항해의 물리학

비행기 날개와 같은 돛과 용골은 베르누이의 원리를 이용한다. 공기역학 및 유체역학적 통찰력은 설계자가 더 빠른 범선을 만들 수 있도록 도와준다.

 

풍력

움직이는 공기는 돛과의 상호작용을 통해 돛단배를 추진하는 데 사용될 수 있는 운동 에너지를 가지고 있다. 비행기 날개처럼 돛은 베르누이의 원리를 이용한다. 비행기 날개는 윗면 위로 이동하는 공기가 아랫면을 따라 이동하는 공기보다 더 빠르게 움직이도록 설계되었습니다. 그 결과 날개 아래보다 날개 위의 압력이 낮아진다. 압력 차이는 윙에 의해 제공되는 리프트를 생성한다.
압력차가 전적으로 베르누이 효과에서 발생하는지 아니면 부분적으로 날개의 충격과 공기의 방향 전환에서 발생하는지에 대한 많은 논의가 있다. 고전적인 날개 이론은 모든 양력을 베르누이 효과의 탓으로 돌리고 날개 위와 아래의 풍속 차이를 날개의 비대칭적인 단면 형상의 탓으로 돌린다. 그러나 위아래 대칭 날개가 공격 각도라고 불리는 위쪽으로 기울어진 채로 공기를 통해 이동함으로써 양력을 제공할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 날개의 대칭성에도 불구하고, 바람은 여전히 날개 아래보다 날개 위쪽에서 더 긴 경로를 경험하고 따라서 더 빠른 속도를 경험한다. NASA의 한 웹사이트는 비행기 날개에 의한 상승에 대한 다양한 기여에 대한 훌륭한 논의를 가지고 있다. 1 그것은 전통적인 단순한 날개 이론에 이의를 제기하고, 양력은 유체의 흐름의 회전에 의해 생성된다는 것을 강조한다. 범선의 경우도 비슷하다. 돛은 거의 항상 휘어져 있고 공격 각도로 바람에 노출되어 있다. 돛의 "위쪽" 즉, 바람을 타고 내려가는 쪽으로 이동하는 바람은 더 긴 경로를 택할 수밖에 없다. 그래서 주변의 움직이는 공기의 존재는 돛의 "아래쪽" 즉, 바람이 부는 쪽을 따라 지나가는 공기보다 더 빠르게 움직이게 한다. 측정 결과 돛에서 멀리 떨어진 기압에 비해 상승풍 쪽이 더 높고 하강풍 쪽이 더 낮은 것으로 확인되었다.

 

풍향에 수직인 돛의 경우, 풍향에 수직인 상태에서 풍향에 따른 압력 증가가 풍향에 따른 압력 감소보다 크다. 보트를 바람이 불어오는 방향으로 점점 더 돌리면, 이러한 차이가 역전되기 때문에, 바람이 보트의 움직임에 수직일 때, 바람이 불어오는 쪽의 압력 감소는 바람이 불어오는 쪽의 압력 증가보다 더 크다. 거의 직접 바람을 향해 항해하는 보트의 경우, 풍하 쪽의 압력 감소는 풍하 쪽의 압력 감소보다 훨씬 더 크다.
할 수 있는 것을 실험하면서, 초보자는 몇 가지 놀라운 결과를 발견한다. 선원들은 돛의 가장 빠른 지점(바람 방향에 대한 보트의 움직임 방향)이 바로 바람을 타고 내려가는 것이 아니라는 것을 잘 알고 있다. 돛단배는 바람이 (옆에서) "빔"으로 오는 상태에서 보트가 움직일 때 가장 빨리 움직인다. 이는 쉽게 이해할 수 있습니다. 돛단배가 바람을 타고 바로 내려갈 때, 그것은 바람보다 더 빨리 움직일 수 없다. 왜냐하면, 풍속에서는 돛이 바람을 느끼지 못하기 때문이다. 사실, 바람을 타고 내려가는 보트는 물을 통해 움직이는 것에 항상 약간의 저항이 있기 때문에 결코 풍속에 도달할 수 없다.
하지만 보트가 바람에 수직으로 움직일 때, 보트의 속도는 돛에 가해지는 바람의 힘을 감소시키지 않는다. 사람들은 돛을 운동 방향과 바람 방향으로 약 45° 설정한다. 보트의 평형 속도는 돛의 바람의 거의 일정한 힘과 물을 통한 보트의 움직임에 대한 저항에 의해 결정된다. 만약 저항을 작게 만들 수 있다면, 속도는 클 수 있다. 그것은 매우 적은 저항으로 얼음 위에서 스케이트를 타는 세일 아이스 보트에서 가장 극적으로 볼 수 있다. 그들은 시속 50킬로미터의 속도로 바람을 맞으며 150킬로미터를 넘는 속도로 활공할 수 있다. 물론 물을 헤치고 가는 돛단배들은 훨씬 더 많은 저항을 경험한다. 그럼에도 불구하고, 일부 특수 제작된 범선들은 풍속의 두 배 이상의 속도에 도달했다.

