Яким чином рухається вітрильне судно? Очевидно, що причиною руху є тиск вітру на вітрило. Але, що дивно, вітрильне судно може рухатися не тільки в ту сторону, куди дме вітер, а й в протилежну (ну, майже в протилежну, під гострим кутом, змінюючи галси, але тим не менше переміщаючись проти руху вітру). Які ж фізичні принципи руху судна проти вітру?
Розглянемо сили, що діють на яхту, що йде під вітрилом під гострим кутом до вітру. Сила, що діє на вітрила, може бути розкладена на силу, яка викликає крен і знос яхти під вітер, - силу дрейфу і силу тяги (див. Рис). Подивимося, як визначається повна сила тиску вітру на вітрила і від чого залежать сили тяги і дрейфу.
Щоб уявити роботу вітрила на гострих курсах, зручно спочатку розглянути плоский вітрило. який відчуває тиск вітру під певним кутом атаки. У цьому випадку за вітрилом утворюються завихрення, на вітряної сторони його виникають сили тиску, на підвітряного - сили розрідження. Їх результуюча R спрямована приблизно перпендикулярно до площини вітрила. Для правильного розуміння роботи вітрила її зручно представити у вигляді рівнодіюча двох складових сил: Х-спрямованої паралельно повітряному потоку (вітрі) і Y-перпендикулярної йому.
Сила X, спрямована паралельно повітряному потоку, називається силою лобового опору; вона створюється, крім вітрила, ще й корпусом, такелажем, рангоутом і екіпажем яхти.
Сила Y, спрямована перпендикулярно повітряному потоку, називається в аеродинаміці підйомної силою. Вона на гострих курсах створює тягу в напрямку руху яхти.
Якщо при тому ж лобовому опорі вітрила Х підйомна сила збільшується, наприклад, до величини Y1, то, як показано на малюнку, рівнодіюча підйомної сили і лобового опору зміниться на R і відповідно сила тяги Т збільшиться до Т1.
Залежність сил тяги і дрейфу від підйомної сили і лобового опору вітрила
З цього креслення видно, що зі збільшенням лобового опору Х (при тій же підйомній силі) тяга Т зменшується.
Таким чином, є два шляхи збільшення сили тяги, а отже, і швидкості ходу на гострих курсах: збільшення підйомної сили вітрила і зменшення лобового опору вітрила і яхти.
У сучасному вітрильному спорті підйомну силу вітрила збільшують надаючи йому увігнуту форму з деякою «Пузата»: розмір від щогли до найбільш глибокого місця «пуза» зазвичай становить 0,3-0,4 ширини вітрила, а глибина «пуза» -близько 6-10 % ширини. Підйомна сила такого вітрила на 20-25% більше, ніж абсолютно плоского майже при тому ж лобовому опорі. Правда, яхта з плоскими вітрилами йде трохи крутіше до вітру. Однак з «пузатими» вітрилами швидкість просування в лавірування більше завдяки більшій тязі. Зауважимо, що у пузатих вітрил збільшується не тільки тяга, але і сила дрейфу, а значить, крен і дрейф яхт з пузатими вітрилами більше, ніж з порівняно плоскими. Тому «Пузата» вітрила більше 6-7% при сильному вітрі невигідна, тому що збільшення крену і дрейфу призводить до значного підвищення опору корпусу і зниження ефективності роботи вітрил, які «з'їдають» ефект збільшення тяги. При слабких вітрах краще тягнуть вітрила з «пузом» 9-10%, так як через малу загального тиску вітру на вітрило крен невеликий.