Открытие способа передвижения по воде с помощью паруса
Изобретение паруса, точнее открытие способа использования ветра для передвижения по воде, относится к временам столь отдаленным, что память об этом событии затерялась в глубине веков. Однажды первобытный человек увидел, что плавающий в воде ствол дерева с торчащими вверх ветвями под действием ветра движется быстрее, нежели ствол без веток, и, по-видимому, сделал соответствующий вывод.
Нетрудно представить, в какой восторг пришел человек, впервые уже сознательно соорудивши из веток с листьями или из звериной шкуры подобие паруса. Но как бы ни был гениален этот человек, рано или поздно парус был бы обязательно изобретен. Собственно говоря, парус изобретают вновь и вновь независимо друг от друга все поколения. Вспомните свои детские годы, когда у таза с водой, в ванне, у лужи или запруды вы, надувая щеки, дули изо всех сил на первый в своей жизни парусный корабль: ореховую скорлупу, щепку с воткнутым в нее картонным флажком, а может быть, просто кусочек коры, «оснащенный» листком.
Какая радость охватывала вас! Ведь вы сами творили чудо – ваш корабль плыл по ветру!
Узнав, что силу ветра можно использовать для передвижения по воде, человек не преминул этим воспользоваться.
Долгое время послушное весло внушало больше доверия, чем парус и капризный ветер. Но каждый раз, когда появлялась возможность отбросить в сторону тяжелые весла и отдаться на волю ветра и волн, человека охватывало чувство раскрепощения. И конечно, задолго до того, как парус стал служить людям в их практической деятельности, он, даже имея самые примитивные формы, пробуждал восторженное чувство беззаботного плавания.
Самая древняя история плавания под парусами – это история использования паруса рыбаками, купцами, древними путешественниками, открывавшими новые острова и континенты, словом, история тех людей, для которых мореплавание стало делом всей жизни.
В извечных морских условиях подвиги совершаются с необычайной легкостью и удачливостью. На самом деле мореплавания – тяжелый труд. В пути моряка ждут реальные опасности: рифы, шквалы и бури, штормы и непридуманные чудовища. Мореплавание требовало постоянного напряжения всех сил, грозило кровавыми сражениями и рабством, голодом, увечьем и смертью.
Но в конечном счете победа осталась за человеком.
Впрочем, необходимость в мореплавании сводилась не только добыванию средств существования и расширению сферы обитаемого вида. Она порождалась и стремлением человека к самоутверждению. Корабль – орудие мореплавания, плод творения трудного и великого искусства судостроения – олицетворял собой человеческий гений, был символом его могущества и возможностей. Именно поэтому он вскоре стал неизбежным атрибутом власти. В Египте и в Финикии, в Элладе и в Карфагене, в Риме и в Византии, в Венеции дождей – повсюду, где сущность владычества видели в том, чтобы поражать подданных пышностью и ужасами, он служил для того, чтобы вызвать восхищение друзей и внушать страх врагам. Такие корабли вряд ли можно было считать увеселительными судами: на них плавали совсем не для того чтобы наслаждаться морскими просторами.
В конце средних веков парусный корабль нашел и другое применение: под сенью парусов совершали географические открытия, испытывали необычайные приключения. И лишь тогда, когда уже было доказано, что Земля не плоскость, опирающаяся на плечи Атласа, когда привычные прежде понятия безнадежно устарели, а новые открытия разбудили дремавшую в человеке энергию, тягу к науке и прогрессу, словом, только тогда, когда наш мир шагнул в следующую эпоху, появилось стройное и быстроходное парусное судно, предназначенное только для одной цели – плавания ради удовольствия.
Удовольствие от плавания под парусами и плавание под парусами ради удовольствия. Понятия эти не равнозначны. Уже финикийцам, превосходным купцам и великолепным мореплавателям древности, помимо всепоглощающей страсти к торговле, знакомо было и чувство высокого наслаждения от самого процесса плавания под парусами.
Известно также, что ни зной экваториальных широт, ни жажда и голод, испытанные моряками Колумба, не смогли затмить великолепия солнечных закатов, которые во всей цветовой гармонии открывались взорам первопроходцев во время плавания к берегам Америки.
И те, кто вместе с Магелланом дерзнули совершить первое в истории кругосветное путешествие под парусами, вернувшись из трагического плавания, сохранили воспоминания не только о невероятных трудностях, но и о прекрасных днях, выпавших на долю участников похода.
Вообще невозможно было бы поверить, что неуклонное развитие мореплавания стимулировали только жестокая необходимость и коммерческая выгода – кулак и золото. Без романтики, открывающей морякам необозримые океанские просторы, без красоты рассветов и закатов, без свиста ветра в тугих парусах невозможно представить себе настоящего мореплавателя.
Использование паруса.