 

용골

돛단배는 단순히 바람을 타고 표류하는 것이 아니라 자신이 가리키는 방향으로 이동하는 데 도움이 되는 무언가가 필요하다는 것은 수세기 전에 인식되었다. 정답은 용골이었다. 현대 날개 이론이 발전하기 전까지는 옆으로 미끄러지는 것을 막기 위해 길고 깊은 용골이 필요하다고 생각되었다. 그러나 돛단배가 바람의 양쪽으로 움직이려면 용골이 대칭이어야 한다.
용골은 보트의 움직임이 정확히 그것이 가리키는 방향이 아닐 때만 작동한다. 보트가 약간 옆으로 움직이고 있는 게 틀림없다. 그 "잡는" 동작에서, 용골은 공격 각도와 함께 물을 통해 움직인다. 바람 속의 돛과 마찬가지로, 그것은 용골의 "높은" (더 하류) 쪽의 물이 더 빨리 움직이게 하고 더 낮은 압력을 발생시킨다. 다시 말하지만, 용골의 순 양력은 높은 쪽의 압력 감소와 다른 쪽(낮은)의 압력 증가의 조합에 기인한다. 용골 리프트는 돛이 제공하는 리프트와 거의 반대 방향의 지점을 생성했다. 두 벡터는 보트의 운동 방향에 수직인 구성 요소로 분해될 수 있다. 균형 있게 움직이는 범선, 즉 일정한 방향으로 일정한 속도로 움직이는 범선의 경우 범선과 용골의 횡양력 요소는 서로 상쇄된다. 돛에서 움직이는 방향으로 움직이는 힘의 구성 요소는 실제로 보트를 앞으로 움직이는 힘이다. 평형 운동의 경우, 그 힘은 킬 리프트의 반대 성분과 총 저항력에 의해 균형을 이룬다.
비행을 위해 지난 100년 동안 개발된 날개 이론은 가장 효율적인 날개가 길고 좁다는 것을 나타낸다. 날개 끝에서 생성되는 소용돌이는 에너지를 소모한다. 길고 좁은 날개는 리프트 대 와류 소멸의 비율을 극대화하여 주어진 날개 표면적에 대해 최상의 성능을 제공한다. 그것은 범선 돛과 용골에도 적용된다.
이제 가장 효율적인 용골은 앞에서 뒤로 좁고 깊다는 것이 인식되고 있다. 그러한 용골은 오래된 긴 용골보다 훨씬 적은 표면적을 가질 수 있다. 면적이 적다는 것은 저항이 적다는 것을 의미한다. 아메리카 컵 경주에 사용되는 것들과 같은 대부분의 현대적인 경주용 범선들은 깊고 좁은 용골을 가지고 있는데, 이것은 옆으로 미끄러지는 것을 방지하는 데 필요한 리프트를 제공하는 데 매우 효율적이다. 물론, 그러한 용골은 얕은 물에서 레크리에이션을 하는 선원들에게 문제가 된다.