі вітрила можуть лише повертатися на певний кут відносно корпусу судна для забезпечення кращої тяги при зміні вітру чи курсу. Такий тип вітрильного озброєння вимагає великої кількості такелажу для керування ними (щонайменше 9 тросів на кожне вітрило) і не може забезпечити рух за курсом, гострішим за 60° за вітром. Кораблів з такими вітрилами зараз залишилося небагато, вони використовуються для морського навчання. Більшість суден з прямими вітрилами несуть також деякі косі вітрила.

Косі вітрила

Косі вітрила можуть переміщуватися з одного борту судна на інший при зміні галсів (повороті), щоб забезпечити тягу і просування судна у випадку маневрів чи зміни напрямку вітру. Якщо корма судна перетинає вітер, то такий поворот називається поворот через фордевінд. Якщо ж вітер перетинає ніс, то така зміна галсів називається поворот оверштаг. Повторювані повороти оверштаг дають змогу суднам з косим вітрильним озброєнням рухатися проти напрямку вітру. Сучасні судна можуть рухатися проти вітру курсом до 30 градусів і навіть гостріше.

Косі вітрила набагато поширеніші: усі яхти і дингі використовують цей тип вітрил, коли вітрила розташовані паралельніше до кіля судна, і розкріплені спереду і ззаду швидше, ніж з бортів судна. Найбільше вітрило (грот) приєднане до щогли спереду і до гіка знизу, та простягається назад; у той час менше (одне або кілька) приєднується до щогли у верхній частині і простягається вздовж штага до носа судна. Кожне з вітрил вимагає лише 2—3 троси для основного керування ним.

Типи вітрильних суден

Залежно від використовуваних на кораблі вітрил розрізняють кілька десятків планів вітрильності. Плани відрізняються один від одного числом щогл, кількістю ярусів вітрил, типом вітрил (прямі, косі).

Аеродинаміка вітрила

Конструкції вітрил розробляються і діють згідно із законами аеродинаміки.

Сучасний інженерний погляд на вітрильник полягає в тому, що вітрильне судно являє собою теоретично 2 крила, одне з яких (вітрильне озброєння) рухається у повітрі, а інше (корпус) — у воді. І на одне, і на інше крило діють подібні сили — сила опору рухові середовища і аеродинамічна (підйомна) сила.

Головною характеристикою добре зробленого вітрила є кількість тяги, яка створюється вигином («пузом») поверхні вітрила. Коли передня шкаторина вітрила спрямована проти вітру, правильна кривина допомагає максимізувати підйомну силу, водночас мінімізуючи впливи тертя і турбулентності. Це теж саме завдання, яке постає перед розробниками літаків при проєктуванні форми крила. Човен рухається під вітрилами двома способами. Коли човен рухається у напрямку, куди дме вітер, це називається «за вітром», або, моряцькою термінологією, «у фордевінд». Вітрила у такому разі налаштовані, щоб лише вловлювати повітря (вітер) і використовувати кінетичну енергію його руху. Вітер фактично штовхає вітрило вперед, а з ним і все судно. Вітрила у такому режимі є аеродинамічно застопореними. Вітрило, розташоване перпендикулярно до напрямку вітру, складає основу сили тяги.«When the wind is from behind, it works on the sails simply by pushing them and the boat's hull follows along.» Rousmaniere, John The Annapolis Book of Seamanship New Revised Edition Simon and Schuster 1989 ISBN 0-671- 67447 page 20 Інший спосіб руху під вітрилом застосовується, коли судно рухається впоперек або у напрямку, звідки дме вітер («гострий курс»). Вітрило подібно аеродинамічному профілю, рухає судно вперед, переспрямовуючи потоки повітря у процесі обтікання ними вітрила з носа до корми судна. За законом збереження імпульсу, вітер рухає вітрило тоді, як вітрило перенаправляє знесення потоку повітря назад.

Різниця у повітряному тискові вздовж поверхні вітрила спричиняє виникнення , включно з підйомною силою і силою бічного зміщення. Підйомна сила є головною компонентою сили тяги«When air flows over and under an aerofoil inclined at a small angle to its direction, the air is turned from its course. Now, when a body is moving at a uniform speed in a straight line, it requires a force to alter either its direction or speed. Therefore, the sails exert a force on the wind and, since action and reaction are equal and opposite, the wind exerts a force on the sails.» Sailing Aerodynamics New Revised Edition 1962 by John Morwood Adlard Coles Limited page 17<ref name=Gilbert1></ref> Marchaj, Czeslaw A. Sail Performance, Techniques to Maximize Sail Power, Revised Edition. London: Adlard Coles Nautical, 2003. Part 2 Aerodynamics of sails, Chapter 2 «How and Why an Aerodynamic Force is Produced», page 49 «Pressure differences — the right way to explain sail forces».

Вітрило також може діяти як крило у деяких ситуаціях повних курсів, наприклад, спінакер і чотирикутні вітрила можуть бути скроєні таким чином, щоб їхня верхня шкаторина створювала підйомну силу. Така сила дійсно спроможна дещо підняти судно з води і тим самим зменшити змочувану поверхню корпусу і ризик «заривання» носом у хвилю. Загальна швидкість судна при цьому, звісно, зростає. За сильнішого вітру турбулентність, що створюється за зафіксованими вітрилами, може призвести до аеродинамічної нестійкості, яка у свою чергу, викликає швидший рух судна у напрямку за вітром.

Вітрила часто обладнані легкими стрічками чи нитками (чаклунчики), які показують потік повітря. Вони можуть бути на обох сторонах вітрила поблизу передньої шкаторини, або ж на задній шкаторині. Горизонтальні смуги, вшиті чи намальовані на вітрилі, і V-подібні позначки на спінакерах дозволяють відстежувати їх кривину з палуби. Такі покажчики можуть навіть світитися люмінесцентно у темряві.

На вітрильному судні кіль чи шверт запобігає бічному зміщенню судна. Для цього кіль має таку форму, що його перетин у поздовжній осі судна має в рази більшу площу, ніж у поперечній. Опір рухові вперед і назад незначний, водночас опір рухові вбік компенсує силу бічного зміщення, що виникає внаслідок дії вітру на вітрила, тому судно рухається здебільшого вперед і лише злегка зміщується убік, тобто дрейфує. Також, бічна компонента сили, що діє на вітрило намагається накренити судно, чому протидіють відновлювальні моменти мас баласту кіля і корпусу. Тягова компонента сили компенсується силою опору води рухові і тертям води об корпус і кіль.

Частини вітрила