Поедет ли катамаран? (Математикам, физикам, химикам - IV)

[skat]

Тема выносится в отдельное обсуждение из темы "непонятные моменты в теории".

Сообщение от m-1

Согласен, что обсуждаемый вопрос для знатоков из передачи "Что, где когда?", как и для большинства яхтсменов-любителей, будет не настолько интересным, как, например, вопрос в духе "вечного двигателя".



Я послал его на передачу, кстати.
Не заинтересует ли он экспертов с RaceYou! ?

(Встречный ветер раскручивает большой пропеллер, вращение которого передается на маленький винт. Для простоты оба закреплены на одном валу. Маленький винт тянет катамаран против ветра...)

Сообщение от latad

Я не эксперт, но такой принцип использования ветра, на мой взгляд, позволит двигаться точно против ветра. Этот эффект связан с передачей упора в другую среду, с другой скоростью относительно судна (разделение лобового сопротивления воздушного винта и тяги водяного). А система "воздух-воздух" работать не будет, это вечный двигатель (не на что опереться больше).

Сообщение от lop

Вполне реальная конструкция, есть (были?) действующие суда. Однако это "винтопруль", как назвал действующую модель такого судна один мой знакомый, на всех остальных курсах, кроме +-левентика, проигрывает обычному парусному судну. Особенно на полных курсах. Винт, правда, обычно ставят всё-таки сзади, а не спереди.

[Василий]

нет не поедет! вал навернётся на первой волне.пропеллер будет создавать большую тягу чем винт.пропеллер должен крутится как лопасти у вертолёта...тогда есть шанс...
надо делать электромотор от ветряка и солнечные батареии им ессно кучу сверхемких акб

[Владимир]

есть такая тема - ТУРБОПАРУС - устанавливалась система на тестовом корабле Алкиона (команда Кусто) Там какраз и преобразовывалась энергия ветра в механику гребного винта. Корабль вроде ходил против ветра.

[Kirill Kirillov]

есть похожая тема устанавливаемая на резиновые лодки. Только воздушный пропеллер крутится другой плоскости. Лодка с таким девайсом может идти против ветра (скорости смешные типа до 5 км/ч) но лучше чем веслами махать :-)

[m-1]

Вариантов "вечных двигателей", доступных обывателю - не так уж и много.
Большинство их них, конечно, не работают. Имеют или дорогой или крайне низкий КПД по преобразованию источника энергии...

Пенсионер англичанин Peter Worsley задался вопросом темы, изящно поставил эксперимент "в тазике", проверил на практике свою гипотезу, запатентовал идею и принцип применения, параллельно не ленился рукодельничать при постройке рабочих судов.

Напал на тему я случайно.

К парусам, вроде, по внешним признакам она не имеет отношения, но как пишет сам изобретатель про свою мотивацию (что возможно двигаться ПРОТИВ ВЕТРА), - ... раз яхта лавирует против ветра, значит есть большой потенциал в ТЕМЕ.

Удивительно, как соображения аналогии с движущими силами яхты привели яхтсмена-любителя к поразительному результату, имхо.

http://www.sailwings.net/art.html

"My device in the air, the rotor, was deemed to be the equivalent of the dinghy’s sails, and the device in the water, the propeller, was taken as the equivalent of the keel or centreboard.
I ensured that the rotor area to propeller area were in the same ratio as the sails/centreboard area.
I then made sure, by means of suitable gearing, that the rotor blades moved through the air at the same velocity as the propeller blades moved through the water.
In this way, I considered I would achieve the exact rotary equivalent of the sailing dinghy, with each air-rotor blade performing a continuous close-hauled tack, and each water-propeller blade performing the same function as a boats keel, but in a constant way, by rotating.
The model worked perfectly, and almost leapt out of the small test tank against the wind."

Всё началось с этой модели: YouTube - Directly into wind test model

Продолжилось с этой YouTube - Windmill catamaran model

Ну и реальный рабочий экземпляр YouTube - Windmill Driven Boat

Просто и гениально, имхо.
________________________
Что касается Кусто, его кораблей. Эта совершенно другая история. Тоже интересная, не спорю. Но существенно менее эффектная, имхо, с точки зрения самодеятельности.

