Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Техника гребли. Эскимосский переворот. Средства безопасности, спасательные жилеты, каски, аптечки. Первая помощь. Волны, ветер и прочие погодные явления.
Аватара пользователя
Mikle
Сообщения: 1128
Зарегистрирован: 15 апр 2010, 05:32
Reputation: 80
Город: Самара

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Mikle » 08 ноя 2013, 09:16

Shoorick писал(а): Точности ради, в данной конкретной точке могут присутствовать волны, вовсе не имеющие отношения к текущему ветру: пришедшие с других направлений, после вчерашнего и т.д. ветра, обогнувшие препятствие (мыс), отраженные, приливные, стоячие и др.
Согласен, но волны с удаленных направлений, насколько я понимаю, больше к океанским акваториям относятся. Кстати, нет у кого-нить под рукой сведений о коэффициентах затухания морских волн? (искать самому лень) Ясно, что сильнее затухают короткие волны, но каков конкретно коэфф. затухания? (Сходу не нашел в инете)
Круглый Филин писал(а): Ага, понял!!! Эврика!!!
Каяк поворачивается и от волн и от ветра. Сначала, пока ветер слабенький, он роли не играет, и каяк разворачивается из-за волн. Но когда ветер ускоряется, то уже ветер становится главным, и разворачивает лодку параллельно своему направлению.
В целом рассуждения верные.
Сила воздействия ветра (аэродинамическая сила) на участок поверхности каяка площадью dS равна
Fa = rho_a * (Va - v)^2 /2 *dSn *Ka, (1)
где rho_a - плотность воздуха, Va - скорость ветра, v - скорость поверхности каяка (Va и v - вообще говоря, векторы; если каяк вращается, то скорости различных участков его поверхности разные, если нет, то v = vk, где vk - скорость каяка),
dSn - площадь поверхности, нормальная к ветру, dSn = dS * cos (theta), где theta - угол между нормалью (перпендикуляром) к поверхности и направлением ветра, Ka - численный коэффициент.

Из общих соображений ясно, что сила воздействия потока воды Fw на участок поверхности каяка площадью dS1 должна описываться похожей формулой:
Fw = rho_w * (Vw - v)^2 /2 *dS1n *Kw, (2)
где rho_w - плотность воды, Vw - скорость потока воды, dS1n = dS1 * cos (theta_w), где theta_w - угол между нормалью к поверхность и вектором скорости потока воды. (Не забываем, что почти всегда Vw =/= v !)

Помимо действия скоростного потока ветра (аэродинам. сопротивление) и скоростного потока воды (сила ударов волн), на каяк также действуют силы тяжести и силы трения за счет вязкости воды, пока их не рассматриваем, а зададимся вопросом о соотношении величин интегралов от формул (1) и (2) по поверхностям, доступным ветру и волнам, соответственно.

Проанализируем формулы (1) и (2): морской каяк - не парусное судно (байдарку типа Щуки можем считать парусным судном:))), поэтому суммарные площади поверхностей, на которые воздействует ветер и волны - примерно равны (С площадями нужно быть аккуратным, т.к. там стоя косинусы!). Будем считать, что примерно равны и коэффициенты Kw и Kа.
Сравним величины rho_w и rho_а, а также Vw - v и Vа - v.

Отношение rho_w / rho_а равно 1000 ! (вода в 1000 раз тяжелее воздуха!), поэтому для каяка удары волн (стремящиеся развернуть каяк лагом и минимизировать разницу скоростей Vw - v) будут более существенны, чем воздейстие ветра (стремящееся развернуть каяк параллельно ветру, чтобы минимизировать площади dSn, точнее интеграл по ним). При этом то, что Vа - v > Vw - v при не слишком сильном ветре несущественно, коль скоро
rho_w / rho_а = 1000. Но при большей силы ветра, и тем более для каяка с большей парусностью фактор
Vа - v >> Vw - v уже может быть определяющим, т.к. разница скоростей стоит в квадрате.

С другой стороны, сильный ветер на открытом водоеме = сильная волна, которая уже может сама-по себе экранировать ветер.

P.S: насчет влияния силы тяжести: это уже более сложный вопрос. Приведенные выше соображения с рисунками и рассуждениями насчет потенциала носа и кормы каяка на волне в поле силы тяжести - столь же наглядны, сколь и мало-убедительны с точки зрения теории, т.к. а) изменение потенциальной энергии каяка в поле силы тяжести в среднем по периоду волны равно нулю, если нет движения каяка относительно воды (сначала каяк получает энергию в поле силы тяжести, поднимаясь с волной, затем ее отдает, опускаясь с волной) и б) при гладком скольжении что каяка по гребню волны, что палки по ледяной горке - нет никаких сил, которые могут привести к вращению скользящего тела относительно оси. Говоря теоретическим языком - при такой упрощенной постановке задачи о "скольжении с горки" - нет ненулевой суммы моментов сил относительно предполагаемой оси вращения, которая могла бы привести к такому вращению.

