О чем думает (виртуальный) шкипер

[ugputu]

Парусные яхты продвигаются вперед за счет того, что на паруса, поставленные под небольшим углом к ветру, действует подъемная сила той же природы, что на крылья самолета (перпендикулярно поверхности).
Если лодка стоит носом прямо против ветра (угол 0 градусов к ветру), паруса невозможно поставить так, чтобы они тянули лодку вперед, то есть лодка в принципе не сможет продвигаться к цели. Для провижения вперед, лодку ведут в лавировку - направляют вперед и в сторону, а потом поворачивают симметрично линии ветра, и опять продвигаются вперед, заодно компенсируя ненужное смещение в сторону. Для данных лодок оптимум (максимум продвижения против ветра) - 42 градуса.
По мере отворачивания от ветра (уваливания) скорость постепенно растет, а потом плавно понижается вплоть до курса прямо по ветру (180 градусов), но уже не до нуля. Скорость растет в первую очередь потому, что по мере уваливания можно, удерживая паруса под одним и тем же углом к ветру, отклонить их дальше от диаметральной плоскости лодки. Вектор тяги также отклонится вперед, увеличивая желаемую продольную составляющую и уменьшая боковую - паразитный кренящий момент. Кроме того, по мере уваливания, угол между парусом и ветром перестает быть ограничивающим фактором, поэтому паруса можно заменять на более «пузатые» и большие по площади, что опять же увеличивает тягу.
Причина падения скорости в том, что на лодку действует не только ветер вокруг лодки (истинный), но и ветер, возникающий при движении лодки вперед. Результирующая (вымпельный ветер) всегда смещена к носу (за исключением курса 180 градусов) и до некоторого курса к ветру (зависящего от скоростных качеств лодки) будет сильнее истинного ветра навстречу ветру и бортом к нему, и слабее когда лодка «убегает» от ветра. Для данных лодок, способных идти даже несколько быстрее ветра, максимальная скорость достигается под углом к ветру между 90 и 130 градусами (зависит от силы ветра), а потом падает. Точно по ветру лодка идет почти вдвое медленнее, поэтому курсом 180 или даже 160 градусов идти не выгодно. Оптимальное продвижение по ветру будет если вести лодку под углом 140 градусов к ветру, поворачивать, как это делали при продвижении против ветра, и опять идти курсом 140.
С силой (скоростью) ветра проще — прирост скорости почти пропорционален ветру, чем сильнее дует — тем быстрее идет лодка. Зависимость, правда, не линейная. В сильный ветер лодкам приходится преодолевать сопротивление среды (в первую очередь волны). При этом лодки, идущие против ветра (и волны), теряют больше, чем идущие по ветру.

Итак, самый выгодный ветер для яхт — сильный, примерно перпендикулярно курсу или чуть в корму. Чем больше ветер отличается от идеала, тем медленнее идет лодка. С учетом необходимости идти загзагом, можно с уверенностью сказать, что хуже слабого попутного ветра только слабый встречный.
Осталось проложить курс так чтобы как можно дольше идти в "правильном ветре" и нигде надолго не застрять. К сожалению, это нетривиальная задача.


Возьмем карту ветров в Атлантике за любой день. В ней почти наверняка найдутся и широкие ровные потоки свежего ветра, разделенные полосами ветра неустойчивого, и обширные области почти без ветра внутри (антициклоны, густо синего цвета на карте, ветер вращается по часовой стрелке в северном полушарии, и против в южном), и тугие спирали циклонов (крутятся наоборот, против и по часовой стрелке соответственно):