Сравниваем:

Turbosail, Alcyone Кусто. Парус и собственно исследовательский корабль
YouTube - Turbosail
YouTube - Alcyone dans le port de Concarneau
(YouTube - Turbosail)

А вот пример паруса-трубы у самодеятельности
YouTube - Magnus Effect Boat in Nile River 1

Против ветра, без дополнительной энергии посудины не попрут, увы.
В отличие от судов Петера.

[skat]

Круто! Я почему то думал, что такая конструкция не поедет...

[Kirill Kirillov]

во ! нашел то о чем говорил !! в КИЕ про такую штуку сто лет назад писали

В журнале «КиЯ» (см. 1978 г., № 4, с. 29; 1981 г., № 1; 1986 г., № 4) неоднократно обсуждался вопрос об использовании ветродвигателя для приведения в движение судов. Интерес к этой проблеме был обусловлен теоретической возможностью движения таких судов против ветра, хотя она некоторое время и подвергалась сомнению. Однако распространения подобные устройства до сих пор не получили.

С 1975 г. по настоящее время в русскоязычных журналах удалось найти только три сообщения о конструктивном воплощении этой идеи. Причиной этого, на наш взгляд, является отсутствие учета части идеальных потерь, связанных с закруткой потоков ветродвигателем и гребным винтом при проектировании таких судов. Учет же этих потерь показал, что область основных параметров, при которых возможно движение против ветра, очень узка. На рис. 1 обозначена такая область для двух наиболее важных параметров: приведенного радиуса r, равного отношению радиуса гребного винта к радиусу ветродвигателя, и передаточного числа, равного отношению угловой скорос вращения гребного винта к угловой скорости вращения ветродвигателя. Судно может двигаться против ветра, только когда параметры системы «ветродвигательгребной винт» оказываются внутри области, ограниченной верхней и нижней кривыми.

Область возможных относительных скоростей движения навстречу ветру показана на рис. 2, где вверх отложено отношение скорости движения судна с ветродвигателем против ветра к скорости ветра. Верхняя кривая на рис. 2 соответствует верхней кривой на рис. 1. Это же относится и к нижним кривым (все представлены в сглаженном виде). Они получены для идеальных винтов на основании законов сохранения импульса, момента импульса и энергии при оценочных значениях коэффициентов аэродинамического (0.5) и гидродинамического (0.1) сопротивлений корпуса судна. Силы сопротивления считались пропорциональными квадрату скорости.

На практике за счет неидеальных потерь в ветродвигателе и гребном винте область допустимых значений становится уже, чем на рис. 1. На приведенных графиках указаны точки, соответствующие реальным конструкциям, сведения о которых появлялись в публикациях. Точка 1 на рис.1 соответствует модели судна с ветродвигателем, испытанной в 1975 г. (см. журнал «Изобретатель и рационализатор», 1979 г., № 1). Диаметр ветродвигателя на этой модели – 1 м; диаметр гребного винта – 0.25 м. Это соответствует приведенному радиусу 0.25. Передаточное число равно 1. В той же заметке сказано, что при скорости ветра 6 м/с модель двигалась против вет ра со скоростью 5 км/ч (1.4 м/с). В этом случае относительная скорость равна 0.23 (верхняя точка 1 на рис. 2). В то же время с помощью линейной интерполяции по рис. 1 и 2 можно установить, что относительная скорость модели должна была быть равна примерно 0.17 (нижняя точка 1 на рис. 2), поскольку все скорости в данном случае оценивались приблизительно.

Автором были разработаны и испытаны две конструкции маломерного судна с ветродвигателем: на основе байдарки «Таймень-2» (рис. 3 и 4) и на основе надувной лодки «Язь-3» (рис. 5 и 6). В обоих случаях ветродвигатель, трансмиссия и гребной винт были объединены в один узел, способный поворачиваться вокруг горизонтальной оси для подъема гребного винта на мелководье. Подробно эти конструкции описаны в заявке на изобретение №2007100459 от 09.01 2007 г., получившей, кстати, положительное решение. Диаметр ветродвигателя в обоих случаях равнялся 2.8 м; диаметр гребного винта – 0.5 м, что соответствует приведенному радиусу 0.18. Передаточное число от ветродвигателя к гребному винту равно 2 (точка 2 на рис.1). Расчетная скорость байдарки при движении против ветра составляет 0.22 (верхняя точка 2 на рис.2).