P.S: К Филину вопросы: 1) о каких водоемах идет речь и почему там нельзя уйти в более спокойные воды для справления всяческих надобностей, т.ч приходится обучаться искусству с...ть, стоя в гамаке ?
2) Почему на каяк в данных условиях плавания не целесообразно ставить руль? (Казалось бы, если водоем таков, что там всегда большая волна, и при этом каякер не занимается рок-гарденингом - то наверное там вполне можно использовать руль?)
КБ СамБот - производство судов для спорта, отдыха и туризма

Аватара пользователя
Имя пользователя
Сообщения: 2737
Зарегистрирован: 12 дек 2011, 07:29
Reputation: 156
Город: Сакраменто

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Имя пользователя » 08 ноя 2013, 10:27

Принц, вы еще забыли добавить, что я неудачник, не люблю родину, и чего там у вас еще в стандартном наборе? Не стесняйтесь. Оле, оле, оле, оле. Россия, вперед.

Mikkle, все бы вам через интегралы по кругу. Вот мой вариант. Рассмотрим только один момент времени, когда нос находится в самой яме. В идеальной ситуации, когда лодка перпендикулярна волне, вес кормовой части будет уравновешен выталкивающей силой воды, действующей на носовую часть. Расположение оси приложения сил, он же центр вращения каяка, будет зависеть от многих причин, как распределение веса/объема каяка, плотности воды, параметров волны, характеристик корпуса и тд и тп - это к физикам. Для нас важно, что он есть. Система будет напоминать детскую карусель с двумя сиденьями на палке, вращающуюся вокруг центральной стойки. Вы ее толкаете за сиденье, по направлению к центру. Она не двигается. Запоминаем это направление. Немного смещаем сиденье по кругу и опять толкаем в том же направлении. Сиденье начинает вращаться. Для каяка это начальное смещение может быть создано гребцом, ветром , чем угодно. То есть при отклонении кормы каяка от перпендикулярного положения появляется вращение вокруг оси. Чем дальше каяк от перепендикулярного положения, тем меньше усилий надо приложить для его вращения. После прохождения минимума волны носом в яме оказывается корма. Теперь уже нос начинается скручиваться в сторону ямы.

Не знаю, может так понятнее. Но я не претендую на экспертизу.
A здесь могла бы быть моя самореклама.

Аватара пользователя
Евгенич
Сообщения: 56
Зарегистрирован: 16 окт 2012, 04:35
Reputation: 6
Город: Таганрог
Контактная информация:

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Евгенич » 08 ноя 2013, 17:28

Mikle писал(а):
Сила воздействия ветра (аэродинамическая сила) на участок поверхности каяка площадью dS равна
Fa = rho_a * (Va - v)^2 /2 *dSn *Ka, (1)
где rho_a - плотность воздуха, Va - скорость ветра, v - скорость поверхности каяка (Va и v - вообще говоря, векторы; если каяк вращается, то скорости различных участков его поверхности разные, если нет, то v = vk, где vk - скорость каяка),
dSn - площадь поверхности, нормальная к ветру, dSn = dS * cos (theta), где theta - угол между нормалью (перпендикуляром) к поверхности и направлением ветра, Ka - численный коэффициент.

Из общих соображений ясно, что сила воздействия потока воды Fw на участок поверхности каяка площадью dS1 должна описываться похожей формулой:
Fw = rho_w * (Vw - v)^2 /2 *dS1n *Kw, (2)
где rho_w - плотность воды, Vw - скорость потока воды, dS1n = dS1 * cos (theta_w), где theta_w - угол между нормалью к поверхность и вектором скорости потока воды. (Не забываем, что почти всегда Vw =/= v !)

... зададимся вопросом о соотношении величин интегралов от формул (1) и (2) по поверхностям, доступным ветру и волнам, соответственно.

Проанализируем формулы (1) и (2): морской каяк - не парусное судно (байдарку типа Щуки можем считать парусным судном:))), поэтому суммарные площади поверхностей, на которые воздействует ветер и волны - примерно равны (С площадями нужно быть аккуратным, т.к. там стоя косинусы!). Будем считать, что примерно равны и коэффициенты Kw и Kа.
Сравним величины rho_w и rho_а, а также Vw - v и Vа - v.