Некоторые потоки ветра (1-3) дотаточно надежны. Хотя ветер непризнанного Южного океана (3) и переменчив, но в этих широтах куда чаще встречаются циклоны, чем антициклоны, ветер там почти всегда достаточно сильный, и обычно дует с запада на восток. Большая часть кругосветных плаваний без захода в порты (или с заходом в Австралию) проходила именно в районе 40-55 градусов южной широты. Пассаты (1 и 2) не так сильны, но гораздо стабильнее.
Старт первого этапа был в Испании, и понятно было, что к маяку у берегов Бразилии (красный флажок) нужно было идти с пассатом 1, и стараться попасть в пассат 2 так, чтобы идти не против ветра, то есть, по возможности, восточнее. Основная сложность была в том чтобы разумно быстро преодолеть полосу неустойчивых ветров между нами (чуть к северу от экватора). Среди яхтсменов бытует убеждение, что чем дальше к западу, тем проще это сделать...
Куда идти от маяка у берега Бразилии в направлении на Кейптаун было неочевидно. Точно не против пассата — лавировка против ветра увеличивает расстояние в 1.4 раза, "срезать угол" (об этом в следующей части) негде, и скорость на лавировке ограничена. В самом общем виде план заключался в том чтобы идти поперек пассата, пробираясь к «ревущим сороковым» (3), с ними на восток, и у самого Кейптайна найти «окно» чтобы пробиться из потока западного ветра в поток восточного. Главная неопределенность была в том как прорваться на юг с разумно сильным ветром, не обходя слишком далеко. На карте выше ответ очевиден — по черной стрелке между циклоном Х и антициклоном к востоку. Увы, когда наш флот проходил маяк, бродячих циклонов в прогнозах не было, всю область, очерченную розовым пунктиром, занимал громадный гадский антициклон с исчезающе слабым ветром, тогда как у берегов Бразилии ветер был сильным и устойчивым (розовая стрелка). Часть лидеров пошла на прорыв через антициклон, часть — в обход:

Оранжевая линия - указатель дистанции от организаторов, синяя и черная линии - лидеры прорывавшихся сквозь антициклон, зеленая - один из лидеров западной группы, красная - мой путь.

К сожалению, мы так и не узнали, какой из вариантов был выгоднее. В океане обнаружили здоровенный айсберг, и участникам регаты запретили заходить южнее 40й параллели на участке между 20 и 10 градусами западной долготы. Запретная зона находится к югу от зеленой линии, ограниченной флагами. Это ограничение лишило идущие западным путем лодки шанса первыми "оседлать" сильные западные ветры, и лидеры западных пришли на финиш в четвертой сотне. Если бы действие запрета не распространили на виртуальные лодки, у них был шанс выиграть регату.
Ну и, конечно же, все, кто пытались идти к Кейптауну по оранжевой линии, безнадежно отстали. По схеме выше видно, что все четыре выделенные траектории виртуальных лодок примерно в те же 1.4 раза длиннее оранжевой прямой, что и путь лавирующихся против пассата, но большую часть времени мы шли с попутным ветром, а не встречным.

Посмотреть как шли реальные лодки можно по этой ссылке (рекомендую перематывать двигая ползунок, иначе слишком медленно получится).
Основных отличий два. Во-первых, на подходе к Гибралтару я (красная линия) немало отыграл у флота, лавируя против ветра прямо посередине пролива:

Реальные лодки не могли себе этого позволить из-за встречного течения, и вынуждены были держаться берегов, тогда как наш симулятор о течениях просто не знает.
Второе отличие кажется мне более важным. Весь реальный флот шел вторую часть маршрута вместе, западным путем. Никто не пытался рисковать, удаляясь от остальных шести лодок. Между борьбой с флотом, и борьбой с ветром, все предпочли бороться с флотом - держаться разумно близко к соперникам, ловить их на ошибках, стараясь обойти пусть ненамного, но идя предельно консервативно. Причина проста. Уверенные в своей скорости экипажи вполне могут расчитывать быть в верхней половине флота если только не наделают грубых ошибок. Вероятность того, что шесть других шкиперов ошибаются, и только один ты прав достаточно мала, выигрыш от удачного решения невелик (победа вместо, предположим, третьего места), а проигрыш велик (последнее вместо того же третьего). Даже сделав ошибку и отстав, рисковать далко от финиша невыгодно. Есть шанс, что если кто-то из соперников ошибется, его удастся догнать, если только не уйти слишком далеко от флота, не отстать слишком далеко. И в реальной гонке было немало впечатляющих прорывов. Ошибки делают все, нельзя только в них упорствовать.
Виртуальных же лодок СЛИШКОМ МНОГО. Надеяться побить всего только десять тысяч гоняющихся всерьез шкиперов* чтобы получить хоть какой-нибудь приз, действуя консервативно, маловероятно. Наоборот, нужно быть готовым рискнуть. Почти наверняка каждый сколько-то обещающий вариант будет соперниками обнаружен, найдутся и те, кто его испробует, и их будут сотни, а то и тысячи. Нужно каждый раз выбирать быстрейший вариант, иначе победы не видать. Реальные лодки сражаются в первую очередь за победу во всей регате, и для них важен результат каждой гонки. У виртуальных гонщиков в борьбе за главный приз в зачет идет только 6 лучших этапов из 9, и призы за выигрыш каждого этапа весьма привлекательны. Разнаые цели означают разные стратегии, тогда как местные течения или несовпадение ветра - всего лишь тактика. /из-за технических ограничений ветер в мире виртуальной регаты дважды в сутки менялся рывком, фактически, мы шли в том ветре, который реальные лодки проходили несколькими часами раньше/

