Джеймс Девитт, Нью-Йоркский университет
под редакцией Гэби Кларк , рецензент Эндрю Зинин
Лавирование — манёвр, используемый для движения судна против ветра, изменяющий направление зигзагом, — один из самых сложных, но необходимых манёвров в парусном спорте. Хотя лавирование распространено, движение парусов и силы ветра во время поворота изучены недостаточно.
Новое исследование, проведенное математиками Нью-Йоркского и Мичиганского университетов, рассматривает эти вопросы напрямую. В нём подробно описывается поведение парусов при широком диапазоне оверштагов и с различными типами парусов. Результаты исследования служат основой для усовершенствования конструкции парусов и указывают путь к повышению эффективности и надёжности современных автономных парусных судов, играющих ключевую роль в океанографических исследованиях, при смене направления в условиях непредсказуемого ветра.
«Лазерный поворот — это больше, чем просто поворот», — объясняет Кристиана Мавройякуму, преподаватель Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Physical Review Fluids . «Это очень ответственный манёвр , в котором качество паруса может решить исход гонки или всего парусного путешествия. Выяснив, что определяет успешность переворота и сколько времени он занимает, это исследование даёт яхтсменам и инженерам новый ресурс для управления ветром».
«Была проделана большая работа по оптимизации формы парусов и корпусов парусных судов, но многое ещё предстоит понять во взаимодействии жидкости и конструкции во время неустойчивых манёвров», — добавляет профессор Мичиганского университета Сайлас Албен, автор статьи совместно с Мавройякуму. «Маневр оверштаг — важный пример того, как упрощённое моделирование может помочь нам понять основы физики».
Исследователи изучали динамику движения паруса во время лавировочного манёвра: когда угол атаки паруса, или угол между направлением ветра и линией хорды паруса, изменяется на противоположный для движения против ветра. При успешном лавировочном манёвре парус переворачивается, принимая зеркальную форму, в то время как при неудачном лавировочном манёвре парус остаётся в состоянии, близком к своей первоначальной форме.
Исследователи использовали сочетание математического и численного моделирования , чтобы лучше понять взаимодействие парусов с фоновым ветром во время лавирования. Это взаимодействие было смоделировано путём изучения движения паруса на ветру и изменения ветра в ответ на это. В целом, их расчёты показали следующее:
- Три фактора играют важнейшую роль в том, произойдет ли переворот: жёсткость паруса (или, наоборот, его способность растягиваться), его натяжение до встречи с ветром и конечный угол наклона паруса относительно ветра. В частности, менее гибкий и, следовательно, менее изогнутый (или прогнутый) парус, натяжение которого до встречи с ветром велико и который после поворота оверштаг находится под углом 20 градусов к ветру, с наибольшей вероятностью обеспечит успешный поворот оверштаг.
- Масса паруса, а также скорость и ускорение поворота больше всего влияют на скорость переворота.
- Слабо провисающие паруса сложнее переворачивать при повороте оверштаг.
Исследователи добавляют, что помимо соревнований по парусному спорту, это исследование может потенциально принести пользу автоматизированным парусным аппаратам, работающим в условиях разного ветра .
Подробнее: Кристиана Мавройякуму и Сайлас Албен. Динамика паруса при лавировании, Physical Review Fluids (2025). DOI: 10.1103/37xg-vcff
Информация о журнале: Physical Review Fluids
Предоставлено Нью-Йоркским университетом