Отношение rho_w / rho_а равно 1000 ! (вода в 1000 раз тяжелее воздуха!), поэтому для каяка удары волн (стремящиеся развернуть каяк лагом и минимизировать разницу скоростей Vw - v) будут более существенны, чем воздейстие ветра (стремящееся развернуть каяк параллельно ветру, чтобы минимизировать площади dSn, точнее интеграл по ним). При этом то, что Vа - v > Vw - v при не слишком сильном ветре несущественно, коль скоро
rho_w / rho_а = 1000. Но при большей силы ветра, и тем более для каяка с большей парусностью фактор
Vа - v >> Vw - v уже может быть определяющим, т.к. разница скоростей стоит в квадрате.

...
Mikle, ну загрузили, спасибо! :) вечером попробую разобраться подробнее.
А если по-простому и на пальцах, не значит ли все это примерно следующее - что пришедшая волна воздействует на корпус в районе носа сильнее, чем в районе кормы из-за того, что в носу угол встречи с волной больше, а дальше в корму волна проходит вскользь? (это в случае движения навстречу к волне)

п.с. Потереть бы классовую борьбу и хорошая будет тема, полезная.
мои лодки - Winner Otium I и байдарочный тримаран

Аватара пользователя
Круглый Филин
Сообщения: 121
Зарегистрирован: 02 ноя 2013, 00:09
Reputation: 0
Город: Москва

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Круглый Филин » 08 ноя 2013, 19:16

А если по-простому и на пальцах, не значит ли все это примерно следующее - что пришедшая волна воздействует на корпус в районе носа сильнее, чем в районе кормы из-за того, что в носу угол встречи с волной больше, а дальше в корму волна проходит вскользь? (это в случае движения навстречу к волне)
Вот-вот-вот! Я тоже так думаю

Но это уже, типа мелочи. Главное, это было понять, что волны и ветер поворачивают каяк в разных направлениях.

Обновил первый пост, зацените. Замечания говорите, внесём туда же, для будущих поколений так сказать.)
WS Tsunami 145, Смена1 2 штуки(предоставлены производителем, обе расклеились, не рекомендую), Щука1 (хорошая, но не для холодной или открытой воды, нынче разобрал на гермы)

Аватара пользователя
Operator
Сообщения: 299
Зарегистрирован: 15 июл 2011, 18:30
Reputation: 12
Город: Москва

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Operator » 08 ноя 2013, 22:39

Приведенные выше соображения с рисунками и рассуждениями насчет потенциала носа и кормы каяка на волне в поле силы тяжести - столь же наглядны, сколь и мало-убедительны с точки зрения теории, т.к.
а) изменение потенциальной энергии каяка в поле силы тяжести в среднем по периоду волны равно нулю, если нет движения каяка относительно воды (сначала каяк получает энергию в поле силы тяжести, поднимаясь с волной, затем ее отдает, опускаясь с волной) и
Думаю, что с энергиями не все так просто, поскольку амплитуда раскачки кормы/носа лодки в любом случае больше амплитуды раскачки центра. Это раз уж Вы интегрируете цикл. Ведь, как известно, амплитуда колебаний и пропорциональна величине энергии. Да и понятие "поле силы тяжести" - это не совсем то о чем шла речь. Речь шла о потенциальной, кинетической и "внутренней" энергиях. И здесь дело не в конкретике используемых Вами формул, а в самом принципе, который, увы, не описывается предложенными Вами формулами, как не поддается и дифференцированию с последущей интеграцией. В этом, собственно, и состоит фишка темы, которая подожгла интерес к разговору.

Поэтому если говорить о...
б) при гладком скольжении что каяка по гребню волны, что палки по ледяной горке - нет никаких сил, которые могут привести к вращению скользящего тела относительно оси. Говоря теоретическим языком - при такой упрощенной постановке задачи о "скольжении с горки" - нет ненулевой суммы моментов сил относительно предполагаемой оси вращения, которая могла бы привести к такому вращению.
...то хотите Вы того или нет, но опять придется сказать о том, что в реальности судно с любыми обводами имеет тенденцию к постановке лагом к волне вне зависимости от длины этой самой волны. Здесь Вам в помощь ИП (если он на время темы зароет топор), поскольку из присутствующих в теме людей только ему случается плавать по долгопериодической океанской волне.

