Тайните на перките от Рик Ханке
Въведение
Сега характеристиките и качествата на перките често се обсъждат, всички спорят какви сили възникват върху перката, какво всъщност е спинаут и каква е целта на перката. В тази статия ще се опитаме да изясним основните въпроси, физическите принципи на уиндсърфинга, ролята на перката, как работи и кои нейни параметри са най-важни.
За да разберем влиянието на перката, която макар и малка, е много важна част от системата, първо трябва да опишем цялата система, за да видим взаимодействието на нейните елементи.
Принцип на баланса
За да опишем равномерното движение на дъската, можем да приложим прост метод, използвайки принципа на равновесието. За равномерно движение резултантните вектори на всички действащи сили, приложени към тялото, трябва да бъдат балансирани или, казано на математически език, сумата от всички сили и моменти трябва да бъде равна на нула. Открит е от Исак Нютон през 1687 г. и работи и до днес.
В съответствие с принципа на равновесието (първия закон на Нютон) движението на тялото се определя от действащите върху него сили и въртящи моменти. За всички тела в покой или равномерно движение сумата от всички сили и моменти е нула. Това означава, че всички сили трябва да бъдат уравновесени, както в случая с движението на дъската, което се задържа от еднаква сила на съпротивление. Ако това условие не е спазено, тялото ще ускорява или забавя.
Сили и въртящи моменти при движение
Всички сили могат да бъдат определени от гледна точка на телесното тегло на спортиста, тъй като силата, генерирана от телесното тегло, трябва да бъде в баланс с аеро- и хидродинамичните сили от платното и перката. Не е необходимо тези сили да се дефинират много точно, но трябва да разберем общата концепция.
Подемна сила на дъската
По време на рендосване водният поток предотвратява потъването на дъската, динамично създавайки задържаща сила. Потокът се отклонява надолу и се генерира сила нагоре (действие = реакция). Тя държи тежестта на дъската, платното и атлета.
Настъпва състояние на равновесие: силата на повдигане на дъската се сравнява с тежестта (фиг. 1).
Силите на борда, платното и перката
Вятърът (висулка) създава сила върху платното, която е перпендикулярна на посоката на струята, насочена леко напред от перпендикуляра към диаметралната равнина (DP) на борда, в зависимост от курса, течението и др. Общата сила върху платното може да се представи като сбор от два вектора - тяга (напред по дъската) и странична тяга, перпендикулярна на DP.
За да се поддържа условието за равномерно движение, всички сили и моменти трябва да бъдат балансирани. Следователно: Тяга на платното = Съпротивление на дъската Страничен натиск на платното = Странична реакция (перка и корпус)
И всички въртящи моменти трябва да бъдат балансирани (фиг. 2).
Страничната реакция на перката се създава по същия начин като тягата на платното - чрез движение под ъгъл спрямо водния поток (ъгъл на атака). В случай на перка, ъгълът на дрейфа на дъската ще бъде нейният ъгъл на атака, необходим за генериране на странична сила.
Всички физически явления, които създават повдигане на крилото на самолета, работят и върху перката. Единствената разлика е, че плътността на водата е средно 850 пъти по-голяма от плътността на въздуха, а вискозитетът е 14 пъти по-нисък от този на въздуха. Ето защо една перка може да бъде много по-малка от платно и все пак да генерира същото количество сила. Скоростта на потока върху перката е равна на скоростта на дъската, а за платното - скоростта на потока (на вятъра на вимпела) може да бъде по-голяма от скоростта на истинския вятър.
Освен това каква е силата върху платното, с която трябва да се боримперка?
Сили на платна и перки
Ако разгледаме всички сили и моменти, действащи върху дъската от предния ъгъл, тогава, според принципа на баланса, теглителната сила на платното се задържа от теглото на тялото. В противен случай човекът щеше да бъде повлечен през дъската.
Какво означава? При всякакви условия - различна сила на вятъра, скорости, курсове, размери на платна и т.н., страничната сила върху перката ще бъде ограничена.
Като се имат предвид средните размери на тялото и платното, се оказва, че максималната странична сила, поддържана от тежестта, ще бъде равна на приблизително 37,5% от телесното тегло.
Освен това тялото на дъската издържа на страничната сила, но като цяло перката трябва да носи цялото натоварване. По-широките линии на кърмата изискват повече тяга на перките поради допълнителния въртящ момент от теглото на ездача.
Дефиниции
Размерите на перката и профила са показани на фиг.4
Следните фактори влияят върху ефективността на перката: дължина, съотношение на конусност, удължение, площ, относителна дебелина на профила, местоположение на максималната дебелина, радиус на предния ръб и ъгъл на конвергенция на задния ръб на профила.
повдигане и влачене
Как се генерира повдигане?
Тъй като перката е малко крило, можем да използваме определения от аеродинамиката. Силата на повдигане и силата на съпротивление, възникващи върху перката, определят нейното аеродинамично качество. Въпреки факта, че перката работи вертикално, а не хоризонтално като крило, физиката на процеса на генериране на сила остава непроменена.
Подемната сила на крилото се създава, когато профилът се движи в потока с определен ъгъл на атака. Потокът около профила е асиметричен. На върха той трябва да измине по-голямо разстояние, отколкото на дъното. Следователно трябва да вървите по-бързо в горната част, което създавапо-малко налягане в сравнение с дъното. Разликата в налягането създава странична сила.
