Пока соцсети активно обсуждают блокировку РКН-ом Телеграм «по просьбам трудящихся», решил вспомнить такую тему. Когда то она была очень популярна. Здесь нет ничего нового, просто собрал воедино некоторые материалы.

Вопрос о том, может ли парусное судно двигаться быстрее ветра, на первый взгляд кажется абсурдным. Интуиция подсказывает: если толкающая сила создаётся ветром, то как можно обогнать то, что тебя толкает? Однако на протяжении десятилетий эта тема вызывала жаркие споры — от страниц научно-популярных журналов до интернет-форумов.

Спор имел глубокие исторические корни. В конце XIX века немецкий исследователь Г. Герлах впервые теоретически показал возможность движения парусного судна быстрее ветра. Однако в то время аэродинамика и гидродинамика ещё не достигли уровня, позволяющего реализовать эти идеи на практике.

Часть 1. Историческая дискуссия

В начале XX века за решение этой задачи взялся известный американский конструктор парусных катамаранов Н. Херрешоф. Он построил и испытал небольшую модель катамарана с парусным вооружением в виде плоской рамы-крыла («несущий змей»). По свидетельствам, модель достигала скорости 10 узлов, а по расчётам Херрешофа, судно длиной около 9 метров, построенное по тому же принципу, могло развить скорость 30 узлов.

В 1950-е годы проблемой заинтересовался профессор X. Баркла. Он разработал проект трискафа (трёхкорпусного судна) с жесткими парусами-крыльями, имеющими высокое аэродинамическое качество. Расчёты Баркла показали: трискаф с площадью парусности 20 м² способен развить скорость 30–40 узлов при ветре 20–30 узлов, то есть двигаться в полтора раза быстрее ветра.

В 60-х - 70-х годах в СССР это тема широко обсуждалась - парусный спорт был популярен в среди физиков и математиков. Исследования в этой области часто публиковались в журнале «Катера и Яхты», который с 1963 года стал главным печатным органом для любителей и профессионалов малого судостроения. В номере 14 за 1968 год была опубликована статья(https://www.barque.ru/shipbuilding/1968/movement_under_sail_speeds_faster_than_wind), в которой на основе современных представлений была теоретически показана возможность движения быстрее ветра под парусом. В этой работе была выведена формула скорости в зависимости от аэродинамических характеристик паруса и курсового угла и введено понятие об «идеальном судне».

Часть 2. Физика паруса: от простого толкания к подъёмной силе

Первые паруса, появившиеся ещё в Древнем Египте около 5 тысяч лет назад, были прямыми. Это были прямоугольные полотнища, которые ставились поперёк судна и работали только при попутном ветре — как мешок, который ветер толкает вперёд. Такое вооружение использовали финикийцы, греки, римляне, викинги и славяне вплоть до раннего Средневековья.
В VIII–IX веках в Средиземноморье появились косые паруса, получившие название «латинских».

Они ставились почти вдоль судна и позволяли двигаться под острым углом к ветру — это было революционное изменение, открывшее возможность ходить галсами против ветра. Латинский парус можно было также поставить и как прямой, что делало его универсальным.
Следующий важный шаг — бермудский(генуэзский) парус, треугольный парус. Он стал вытеснять четырёхугольные паруса, а к середине XX века занял доминирующее положение на всех яхтах. Аэродинамическое качество бермудского паруса, хотя и уступает самолётному крылу, является самым высоким среди всех типов парусов.

Именно косые паруса (латинские, а затем бермудские) позволили рассматривать парус не как «мешок», который ветер просто толкает, а как крыло, создающее подъёмную силу за счёт обтекания потоком воздуха. В отличие от прямого паруса, который работает как парашют, косой парус отклоняет поток, и по третьему закону Ньютона возникает сила, перпендикулярная набегающему вымпельному ветру, — та самая подъёмная сила, которая и позволяет судну двигаться быстрее ветра.