Еще одним моментом, ИМХО, является то, что задача, вообще-то, далеко не всегда сводима к частному случаю «прямой палки и цилиндрической ямки» (или колее), поскольку каяк с выраженным рокером и общими обводами, вполне "укладывающимися" в профиль волны, все равно ставит лагом. Что уж говорить о совсем мелкой волне (на порядок меньшей длины лодки), которая также это с успехом делает :) .И это не слишком поддается дифференцированию "научными методами". Да и громоздкость традиционно применяемых для этого формул (так, кстати, и не объясняющих всей полноты пролематики) – уже сама по себе верный признак грубых косяков в основе дифференциального подхода.

Впрочем, я нисколько не подвергаю сомнению адекватность тех гидродинамических влияний, которые указаны в размышлениях выше. Однако, меня, как, возможно и Круглого Филина, смущает их очевидная неполнота.
Storm Kayak - R17; Jackson - Rock Star comp 2014; Seabird Sport 600

Аватара пользователя
Имя пользователя
Сообщения: 2737
Зарегистрирован: 12 дек 2011, 07:29
Reputation: 156
Город: Сакраменто

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Имя пользователя » 09 ноя 2013, 00:24

Народ, можно долго биться с точки зрения физики. Но что то не задорно. Очевидны косяки в описании модели процесса Михаилом. Действительно, при достижении системой равновесия (положения перпендикулярного волне) dE (кинетическая вычисленная относительно фазы воды, потенциальная и внутренняя (деформация корпуса))/dt = 0, если вычислять по замкнутому контуру. Нас же интересует начальная стадия процесса, для которой dE/dt -> 0. А это есть разница. Затем косяки при описании каяка - его нельзя описывать как "несжимаемый точечный предмет" а уж скорее как коромысло с плечами сил, действующими на его концы (нос и корму), к тому же с положением оси вращения, которое является функцией от положения каяка на фазе волны. И писать системы уравнений для сил, действующий на нос и корму. При свободном скольжении все равно будет наблюдаться сила, приложенная к центру вращения, из за ассиметрии корпуса каяка (обводов) и его взаимодействия с поверхностью воды. Если честно, я не смогу построить грамотную модель уравнений, которая худо-бедно описывала бы это явление. Не хватит образования. Так что я постою в стороне и почитаю. Тем более задача была объяснить явление, а не моделировать его. С чем вроде бы справились.
Практически - на пологих низкоамплитудных волнах каяк крутится исключительно ветром, который есть всегда. Потому как, чем положе склон волны, тем меньше сила, приложенная к оси вращения каяка, и воздействие ветра становится доминантным. В момент слома волны крутизна волны резко возрастает, плюс у гребня волны резко падает поверхностное натяжение за счет пены - в результате чего каяк разворачивает бортом почти мгновенно. Явление называется брочинг.

И еще - теоретическая волна не может "бить" в борт, у нее нет горизонтального переноса энергии. На практике прибойная волна, волна на отмелях, острая ветровая волна ощутимо бьют в борт - что значит, теория и практика опять расходятся. И объяснения про "удар в нос, больше, чем в корму" тоже имеют место быть в отдельных случаях. А еще можно рассматривать случаи, когда скорость каяка больше скорости волны - серф. И так до бесконечности.
A здесь могла бы быть моя самореклама.

Аватара пользователя
Евгенич
Сообщения: 56
Зарегистрирован: 16 окт 2012, 04:35
Reputation: 6
Город: Таганрог
Контактная информация:

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Евгенич » 09 ноя 2013, 02:18

Круглый Филин писал(а):...Обновил первый пост, зацените. Замечания говорите, внесём туда же, для будущих поколений так сказать.)
По-моему обновить первый пост Вы поторопились. Выводы, по-моему, сыроваты. :)
Например, что ветер 5-7 м/с не воздействует на каяк. Уж на какякера-то точно будет действовать. Ну и про энергетические уровни... как-то не убедительно...
мои лодки - Winner Otium I и байдарочный тримаран

Аватара пользователя
Круглый Филин
Сообщения: 121
Зарегистрирован: 02 ноя 2013, 00:09
Reputation: 0
Город: Москва

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Круглый Филин » 09 ноя 2013, 02:55

Евгенич, я так и знал, что про "ламинарный поток" ни у кого вопросов не возникнет )))
Сначала, пока ветер недостаточно силён, но уже есть волны, то каяк поворачивается исключительно из-за действия волн. Потом, по мере усиления ветра, сказывается давление ветра на корпус каяка, и каяк стремится встать параллельно воздушному потоку. Нюансы: а) у поверхности воды скорость ветра меньше б) при дрейфе относительная скорость ветра ещё меньше, поэтому, при дрейфе и скорости ветра 5-7мс, разворачивающее действие ветра практически не ощущается.
Например, что ветер 5-7 м/с не воздействует на каяк. Уж на какякера-то точно будет действовать.
А что нам каякер? Он примерно по центру, ветер, приложенный к каякеру, будет смещать каяк назад, а не вертеть.

