Ничто не оказало столь большого влияния на эволюцию парусного вооружения современных яхт, как идеи аэродинамики о выборе профиля, обеспечивающего наилучшие условия для обтекания его потоком воздуха.
Чтобы повысить эффективность парусного вооружения, стали прибегать к профилированию мачт, применять внутреннюю проводку бегучего такелажа. Между тем эффект, получаемый при этом, далеко не изучен. Различные модернизации бермудского вооружения, даже выполненные со знанием дела, не дают положительных результатов, а в некоторых случаях даже приводят к отрицательным.
Как известно, число Рейнольдса:
Re = υd / ν
υ — скорость потока;
d — характерный линейный размер;
ν — коэффициент кинематической вязкости.
Варьируя переменными величинами υ и d, можно изменять величину Re.
Например, мачта диаметром (d=25 см при скорости движения потока υ = 5 м/сек и мачта (d=12,5 см при υ = 10 м/сек имеют одинаковое число Re.
Чтобы упростить рассуждения, введем не слишком строгие, но полезные понятия о «малом» и повышенном числе Рейнольдса. Границей между этими величинами будет число Re, соответствующее обтеканию мачты диаметром (d = 10 см потоком воздуха, движущегося со скоростью υ = 7,5—10 м/сек (15—20 узл.). Продувки мачт в аэродинамической трубе показали, что коэффициент их сопротивления резко уменьшается при переходе от малого Re к повышенному.
В слабый ветер (при малых Re) передняя сторона мачты создает турбулентную зону, которая расширяется за мачтой. Разница в сопротивлении между мачтами круглого и профилированного сечения в этом случае пренебрежимо мала (рис. 1). В свежий ветер (при повышенном Re) турбулентная зона за мачтой сужается и общее сопротивление падает. Число Рейнольдса, при котором происходит падение сопротивления, называется критическим (Reкр).
На рис. 2, а показан характер обтекания типичной профилированной мачты. Значительное улучшение обтекания, показанное на рис. 2, б, является результатом установки вдоль передней кромки мачты троса, который играет роль турбулизатора и создает постоянную узкую турбулентную зону, вплотную охватывающую мачту.
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
1) мачты толщиной до 10 см менее эффективны при скорости ветра менее 15 узл.;
2) для повышения качества парусного вооружения рекомендуется любыми путями понизить величину Reкр.
Известно, что Reкр может быть понижено различными способами, например созданием шероховатой поверхности на входящей кромке или использованием любого другого стимулятора местной турбулизации (рис. 3). Этот способ хорошо известен в самолетостроении. Эффективность искусственной турбулизации потока особенно заметна на мачтах эллиптического сечения. Однако применение турбулизаторов снижает сопротивление мачты только при малых Re; при больших Re они, напротив, повышают ее сопротивление.
Аэродинамический профиль (рис. 4, а), которому соответствует усиленная мачта без вант, является наиболее эффективным. К сожалению, его эффективность становится ощутимой при силе ветра, которую не способна выдержать ни одна яхта (υ = 60—70 узл.). На рис. 4, б показан действительный характер обтекания такой мачты при реальных силах ветра. Как видно, турбулизация потока происходит примерно по тому же принципу, что и у обычной мачты.
На рис. 4, в видно, что круглая мачта меньшего сечения вызывает возникновение менее широкой турбулентной зоны.
Таким образом, оказывается обоснованным парадоксальное явление — наиболее эффективны старые мачты круглого сечения с наружной проводкой такелажа.