Ключевое различие между быстрыми и медленными парусными судами заключается в том, как работает парус. При попутном ветре (фордевинд) даже треугольный парус работает как мешок — он просто ловит поток воздуха. При таком режиме максимальная скорость судна не может превысить скорость ветра, фордевинд — это самый медленный курс.

Совершенно иная картина возникает на курсах галфвинд (ветер точно сбоку) и бакштаг (ветер сзади-сбоку). Здесь парус начинает работать как крыло самолёта. Он отклоняет поток воздуха, и по третьему закону Ньютона возникает сила, толкающая судно вперёд.

Второй важный фактор — вымпельный ветер. Когда судно движется, оно создаёт собственный встречный поток. Векторная сумма истинного ветра и этого встречного потока даёт вымпельный (кажущийся) ветер, который может быть значительно сильнее истинного и дуть под другим углом. Именно этот ветер действует на парус.

Чтобы понять, как вымпельный ветер и подъёмная сила определяют скорость судна, обратимся к математической модели.

Часть 3. Формула скорости

Пусть:
V — скорость истинного ветра (относительно земли)
u — скорость судна
α — курсовой угол (угол между направлением истинного ветра и диаметральной плоскостью судна)
В установившемся режиме движения равнодействующая аэродинамических сил на парусе уравновешивается гидродинамическими силами на корпусе и киле. Критерий, определяющий, может ли судно двигаться быстрее ветра, выражается через отношение тяги парусов к сопротивлению корпуса.
В работе [«Катера и Яхты», №14, 1968] вводится параметр Kv (фактор скорости):
Kv = Tv / Rv
где:
Tv = 2 · cα · Sα · V² — тяга парусов при скорости истинного ветра V
Rv = ch · Ω · V² — сопротивление корпуса при движении судна со скоростью V
cα и ch — коэффициенты тяги паруса и сопротивления корпуса
Sα и Ω — площадь парусности и смоченная поверхность корпуса
Если Kv > 1, судно способно развить скорость, превышающую скорость ветра. Если Kv < 1 — не может.
Скорость идеального судна
В той же работе получено выражение для теоретической скорости идеального судна:
u / V = (K0 / sin α) · 1 / √[ 1 + (K0 / sin α)² − 2 · (K0 / sin α) · cos α ]
Для наиболее благоприятных курсов (галфвинд и бакштаг) эта формула даёт значения u/V превышающие единицу.
Что такое K0 (аэродинамическое качество)
K0 — это отношение подъёмной силы (Lift) к силе сопротивления (Drag), которые создаёт парус при обтекании воздушным потоком.
K0 = L / D
Где:
L — подъёмная сила, направленная перпендикулярно набегающему потоку (вымпельному ветру). Именно она тянет судно вперёд.
D — сила сопротивления, направленная против набегающего потока. Она тормозит движение.
Чем выше K0, тем эффективнее парус преобразует энергию ветра в движение.

Таким образом, K0 — это «паспортная характеристика» парусного вооружения, которая определяет, насколько быстро судно может идти относительно ветра. Именно благодаря высокому аэродинамическому качеству современных парусов (и особенно буеров) стали возможны рекорды, в 2–6 раз превышающие скорость ветра.
Следует различать K0 (аэродинамическое качество паруса) и Kv (фактор скорости, учитывающий также сопротивление корпуса). Высокий K0 — необходимое, но не достаточное условие движения быстрее ветра. Для этого ещё требуется, чтобы корпус и киль создавали минимальное сопротивление, то есть чтобы Kv > 1.

Добавлю по просьбам читателей пару картинок:

Часть 4. Материалы парусов: от дакрона до карбона

Высокое аэродинамическое качество K0, необходимое для достижения скоростей, превышающих скорость ветра, стало возможным благодаря развитию материалов для парусов.

Современные паруса это не просто сшитые полотнища. Им изначально придают трёхмерную кривизну, рассчитывая форму как аэродинамическую поверхность, аналогичную крылу самолёта.

