Парус является движителем парусной доски, преобразующим энергию ветра в силу тяги. Для того, чтобы правильно изготовить парус и эффективно его использовать при эксплуатации доски, необходимо представлять себе физические основы его работы.
 

Для большинства людей понятна работа паруса на попутном ветре, когда он расположен поперек направления ветра. Поскольку доска не может двигаться с такой же скоростью, что и ветер, поток воздуха обтекает парус по бокам и срывается с его кромок в виде вихрей. На подветренной стороне паруса создается разрежение давления воздуха, на наветренной, о которую ударяют струи воздуха,— повышенное давление. Если просуммировать разность давлений на обеих сторонах паруса по всей его площади, то получится сила сопротивления X, которая движет лодку вперед (рис. 5,а).

В дальнейшем нам часто придется иметь дело с ветром, поэтому сразу же уточним, что понимается под наветренной стороной. Местом отсчета является парусная доска; все что находится со стороны, откуда дует ветер, находится с наветра и называется наветренным (борт, другая лодка, берег и т. п.). Все, что находится в той стороне, куда дует ветер, считается подветренным.
 

Картина работы паруса не изменится и в тех случаях, когда ветер будет дуть под углом к направлению движения лодки, но с кормы. Проекция все той же силы сопротивления X на направление движения дает силу тяги Т.
 

Иное дело, когда доска движется под углом навстречу ветру. Парус начинает работать по другому принципу—аэродинамического крыла (рис. 5,б). Непременным условием движения вперед в этом случае является создание на парусе аэродинамической силы А, которая дает составляющую Т, движущую доску вперед. Для этого парус должен устанавливаться под небольшим углом атаки к ветру а. При этом поток воздуха, встретившись с мачтой, разделяется на две части — подветренную и наветренную; с острой кормовой кромки паруса срывается вихрь, вызывающий круговой поток — циркуляцию воздуха вокруг паруса. Направление этого потока совпадает с общим потоком у подветренной стороны паруса и противоположно ему на наветренной. Вследствие ускорения частиц воздуха на подветренной стороне возникает разрежение, а на наветренной, где движение частиц замедляется, создается повышенное давление. Примерный график распределения разрежения и повышенного давления у паруса показан на рис. 6.

Из него видно, что разрежение намного больше повышенного давления на наветренной стороне, Сумма этих давлений по всей площади паруса и дает аэродинамическую силу А. В данном случае лобовое сопротивление паруса X тяги не создает, а лишь тормозит ход лодки.
 

Нетрудно заметить, что сила тяги много меньше аэродинамической силы А и другой ее составляющей — силы дрейфа Д направленной поперек линии движения доски. Если бы доска не имела удлиненной формы корпуса и киля — шверта, то ветром ее потащило бы вбок. Шверт в данном случае является гидродинамическим крылом, на котором создается сила сопротивления дрейфу R_D, препятствующая боковому сносу доски под ветер. Согласно законам механики при прямолинейном установившемся движении обе силы D и R_D должны быть равны, противоположны по направлению и действовать в одной вертикальной плоскости.

Механика возникновения силы R_D на шверте та же, что и на парусе. Следовательно, шверт при движении доски должен располагаться под определенным углом атаки б к направлению движения. Этот небольшой угол, равный обычно 8—10°, и является неизбежным дрейфом, который должно иметь каждое парусное судно для возможности плавания под углом навстречу ветру.

Величины сил, возникающих на парусе и шверте, прямо пропорциональны массовой плотности среды, в которой они движутся, площади паруса или шверта и квадрату скорости набегающего на них потока. Кроме того, они зависят от формы и профиля, угла атаки и других характеристик паруса и шверта. Поскольку плотность воды в 840 раз больше плотности воздуха, можно получить силу R_D нужной величины при много меньшей (в 25—40 раз) площади шверта, чем паруса.

Сразу же заметим, что направление и скорость потока воздуха, обтекающего парус, отличается от направления и скорости ветра. Ведь при движении лодки даже в штиль ощущается встречный поток воздуха, скорость которого равна скорости лодки. Этот встречный поток необходимо геометрически сложить с вектором истинного ветра, который ощущаешь, стоя на неподвижной доске. В итоге получается вымпельный ветер, который и действует на парус идущей доски. При попутном ветре скорость вымпельного ветра оказывается практически неощутимой; при движении в бейдевинд — навстречу ветру — она может в 1,5—2 раза превышать скорость истинного ветра (рис. 5,б).
 

Теперь обратимся к рис. 7, на котором показана связь между силами, действующими на парус и корпус доски. Важным звеном этой связи является спортсмен, который удерживает за гик парус и воспринимает часть усилий. Другая часть передается на корпус через шарнир мачты. Силы D и R_D стремятся опрокинуть доску, но этому так называемому кренящему моменту противодействует восстанавливающий момент силы веса спортсмена Р, который отклоняется на наветренный борт по мере усиления ветра, и силы плавучести V, поддерживающей доску на воде.
 

Поскольку аэродинамическая сила А действует примерно перпендикулярно поверхности паруса, то при наклоне мачты появляется вертикальная составляющая Z, которая воспринимает часть веса доски со спортсменом, уменьшая ее водоизмещение. При достаточно сильном ветре и большом наклоне мачты к горизонту возможен даже отрыв доски от воды и ее полет над волной (на этом и основано применение прыжковых досок).
 

При движении одновременно с силой сопротивления дрейфу появляется вторая составляющая гидродинамической силы Н — сопротивление воды движению доски R. Она растет по мере роста скорости, пока не будет достигнуто равенство Р = Т. Силу R судостроители условно представляют в виде трех составляющих: сопротивления трения, волнового сопротивления и сопротивления формы.
 

Сила сопротивления трения, возникающая в результате прилипания молекул воды к поверхности корпуса доски и их подтормаживания, зависит от площади смоченной поверхности, ее шероховатости и скорости движения доски.
 

Волновое сопротивление обусловливается затратами энергии на образование и поддержание волн у корпуса при движении доски. Его величина зависит от скорости движения и длины корпуса доски.
 

Сопротивление формы, зависящее от плавности обводов корпуса, наличия резких изломов на его подводной части, профиля поперечного сечения шверта и плавника, занимает в общем балансе сопротивления сравнительно небольшую долю.
 

Для оценки характера волнообразования и соотношения между трением и другими составляющими сопротивления применяют так называемое число Фруда

 

где v — скорость судна в метрах в секунду, L - длина судна в м, g = 9,81 м/с².
 

В зависимости от числа Фруда (или относительной скорости) возможны различные режимы движения парусной доски. В режиме водоизмещающего плавания вес доски с вооружением и спортсменом практически полностью уравновешивается архимедовой гидростатической силой поддержания. Этот режим характеризуется числом Фруда, меньшим 0,3. В переходном режиме, когда 0,3 < Fг < 0,8, на корпусе парусной доски возникает значительная вертикальная гидродинамическая сила, воспринимающая часть сил веса и вызывающая уменьшение осадки. При Fг > 1,0 начинается режим глиссирования — скольжения доски днищем по поверхности воды, при котором силы тяжести полностью уравновешиваются гидродинамическим давлением, действующим на днище корпуса.