Результаты испытаний байдарки с ветродвигателем при движении против ветра на Рыбинском водохранилище в 2006 г. показаны на рис. 7, из которого следует, что средняя относительная скорость движения против ветра составляет 0.175 (нижняя точка 2 на рис. 2). При этом следует отметить, что гребной винт и при движении по ветру, и при движении под углом 90° к ветру (рис. 8, 9) был настроен на максимальную скорость движения против ветра. Кроме этого, в связи с тем, что в конструкции не предусмотрены шверты, компенсация упора ветродвигателя при боковом ветре осуществляется поворотом вектора тяги гребного винта.

На надувной лодке измерений скорости движения не проводилось из-за сложности закрепления на ней необходимого для этого оборудования. Однако можно констатировать, что она уверенно движется на всех курсах, но с меньшей скоростью, чем байдарка. По нашей оценке, средняя относительная скорость движения против ветра надувной лодки составляет 0.1. Это связано не только с более высокими коэффициентами сопротивления, но и с тем, что на ней использовался ветродвигатель с гибкими лопастями, поскольку на короткой лодке неприемлема ситуация, когда ветроколесо поворачивается на 360°. Для того чтобы этого избежать, лопасти ветродвигателя были снабжены флюгерными нервюрами, способными поворачиваться под действием набегающего потока на фиксированные углы. Благодаря этому при изменении направления ветра на 180° аэродинамическая крутка лопасти меняется на противоположную, а направление вращения ветроколеса и, следовательно, гребного винта остается тем же самым.

Таким образом, любое направление ветра может быть использовано при повороте плоскости ветроколеса на 90°. При этом оно всегда остается вне зоны нахождения экипажа, и плоскость его вращения никогда не проходит через область нахождения людей. Однако аэродинамическое качество гибких лопастей ниже, чем жестких, что приводит к уменьшению скорости.

Суда с описанными устройствами движутся совершенно бесшумно, вдобавок при движении навстречу ветру испытываешь совершенно необычные эмоции. В отличие от парусных судов они могут быть использованы на узких реках и протоках.

[Василий]

признаюсь был не прав!!!!!!

[chabapok]

если не ошибаюсь, Кулибин (именно тот самый) изобрел водоход -- судно, которое двигалось против течения за счет течения. Якорь заносился по берегу выше по течению, а потом за счет энергии течения вращалась бобина, на которую трос от этого якоря наматывался и подтягивал судно.

[NikolayUB]

Сообщение от chabapok

если не ошибаюсь, Кулибин (именно тот самый) изобрел водоход -- судно, которое двигалось против течения за счет течения. Якорь заносился по берегу выше по течению, а потом за счет энергии течения вращалась бобина, на которую трос от этого якоря наматывался и подтягивал судно.

А если эту конструкцию модифицировать и вместо якорной лебедки поставить воздушный винт (система обратная ситуации "воздушный винт крутит винт водный"), то такой катамаран как раз не поедет - снесет вниз по течению.

[chabapok]

не факт. Парусник же может плыть галосм слегка против ветра. Тут навскидку не скажешь. Вообще мне тоже кажется, что будет сносить, но есть сомнения.

зы. не взлетит %)

[NikolayUB]

Сообщение от chabapok

не факт. Парусник же может плыть галосм слегка против ветра. Тут навскидку не скажешь. Вообще мне тоже кажется, что будет сносить, но есть сомнения.

зы. не взлетит %)

Чтобы водный винт или колесо крутились от течения, они должны иметь опору. То есть катамаран что-то должно удерживать от сноса вниз по течению. У Кулибина - это якорная цепь, а в первоначальной задаче от сноса вниз по ветру, катамаран удерживает повышенное сопротивление корпуса в воде по сравнению с воздухом....
В перевернутой же задаче воздух не способен создать нужно сопротивление, чтобы удержать катамаран даже для того, чтобы водный винт начал крутиться.