На тактику сегодня сил уже нет, да она и не была завлена. О ежедневной работе по выбору маршрута постараюсь завтра. Если успею - там надо будет изрядно постараться чтобы изложить сколько-то стройно и компактно.

Бонусом сегодня официальное видео о первом этапе (4'48").

Comments

[blk-104.livejournal.com]

Спасибо. На английском мне сложно, нашёл объяснение с чертежами на русском: http://howitworks.iknowit.ru/paper63.html
Вроде понял, получается, что силу поворачиваем дважды, каждый раз -- меньше чем на 90 градусов, но в сумме -- больше.

[ugputu.livejournal.com]

Про поворот силы мне плохо понятно.
Да, если парус поставить под правильным углом к потоку (грубо, 10-20 градусов), то на парусе будет сила перпендикулярно его поверхности, то есть да, под углом чуть меньше 90 градусов к ветру. Ты это называешь "поворотом"?
Какой поворот ты считаешь вторым и как получается больше 90?

[blk-104.livejournal.com]

Да, я это называю "поворотом". Мне так легче понять. То есть изначально имеется некоторая сила, направленная не в том направлении, в котором мы хотим двигаться, и для того, чтобы её использовать, её надо "повернуть" — при помощи какого-то устройства преобразовать в другую силу, направленную туда, куда нам надо.

Первый поворот даёт парус, поставленный под углом, преобразуя силу ветра в силу, с которой парус действует на лодку. Эта сила направлена ещё не туда, куда нам надо, поэтому при помощи шверта сила преобразуется ещё раз. После второго преобразования получается направление, повёрнутое относительно исходного направления (направления ветра) больше чем на 90 градусов, что и называется "против ветра". Так?

[ugputu.livejournal.com]

Долго-долго бурчал, а потом все же заставил себя согласиться. По результату таки да, вращает, хотя и с огромными потерями.
Мне, конечно, привычнее считать, что отсекает ненужное, и отсекая, меняет дрейф на крен, то есть опять же вращает, но совсем не в той плоскости, которую мы рассматриваем. Но все равно соглашусь.

[blk-104.livejournal.com]

А, интересно, если вместо всего этого поставить ветрогенератор и электромотор и таким способом обращать усилие в нужном направлении, потери будут ещё больше?

[ugputu.livejournal.com]

А уже существуют сколько-то эффективные ветрогенераторы? Мммм, пишут, до 30% энергии потока собирают.
Есть подозрение, что паруса если и менее эффективны в отборе мощности против ветра, дают меньшее лобовое сопротивление, выиграют за счет малого веса и простоты в управлении, поэтому общая эффективность системы с ветрогенератором и близко не сравнится даже против ветра, а по ветру двойное преобразование против спинакера, отбирающего практически 100% энергии с эффективной площади...

[Дэн Кошман (from livejournal.com)]

Практически все современные ветрогенераторы работают с коэффициентом использования энергии ветра около 50%.

[ugputu.livejournal.com]

С удовольствием почитаю. Источником поделитесь?