Дрейфующий каяк. Боковой ветер, флюгирование

1. Введение

Впервые с необходимостью дрейфовать и плыть под боковым ветром я столкнулся на волжских акваториях в 2010 году. Всё было предельно понятно – байдарка Щука со стабилизатором в корме прекрасно дрейфовала: разворачивалась по направлению ветра, но при боковом ветре ходить не могла.

В 2013 году прошёл по части маршрута 2010 года на каяке WS Tsunami 145 и столкнулся с неожиданным поведением – при дрейфе без руля каяк стремился развернуться параллельно волнам. Я заинтересовался причиной и задал вопрос единомышленникам. Завязалась дискуссия. Чтобы расставить все точки над i, написал эту статью.


Если вы опытный морской каякер и хотите поделиться наблюдениями о плавании в бурном море, вы можете написать мне на kir@kirillaristov.com, и я опубликую вашу точку зрения на этой странице.


2. Основные положения (Main Concepts)

Каяк имеет следующие характеристики, влияющие на его поведение на воде:

• Центр парусности (ЦП, Center of Effort).

• Центр бокового сопротивления (ЦБС, Center of Lateral Resistance).

• Центр тяжести (Center of Gravity)

Положения центров непостоянны и зависят от многих факторов.

Поведение каяка наиболее удобно, когда центр парусности наиболее близок к центру бокового сопротивления и оба этих центра несколько смещены к корме относительно центра тяжести. Однако реализовать на практике идеальное расположение центров практически невозможно: при движении ЦБС смещается к корме, а ЦП зависит от угла атаки ветра.

a) Чем меньше расстояние между центрами, тем стабильнее Курс.

b) Чем больше расстояние между центрами, тем больше сил требуется для поддержания нужного курса.


• Утопия: Центры сил идеального каяка в идеальную погоду.
Defaul position Center of Effort and Center of Lateral Resistance


3. Дрейфующий каяк (Drifting Kayak)

Дрейфующий каяк стремится развернуться параллельно волнам. Точно также в дрейфе разворачиваются яхты, моторные лодки и более крупные суда (google: "штормование с застопоренной машиной"). Наиболее идеальные условия для поворота – длина волны составляет 1.5 длины каяка, причём волна не обязательно должна быть ветровой и имеющей несимметричный профиль, лодка развернётся и на любой другой симметричной волне подходящей длины.

Средства дрейфа

Все средства дрейфа направлены на то, чтобы: a) развернуть каяк носом или кормой к волне, b) минимизировать скорость дрейфа. Разворот достигается разнесением центра парусности и центра бокового сопротивления, расположенных у дрейфующего каяка очень близко. Из-за разнесения центров, возникает крутящий момент, стремящийся развернуть каяк параллельно направлению ветра.

Экипировка для дрейфа в порядке возрастания эффективности: Скег (Fin) – Руль (Rudder) – Иол – Плавучий якорь.

Установка плавучего якоря (Drift Sock, Drift Sea Anchor) простая задача. Его исключительные преимущества: a) позволяет дрейфовать носом на волну, b) уменьшается скорость дрейфа.

Механизм разворачивающего действия волн

Привожу выдержки из статьи (eng) How waves turn a drifting ship sideways (pdf-copy):


«На судно, дрейфующее среди волн, действуют следующие типы сил и моментов сил:
a) Статическое давление воды, которая часто имеет разный уровень на противоположных бортах судна (The static pressure of the water, which often is not at the same level on the two sides of the ship).
b) Статический момент (gyrostatic couple) гироскопа, возникающий из-за наложения крена на тангаж (The gyrostatic couple due to imposition of rolling motion on a pitching ship).
c) Динамическое давление, вызванное орбитальным движением воды в волнах (Dynamic pressure forces caused by the orbital motion of the water in waves).
Результирующая указанных сил стремится развернуть судно параллельно волнам. Условия, когда разворот становится наиболее быстрым – угол 45 или 135 к волне и длина волны 1.5 длины корпуса судна.»


Также рекомендую ознакомиться с обзорным трудом "Технико-исторический анализ мореходности" В.Н. Храмушина (pdf-копия).
English version: Technical and Historical Analysis of Ship Seakeeping, Vasily N. Khramushin (pdf-copy).

