И всё-таки, почему она вертится?

Принципы, лежащие в основе паруса, а с ним и ветряка просты. Но теория, описывающая его работу, аэродинамика, начала создаваться только в XVIII веке. И даже теперь точные аэродинамические расчёты требуют привлечения машинных средств и опираются на опытные (эмпирические) данные. Но и без теории, эмпирически, паруса удавалось совершенствовать. Так уже самый первый из известных нам парусников мог ходить под углом к ветру, что можно понять из его изображения на камне, поскольку парус на нём повёрнут. Правда, это египтяне рисовали, они любили так изворачиваться, но сам факт возможности поворота паруса вокруг мачты говорит в пользу того, что им вертели.

Зачем это нужно? Чтобы идти под углом к ветру. Ведь ветер редко когда дует туда, куда нужно плыть. С годами мореплаватели так научились обращаться с ветром, что двигаться попутным ветром (фордевинд) им стало неудобно и... медленно. Они стали предпочитать бакшаг, боковой ветер с кормы. Древнеегипетский корабль уже умел ходить бакшаг, хотя явно предпочитал фордевинд. Вряд ли он мог ходить крутым бейдевинд (под тупым углом к ветру, почти против ветра), но галфвинд (half wind), движение перпендикулярное направлению ветра, на нём уже, скорей всего, было возможно.

Не уместно здесь излагать теорию хождения под парусом, скажу только, что возможность менять направление движения даётся сочетанием работы паруса, который изменяет направление силы давления ветра, и корпусом судна, который в продольном и поперечном направлении по разному сопротивляется воде. С ветряком происходит примерно тоже самое, даже проще. В идеальном случае крылья (паруса) ветряка движутся галфвинд. Вот как это происходит.

Рис. 1 Основные силы ветряка. 

Как мы помним, главный принцип ветряка -- он никуда не движется, спокойно стоит на месте. Стало быть, силы, в нём действующие, должны компенсировать друг друга, это условие статики. На рисунке изображён ветряк с четырьмя крыльями (лопастями). Вид сверху. На каждую лопасть действует сила давления ветра, обозначенная на схеме буквой P. Ей противостоит равная, но противоположно направленная сила реакции опоры N. 

N + P = 0

Уравнение векторное, разумеется. Вот, собственно, и вcё, для начала. Далее силу N полезно представить как сумму двух других. Одна из них направлена по оси ветряка, это сила, с которой ось отталкивает от себя крыльчатку, которую ветер пытается унести с собой. Она нарисована на схеме красной пунктирной линией и обозначена N_a. Эта сила создаёт осевое усилие, давящее на опору ветряка. Осевое усилие очень важно в турбиностроении вообще и ветроэнергетике в частности. Другая сила, N_w -- окружная, она направлена по касательной к окружности, которую очерчивает лопасть. Это сила, препятствующая вращению. Она состоит из силы трения и силы, которую создаёт нагрузка на ветряк, если она к нему подсоединена. Если сила N_w окажется достаточно мала, то колесо начнёт вращаться в сторону, указанную сиреневой пунктирной линией.

Такой схемы как здесь вы вряд ли где-нибудь ещё найдёте. Каждый серьёзный человек, если её нарисует, получит по рукам и за дело. Но здесь лекция для колхозников! Рассуждения где-то на уровне Герона. Однако и долгое время после него разработчики ветряков пользовались не более серьёзными рассуждениями, так что схема пока подойдёт. Главные её достоинства: простота, демонстрация основных сил и генетическая связь с парусом, с которым пора прощаться. С изобретения Герона начинается другая эпоха.

Назад

К оглавлению

Вперёд