Углубленный анализ работы лопасти
В предыдущей статье было выявлено, что нормальная скорость лопасти в воде становится отрицательной (ее центр двигается в направлении тыльной поверхности) сразу после захвати и перед концом проводки, но в то же время она производит продвигающую силу, поэтому КПД лопасти становится выше 100% в этих фазах. Попытаемся это объяснить.
Наиболее очевидная гипотеза – эффект изгиба весла, который не был включен ранее в расчеты скорости лопасти. Чтобы его оценить, жесткость весел была откалибрована с помощью приложения динамической силы к центру лопасти и измерения ее перемещения. Жесткость весел была очень линейной (r=0.99), в диапазоне 0.68-0.91 мм/Н для парных весел (чем выше – тем мягче весла), и 0.59-0.73 мм/Н для распашных. Это немного выше данных производителей весел, поскольку те измеряют жесткость на конце оси весла, а мы - на лопасти.
Рис.1 показывает кривые усилий (а) и работы весла (b) (правое весло у М1х при 34.5 гр/мин) совместно с нормальной скоростью лопасти в воде (с): Vbn вычислялась, как ранее (НБГ 2018/05), Vbb скорость лопасти от изгиба весла, и Vbn+b – скорректированная скорость лопасти – сумма двух выше. Рис.1,d показывает две кривых КПД весла: Ebl вычислялась, как ранее (НБГ 2007/12), и Ebl+b – скорректированная на изгиб весла.
Эффект изгиба весла – очень значительный: он создает скорость лопасти, соизмеримую с ее движением в воде, поэтому изгиб весла необходимо учитывать при расчете КПД лопасти. Скорректированная скорость лопасти Vbn+b становится отрицательной при угле весла -60o в захвате, и при 36o в конце (4o и 10o позже, чем Vbn). Скорректированная кривая КПД лопасти Ebl+b пересекает уровень 100% при тех же углах весла, становится более симметричной, а средняя величина сохранилась на прежнем уровне (82.1% and 82.0%).
Однако, эффект изгиба весла все еще не полностью объясняет этот парадокс: позитивная сила измерялась в то время, когда центр лопасти двигался в тыльном направлении, на протяжении 5о после захвата, и 4о перед нулевыми усилиями в конце гребка, поэтому КПД лопасти было выше 100% в этих фазах.
Рис.2 иллюстрирует следующую идею в попытке объяснить эту загадку: вращение лопасти в воде делает скорость ее внешней кромки быстрее, поэтому она продолжает двигаться во фронтальном направлении в то время, как центр лопасти и ее внутренний край уже двигаются в тыльном направлении. Поскольку центр лопасти находится примерно на уровне воды в критических точках выше (Рис.1,b), ее внутренний край уже вышел из воды, и его тыльное движение не создает тормозящей силы. Внешний край лопасти все еще погружен в воду, и его фронтальное движение создает продвигающую силу.
Рис.3 показывает скорости в воде для внутренней и внешней кромки лопасти, и ее центра (с учетом изгиба весла), и соответствующие кривые КПД. Критические точки для внешней кромки точно соответствуют кривой усилий: при 40o в конце измеренные усилия снижаются до нуля, а небольшие усилия при -64o в захвате – эффект инерции весла (НБГ 2018/03).
В заключении, углубленный анализ работы весла выявил разумное объяснение динамики КПД лопасти, где величины выше 100% в захвате и в конце означают тыльное движение центра лопасти выше воды, без создания продвигающей силы.
©2018 Валерий Клешнев