Валерий Храмушин описывает древние и современные инженерные решения для повышения мореходных качеств кораблей, в том числе, их способности выдерживать сильные шторма.

4. Встречный и попутный ветер (Downwind and Headwind)

• При движении каяка навстречу ветру (with a head wind), оба центра смещаются вперёд (для каяков не проводилось специальных измерений, однако опыт кораблей показывает, что центры смещаются вперёд относительно миделя (amidships)). Благодаря совместному перемещению вперёд обоих центров, поддержание курса представляет простую задачу.
Position CE and CLR with Head Wind


• При движении по ветру (downwind) центры оказываются разнесены, это усложняет управление, каяк стремится развернуться бортом к волне, необходимо делать корректирующие гребки.
Position CE and CLR with Downwind


• При движении по сильному ветру (rough waters), ситуация оказывается более худшей. Нос периодически оказывается погружён в воду, а киль вместе с рулём поднят из воды, из-за этого ЦБС смещается максимально близко к носу, а ЦП по-прежнему остаётся за спиной каякера. Плавание в таких условиях требует навыка и постоянной концентрации.
Position CE and CLR with Downwind and Rough Waters


• Изменение положения ЦБС после опускания скега (fin) и попутном ветре (сопротивление боковому ветру увеличилось, также уменьшилось рысканье).
Position CE and CLR with Downwind and using fin


5. Воздействие бокового ветра (Handling Beam Winds)

Сила ветра и сила бокового сопротивления приложены к разным точкам. Из-за этого возникает крутящий момент, каяк стремится привестись к ветру.


У каякера есть возможность препятствовать повороту, используя скег и руль.

• С помощью скега, выдвинутом на подходящую величину, центр бокового сопротивления перемещается максимально близко к центру парусности – крутящий момент пропадает.

• Используя руль, ЦБС смещается слишком далеко к корме, крутящий момент не пропадает, а меняет направление. Руль поворачивают, чтобы компенсировать поворот.


В данный момент становится понятно, чем скег выгоднее руля – для корректировки курса, руль нужно отклонять на некоторый угол, что создаёт дополнительное сопротивление набегающему потоку воды, а скег корректирует курс величиной заглубления, всегда параллелен курсу и создаёт минимум сопротивления.


На некоторых англоязычных ресурсах встречаются термины weathercocking – стремление каяка приводиться к ветру (into the wind), и leecocking – уваливаться под ветер.

6. Weathercocking Theory

На зарубежных каякерских ресурсах встречается "теория", объясняющая постепенный поворот каяка на ветер.

В качестве причины поворота указывается a) Неравномерное распределение зон давления вокруг корпуса; b) Волны; c) Разные точки приложения сил ветра и бокового сопротивления.

Сначала я "уверовал" в эту "теорию", подробно изучил, но когда начал описывать, понял, что не хватает главного – наличия расчётов для сверхмалых судов типа каяка. А раз нет расчётов, то понять, что же является решающим фактором, невозможно.

Используя свои знания и опыт, я предполагаю, что разворот из-за бокового ветра большей частью осуществляется из-за разных точек приложения сил и возникновения крутящего момента. Разворот из-за разного распределения зон давления считаю несущественным или даже отсутствующим (при плавании по бурному морю, когда волны вырастают то слева, то справа, о каком ещё распределении давления может идти речь?).

7. Выводы (Summary)

— Каяк испытывает давление ветра в центре парусности и ответное давление воды в центре бокового сопротивления.

— Лёгкость гребли в сложных условиях зависит от расположения центров сил.

— При наличии ветра выгодно, когда расстояние между центрами минимально.

— Можно изменить положение центров, легче всего это сделать с помощью скега и руля.

— При боковом ветре необходим руль или скег, в противном случае каяк будет приводиться к ветру.

— В море скег предпочтительнее руля.

— Встречный ветер и волна предпочтительнее попутной волны.

— Необходимо при загрузке грузовых отсеков не нарушать положение центра тяжести.

— Любой груз на палубе изменит положение центра парусности.

— При дрейфе без дополнительных приспособлений каяк стремится развернуться параллельно волнам.

— При дрейфе расстояние между центрами должно быть максимально.

— Самый лучший дрейф возможен при использовании плавучего якоря.

References