Наиболее целесообразно использование энергии ветра именно для движения судов. Очевидно, это самое первое приручение сил природы человеком и было самым разумным. Парусное судно с косым вооружением представляет гигантский ветродвигатель с наивысшим коэффициентом полезного действия. Парус как движитель обладает абсолютной экологической чистотой. Он нейтрален по отношению к природе: ничего не потребляет и не перерабатывает, ничего не выделяет. Он только преобразует голубые потоки ветра и совершенно не вредит окружающей среде и человеку.
Парус, непосредственно преобразующий энергию ветра в движущую силу, представляет идеальную энергетическую установку со всех точек зрения: экономической – наивысший КПД, инженерной – самая простая конструкция движителя, экологической – абсолютная нейтральность по отношению к природе и человеку и хозяйственной – использование даровой и возобновляемой энергии. В настоящее время в мире существует более 40 крупных парусников. Почти все они используются только в качестве учебных судов. Есть несколько десятков туристских парусных судов, которые успешно совершают экономически выгодные рейсы в Атлантике и Океании. Однако выполненные в последнее десятилетие исследования показали экономическую целесообразность возрождения торговых парусных судов. Созданные на новой технической и научной основе, они будут способны развивать среднюю скорость 11-12 узлов и в ряде случаев станут экономически более эффективными, чем моторные суда.
Для создания торговых парусных судов необходимо решить ряд принципиальных научно-технических вопросов: оптимальные маршруты и грузы, типизация судов, архитектурный тип, методы погрузки и разгрузки, проблемы остойчивости и безопасности, механизация постановки, уборки и управления парусами, методы накопления ветровой энергии, тип вспомогательного двигателя, средства управления в портах и узкостях и т.д.
Понимая важность использования энергии ветра для народного хозяйства, ученые Николаевского кораблестроительного института еще в 1974 году выступили инициаторами использования ветра для движения транспортных судов. Созванный в 1976 в Николаеве симпозиум обратил внимание собравшихся представителей 12 городов именно на народнохозяйственное значение данной проблемы. С этих пор в Николаеве один раз в два года проходят симпозиумы по проблеме использования парусных судов для народного хозяйства.
Парусники и ветроходы.
Вначале несколько слов о курсах парусного судна относительно ветра. Парусник не может идти прямо против ветра и при очень острых курсах к ветру – это для него «мертвая зона». В случае необходимости двигаться против ветра парусное судно вынуждено ходить зигзагами – лавировать. Минимальный угол лавировки для самого лучшего парусного судна около 35-45 градусов.
Скорость судна – это один из решающих его показателей. В первую очередь скорость зависит от типа и мощности ветроэнергетической установки. Поэтому выбор наиболее целесообразного двигательно-движетельного комплекса представляет главную, центральную задачу в общей проблеме использования энергии ветра для движения судов.
О важности ветроэнергетической установки говорит тот простой факт, что в бурном потоке изобретений по парусным судам, возникшем в последние годы, основную долю составляют разработки по новым типам парусов и по совершенствованию уже известных.
Ветер может приводить в движение суда с помощью ветряных движителей и ветряных двигателей. Суда, приводимые в движение непосредственны давлением ветра на паруса разных видов (мягкие и жесткие), будем называть парусными. В отличие от них суда, приводимые в движение механическим путем, или требующие для движения дополнительных затрат механической энергии, будем называть ветроходами.
Для движения судов могут использоваться следующие движители:
мягкие паруса разных форм, типов и расположения;
жесткие паруса разных форм в плане, симметричные и механизированные, кольцевые, полукольцевые, полипланные коробки;
полужесткие, состоящие из мачты-крыла и мягкого корпуса;
авторотирующие воздушные винты;
роторы.
Ветродвигатели, приводящие в движение гребные винты судов, можно разделить на три типа:
карусельные, имеющие вертикальную ось и вращающиеся в горизонтальной плоскости;
крыльчатые, имеющие горизонтальную ось и вращающиеся в вертикальной плоскости;
с изменяемой установкой оси вращения.
Таким образом, к парусным судам относятся все суда с мягкими, полужесткими и жесткими парусами, а к ветроходам – суда с авторотирующими пропеллерами, роторные суда и суда со всеми типами ветродвигателей. Кроме того, возможны суда с комбинированными ветроэнергетическими установками.
Жесткие паруса-крылья, как правило, имеют прямоугольную в плане форму. Крылья с симметричным профилем, как видно из поляр, обеспечивают намного меньшую подъемную силу, чем обычный мягкий парус, но при этом они не имеют и меньшее лобовое сопротивление, а значит, и более высокое качество при малых углах атаки. Эта особенность симметричных крыльев, как показали расчеты Ю.С.Крючкова, приводит к тому, что крыло позволяет развивать более высокую скорость только в узкой полосе острых курсовых углов, где проявляется его высокое аэродинамическое качество; на всех остальных курсах судно с симметричным крылом проигрывает в скорости судну с обычным мягким парусом. Возможным выходом из этого противоречия является использование полужестких парусов, состоящих из поворотной мачты-крыла и мягкого паруса. В этом случае на острых курсах работает в основном мачта-крыло, а на полных – мягкий парус.