Повдигащата сила винаги е придружена от съпротивление, което зависи от геометрията на профила и от триенето на водните молекули върху повърхността на перката.
Подемната сила нараства почти линейно с увеличаване на ъгъла на атака, но само докато ъгълът стане толкова голям, че потокът вече не може да тече равномерно около страната на разреждане на перката и се прекъсва (фиг. 7). Тяга пада, което прави перката неефективна. Това също се нарича spinout. (Авторът погрешно комбинира понятията spinout (вентилация) и срив на потока - всъщност това са две различни неща. Прибл. преводач.)
Ъгълът на атака, при който перката може да работи без спиране, зависи от геометрията на профила. Острите предни ръбове показват ранно спиране, дебелите предни ръбове с по-голям радиус на носа имат по-широк диапазон от ъгли на атака.
В допълнение към повдигащата сила, геометрията на профила влияе върху характеристиките на съпротивление. Така наречените ламинарни аеродинамични профили, например, създават много ниско съпротивление при много тесен диапазон от ъгли на атака поради намаляването на турбулентността в граничния слой. Изисква се много гладка повърхност, особено около предния ръб.
Качеството на перката силно зависи от числото на Рейнолдс (Re). Числото Re е мярка за отношението на силите на инерцията към силите на вискозитета в потока. Тя е много зависима от локалната скорост на потока, която прогресивно намалява до скоростта на средата с отдалечаване от повърхността на профила. Вече са налични профили, които дават добри резултати и при сравнително ниски числа на Рейнолдс (при ниска скорост). (Изглежда, че говорим за ламинаризирани профили, които дават предимство само при ниски скорости и ниски ъгли на атака. Прибл. преводач.)
Профилни поляри
Свойствата на профила са добре представени на графиките на зависимостта на подемната сила от ъгъла на атака.
Като цяло, за перка, която е триизмерно крило, повдигането, съпротивлението и въртящите моменти са пропорционални на: -плътност на водата -квадрат на скоростта -площ на перката -ъгъл на атака -геометрия на аеродинамичния профил -геометрия на плана на перката.
Както при платното, най-важният параметър за перката е площта. По-голямата площ осигурява повече повдигане, но и повече съпротивление. След това перката трябва да бъде оптимизирана за планова форма. Дългите, тесни перки, като перките за слалом, осигуряват добро съотношение на повдигане и челно съпротивление и са хидродинамично ефективни (като дългите крила на планера). За да се избегне завъртане, зоната на перките трябва да бъде избрана така, че да осигурява необходимото повдигане при всякакви условия, но без риск от спиране.
Но има условия, когато перката не винаги работи във водата. Ниското налягане може да доведе до издухване на въздух и ще последва спиране (вентилация с перки). Резките маневри със силен натиск върху дъската също могат да доведат до вентилация.
В допълнение към общите параметри, трябва да разгледаме маховете и твърдостта на перката.
Прекъсването на потока върху профила се нарича спинаут. Сривът на самолета е обикновеноозначава загуба на повдигане. За да го възстановите, трябва да намалите ъгъла на атака и да имате достатъчно скорост. Не е лесно за разбиране - тръгвайки нагоре, започваш да падаш! Същото важи и за уиндсърфа, с изключение на това, че е много по-лесно да намалите ъгъла на атака, като същевременно поддържате скорост, възвръщате повдигането и продължавате да летите по-нататък. Самолетите използват електронни системи за управление на подемната сила, скоростта, а бордерите извършват динамична настройка на всичко това по интуиция, по усещане и опит, почти като птиците.
Спинаутът често се бърка с кавитация. Това е съвсем различен физически процес. Кавитация възниква, когато вакуумът на профила падне под налягането на кипене на водата при тази температура. По повърхността на крилото се образуват парни мехурчета. Това води до загуба на повдигане и увеличаване на съпротивлението. Кавитация може да възникне и при ниски ъгли на атака при високи скорости.
Твърдост, огъване и усукване
усукване (завъртане)
Усукването е въртенето на секциите на перката по оста. Възможно е само при стреловидна перка, когато страничната сила действа извън оста на огъване. Това рамо създава въртящия момент.
В случай на положителен удар, профилите в края на перката се завъртат, намалявайки ъгъла на атака. Това избягва появата на спинаут. Но като цяло усукването намалява ефективносттаперка
Завъртането на перката е подобно на това на платно, когато поривите на вятъра отварят върха. За перката това се постига чрез по-голям натиск на краката.
Перки и характеристики на движение
Предишните съображения бяха доста прости.
Сега, използвайки GPS устройства, можете удобно да измервате колко бързо се движи дъската във всяка посока и колко ефективно се изкачвате. Не е трудно да се определи поведението на перката по време на спинаути.
Но е много по-трудно да се преценят обективно такива параметри като лекота на управление, пъргавина на вълни или по време на маневри. Те се определят от платно, дъска, перка и зависят от уменията и личните предпочитания на състезателите. Това, което изглежда подходящо за един човек, за друг, който има по-високо или по-ниско ниво на пързаляне, изобщо не е така.
Перките могат да бъдат тествани по същия начин като дъските, като се използват скали за оценка. Важно е това да се прави на едни и същи дъски и платна, от едни и същи атлети при едни и същи условия и с плавници с една и съща площ.