ОДНО ВЕСЛО НА КОРМЕ РАБОТАЕТ КАК КРЫЛО

Каяки, каноэ и гребные лодки отталкиваются от воды в основном за счёт сопротивления: лопасть протаскивают сквозь воду, а для обратного хода поднимают из неё. Гребля кормовым веслом устроена иначе. Одно длинное весло лежит в выемке или уключине на транце, его лопасть всё время под водой. Гребец, обычно стоя лицом назад, водит рукоять из стороны в сторону — руки выписывают знак бесконечности «∞», — и одновременно поворачивает весло вокруг собственной оси, задавая угол лопасти. Этой техникой до сих пор пользуются в разных частях света, но изучали её в основном этнологи и специалисты по биомеханике. Ж. Рудо (ассоциация Tud Yaouank Ar Mor, Ламполь-Плуарзель), Б. Ожье (IFREMER) и М. Рабо (Университет Париж-Сакле и CNRS) решили рассмотреть её как задачу механики жидкости.

Весло, полное датчиков

Их опытная лодка длиной 4,74 метра и шириной 1,63 метра весит порожняком около 100 килограммов и имеет длинный неглубокий киль: кормовое весло лучше всего работает с довольно тяжёлой килевой лодкой, потому что весло толкает корму попеременно влево и вправо. Углепластиковое весло длиной 3,62 метра снабжено деревянной лопастью длиной в метр; её поперечное сечение симметрично слева направо и совсем слегка изогнуто.

Датчики измеряли силу рук на рукояти и силу выемки на весле. Два датчика движения следили за веслом и корпусом, а лаг с крыльчаткой, откалиброванный по GPS, измерял скорость. Поскольку весло лёгкое, действующие на него силы почти уравновешиваются, и давление воды на лопасть можно было вывести из двух измеренных сил. Двое опытных гребцов поочерёдно разгоняли лодку на спокойной воде с места до самой большой скорости, какой могли достичь.

Крыло, а затем толчок

Гребок состоит из четырёх фаз: мах в одну сторону, быстрый поворот весла, мах в другую сторону, ещё один поворот.

• Во время махов вода набегает на лопасть под небольшими углами и плавно обтекает её. Лопасть работает как крыло, и лодку движет подъёмная сила. Расчёт по отдельным сечениям вдоль лопасти с помощью стандартной программы для профилей крыла даёт в один из моментов тягу 35 ньютонов против 31 измеренного.
• Во время поворотов лопасть ненадолго встаёт поперёк потока. Обычное сопротивление дало бы лишь от 2 до 10 ньютонов, но команда намерила от 20 до 45. Разница — это присоединённая масса (added mass): лопасть резко ускоряется и должна увлечь за собой объём воды. Их оценка, около 70 ньютонов, достаточна, чтобы объяснить измеренную силу.

Все четыре фазы толкают лодку вперёд, хотя дважды за цикл тяга падает почти до нуля. При 1,2 метра в секунду средняя тяга составила 19,4 ньютона. Левая и правая кромки лопасти поочерёдно становятся передней кромкой — авторы называют это уникальным по сравнению с движением в животном мире, где плавники и крылья обычно сохраняют одну и ту же переднюю кромку. В следе вихри, срывающиеся при каждом развороте, образуют шахматную дорожку, которая уносит воду назад.

65% на крейсерской скорости

Если разделить мощность, переданную лодке, на мощность, которую гребец вкладывает в весло, получится КПД. Он растёт на малой скорости, достигает пика 65 ± 5% около 1,2 метра в секунду, а затем падает примерно до 25% около 2 метров в секунду. Для сравнения авторы приводят около 75% для судового гребного винта на расчётной скорости и для лучшей классической академической гребли.

На высокой скорости, объясняют они, не ладятся две вещи. Чтобы удерживать хороший угол лопасти, руки должны были бы двигаться вбок быстрее, чем удобно человеческому телу. И становится трудно достаточно быстро подтягивать весло назад во время поворотов — вплоть до риска выдернуть его из выемки. Тем временем сам корпус приближается к своей критической скорости, на которой основным сопротивлением становится волнообразование: в испытанном диапазоне требуемая мощность выросла в десять раз, и гребцы не могли идти быстрее, хотя развивали около 300 ватт.

Место для лучшего весла

Команда испытывала намеренно жёсткое весло, чтобы упростить измерения. Настоящие гребцы часто предпочитают некоторую гибкость, и авторы предполагают, что гибкая лопасть, более длинное весло или лопасть, изогнутая вниз, могли бы удерживать лучшие углы на скорости. Проектирование идеального весла для такой лодки, заключают они, «требует множества компромиссов, в том числе с мощностью, которую развивает гребец».