Дакрон (лавсан)

До 1960-х годов паруса шили из хлопка или натуральных волокон. В 1960-е годы их вытеснил дакрон (в СССР — лавсан) — полиэфирное волокно, устойчивое к растяжению, солнечному свету и влаге. Дакрон оставался стандартом для круизных и гоночных яхт вплоть до 1980-х годов. Однако дакроновые паруса под нагрузкой всё же вытягивались, теряя заданный профиль, и были достаточно тяжёлыми.

Кевлар (Aramid)

В 1970–1980-е годы произошла революция с появлением кевлара. Это синтетическое волокно, разработанное компанией DuPont, обладает прочностью на растяжение, в пять раз превышающей прочность стали, при малом весе. Кевлар начали использовать в ламинатных парусах: между двумя слоями тонкой прочной пленки (обычно из майлара) укладывались нити кевлара, ориентированные строго по линиям действия нагрузок. Такая технология позволяла создать парус, который не вытягивался под нагрузкой и долго держал идеальную аэродинамическую форму.
Кевларовые паруса (например, знаменитая серия North 3DL от North Sails) стали эталоном скорости в 1990-е годы. Однако у кевлара было два серьёзных недостатка: чувствительность к ультрафиолету и усталость материала от циклических нагрузок.

Карбон (углепластик)

С 2000-х годов стандартом в гоночном яхтинге стал карбон (углепластик). Карбоновые паруса изготавливаются из углеродного волокна, пропитанного эпоксидной смолой. Они легче кевларовых, обладают ещё большей жёсткостью и практически не подвержены усталости. Карбон позволяет создавать паруса с идеально рассчитанным профилем, который не меняется под нагрузкой и сохраняется годами.
Именно благодаря карбоновым парусам (и парусам-крыльям, появившимся на катамаранах America’s Cup) стали возможны рекорды, когда судно движется в 2,5–3 раза быстрее ветра.

Дайнема (Dyneema)( обычно так произносится, хотя правильно дайнима)

Параллельно с карбоном развивается дайнема (сверхвысокомолекулярный полиэтилен) — материал с максимальной прочностью на разрыв среди всех известных волокон. Дайнема обладает высокой гибкостью и устойчивостью к усталости, но из-за более высокого внутреннего трения по сравнению с карбоном её считают менее «отзывчивой» при тонкой настройке: парус реагирует на изменение нагрузок с небольшой задержкой. Тем не менее, дайнема широко используется в гоночных парусах, где требуется максимальная прочность и долговечность.

Часть 5. Роль киля: особенности килевых яхт, катамаранов и буеров

Важнейшую роль в достижении высоких скоростей играет способность судна сопротивляться боковому сносу (дрейфу).

Килевые яхты используют тяжёлый балластный(препятствующей перевороту) киль, который создаёт боковую силу, противодействующую дрейфу, и позволяет преобразовывать боковую тягу паруса в поступательное движение.

Катамараны не имеют тяжёлого киля - их остойчивость обеспечивается широкой базой между корпусами. Это снижает сопротивление воды, но требует более осторожного управления, особенно при манёвре или порывах ветра: катамаран может перевернуться, и, в отличие от килевой яхты, сам назад не перевернётся. Для обратного переворота крупного катамарана используются только вертолеты

Буеры - абсолютные чемпионы скорости. У них практически нет сопротивления движению, и буерный эффект (рост вымпельного ветра с ростом скорости) проявляется наиболее ярко.
Я не пишу здесь про формы и материалы корпуса современных яхт, это тема для отдельной статьи.

Заключение: да, может

Современная наука и практика дают однозначный ответ: парусное судно может двигаться быстрее ветра. Спор, начавшийся в конце XIX века, получивший развитие в работах Херрешофа и Баркла, обсуждавшийся на страницах советских журналов «Катера и Яхты», «Моделист-конструктор»..., нашёл своё окончательное разрешение.

Вот краткий перечень основных рекордов:

Яхтенный капитан.

Теперь можно возвращаться к обсуждению блокировки Телеграма.