Факт остаётся фактом - слабый ветер не может "втянуть" каяк в ламинарный поток, но может поднять волны. Понятно, что где-то есть граница - тот момент, когда сила ветра достигает величины, могущей повернуть каяк. Где находится эта граница - момент уникальный для каждой модели лодки, объёма принайтовленного груза, одежды и габаритов каякера и его посадки в лодке.

Об энергетических уровнях:
Планета Ка-Пекс:
Прот с легкостью объясняет своё внешнее сходство с землянами, приводя метафору: мыльный пузырь имеет форму шара, потому что это идеальная форма для него в земных условиях.
... т.е. наиболее энергетически выгодное состояние. По этой же причине ток течёт по пути наименьшего сопротивления, а умные альпинисты обходят Эверест. Я думаю, это многим понятно.. (альтернатива - это размазать на абзац "объяснение на пальцах", из-за которого потеряется краткость, а уж как на пальцах объяснить про ламинарный поток, я вообще не представляю )

П.С. Поменял "ламинарный" на "ветровой". Потому что "ламинарный" - это поток ветра без турбулентности. Нечего выпендриваться такими словечками :)
WS Tsunami 145, Смена1 2 штуки(предоставлены производителем, обе расклеились, не рекомендую), Щука1 (хорошая, но не для холодной или открытой воды, нынче разобрал на гермы)

Аватара пользователя
Евгенич
Сообщения: 56
Зарегистрирован: 16 окт 2012, 04:35
Reputation: 6
Город: Таганрог
Контактная информация:

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Евгенич » 09 ноя 2013, 03:32

Сорриньки, а что правда каяк не замечает ветра в 5-7 м/с.? В 5+ м/с появляются барашки на воде, а в 7 они уже везде. Т.е. я хочу сказать, что ветерок-то уже серьезный. Ну, по моим представлениям. У меня-то просто байдарка и даже когда я выходил без мачты и прочих игрушек то против такого ветра я просто ПАХАЛ.
Если у каяка такая мореходность, то надо брать, да!
мои лодки - Winner Otium I и байдарочный тримаран

Аватара пользователя
Круглый Филин
Сообщения: 121
Зарегистрирован: 02 ноя 2013, 00:09
Reputation: 0
Город: Москва

Re: Дрейф в открытой воде, ветер, волны

Сообщение Круглый Филин » 09 ноя 2013, 04:09

Евгенич писал(а):Сорриньки, а что правда каяк не замечает ветра в 5-7 м/с.? В 5+ м/с появляются барашки на воде, а в 7 они уже везде. Т.е. я хочу сказать, что ветерок-то уже серьезный. Ну, по моим представлениям. У меня-то просто байдарка и даже когда я выходил без мачты и прочих игрушек то против такого ветра я просто ПАХАЛ.
Если у каяка такая мореходность, то надо брать, да!
Вы не представляете, как лично я офигел от того, что каяку такое фиолетово. У меня был вот такой приборчик. Он показывал макс 25кмч (т.е. 7мс). А я шёл при этом не ниже 3,7кмч. Я мысленно сравнивал с хождением на Щуке по такой же погоде и только восклицал "на щуке я бы тут стоял! нет, я бы плыл назад!" Собственно, я и думал, что даже на каяке я не сильно быстро плыву. Каково же было моё удивление, включив навигатор, увидеть цифры от 5,5 до 3,7кмч. Собственно, большей частью было где-то около 4,5кмч.

И да, были и барашки, и волны, которые заливали нос. И это был кайф! Я совершенно не думал о "пахатьбе", а чисто ловил кайф от мореходности каяка. Так что да, рекомендую однозначно. Но может вас смущает "негде хранить" или "проблемы с транспортировкой"? Я мог бы написать об этом пост, как мне удалось решить эти проблемы совершенно малой кровью.
(не считая разобранного потолка в дачном домике, чтобы каяк стоял вертикально ))))
WS Tsunami 145, Смена1 2 штуки(предоставлены производителем, обе расклеились, не рекомендую), Щука1 (хорошая, но не для холодной или открытой воды, нынче разобрал на гермы)

Ответить

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость