Obalamy mity: jaka jest maksymalna prędkość jachtu?
Powszechne wśród armatorów jachtów turystycznych przechwałki na temat "kosmicznych" prędkości uzyskiwanych przez ich bolidy można włożyć między bajki. Nie da się przechytrzyć praw fizyki. Jakie więc jest realna prędkość przeciętnego jachtu turystycznego?
RYSUNKI ZNAJDZIECIE NA DOLE ARTYKUŁU
Hydrodynamicy już dawno dowiedli, że w okolicach prędkości granicznej, gdy jacht żegluje, wytwarzając falę o długości zanurzonej części kadłuba, opór falowy rośnie wykładniczo w miarę wzrostu prędkości, nawet do szóstej jej potęgi. Udowodniono też, że stromość krzywej oporu zależy od masy jachtu. Wznosi się tym ostrzej, im jacht jest cięższy. Jak widać to na krzywych oporów falowych (rys. 1), najmniejsze różnice w oporze falowym między ciężkim i lekkim jachtem identycznej długości występują przy małych liczbach Froude’a (małych prędkościach).
Przebieg krzywych oporów jednak wykazuje nieregularności, ma wyraźne wzniesienia i doliny. Owe „dołki” i „górki” na krzywych odpowiadają prędkościom, przy których zachodzi interferencja negatywna lub pozytywna fal dziobowych i rufowych. Ostatnie wzniesienie na krzywych oporów powstaje zazwyczaj dla liczby Froude’a wynoszącej nieco powyżej 0,4 (przypomnijmy że liczba Froude’a Fr = w/(gL)0,5). Wtedy jacht żegluje z prędkością graniczną, tworząc jedną falę na całej długości wodnicy. Według Froude’a więc nie da się żeglować szybciej niż z prędkością:
w = 2,41(Lwl)0,5
(prędkość w węzłach, a długość linii wodnej Lwl w metrach).
Maksymalna prędkość jachtu - jak pokonać barierę?
Najprostsza odpowiedź? Zamontować silnik zaburtowy lub po prostu przesiąść się na jacht motorowy. A tak zupełnie na poważnie ujęte wzorem bariera jest niemal nie do przekroczenia dla ciężkich jachtów turystycznych. Stać się tak może jedynie podczas zjazdu z odpowiednio stromego zbocza fali. Do siły od żagli dodaje się wówczas składowa siły grawitacji. Siła będzie tym większa, im fala bardziej stroma (rys. 2). Bez pomocy fali pokonać ją mogą jedynie wielokadłubowce oraz lekkie jachty regatowe, nawet morskie (np. Open 60) o odpowiedniej mocy pędnika, czyli dużej powierzchni żagli.
Wyrwanie się z pułapki fali rufowej, pozwalające na przejście z żeglugi wypornościowej do ślizgu (ang. planning), to problem do rozwiązania dla konstruktorów, budowniczych i samych żeglarzy. Przebieg krzywej oporu falowego zależy bowiem od wyporności oraz kształtu części podwodnej jachtu. Pełne dzioby i ostro zakończone części rufowe podwodzia powiększają opór falowy, zwłaszcza przy większych prędkościach. Wiadomo więc, dlaczego projektanci współczesnych jachtów przeważnie unikają tego rodzaju brył kadłuba.
Gdy jacht żegluje na jednej długości fali, następuje wygaszenie fali rufowej, dzięki czemu wzniesienie na krzywej oporów przesuwa się w kierunku większych niż 0,4 wartości liczb Froude’a. Dotyczy to szczególnie kadłubów o dużej wyporności części rufowej, np. w jachtach Open 60 czy Mini 6.50, a także nielekkich Micro turystycznych (tzw. cruiser), ważących z załogą ponad 800 kg przy 5,5 m długości. W trakcie testów „Żagli” większość jachtów tej ostatniej klasy żeglując baksztagiem przy wietrze powyżej 4B, regularnie przekraczała prędkość 7 w. Zgodnie z teorią falową ich prędkość graniczna wynosi zaledwie 5,2 w.
Podobne rozbieżności między teorią Froude’a i osiągami występują w przypadku jachtów do regat transatlantyckich typu Mini 6.50 (6,5 m długości). Zgodnie z nią nie mają one prawa żeglować szybciej niż 6,4 w, podczas gdy w regatach z łatwością przekraczają 10 w. Źródeł tej rozbieżności należy upatrywać nie tylko w niewielkiej masie, ale także w kształcie kadłuba Mini 6.50 – o szerokiej rufie i płaskim dnie (rys. 3) oraz ogromnej powierzchni żagli stawianych na kursach pełnych.
Nowoczesne regatowe jachty morskie mają nie tylko odpowiednio małą masę i dużą powierzchnię żagli, ale również kadłuby o kształtach umożliwiających żeglugę w ślizgu, czyli o niewielkiej krzywiźnie linii stępki, szerokiej pawęży oraz o stosunkowo płaskim dnie. Natomiast szerokie rufy w jachtach turystycznych, zwłaszcza śródlądowych, to raczej dążenie do funkcjonalności, powiększenia kokpitu i wnętrza pod nim, szczególnie w niewielkiej jednostce. Nikt rozsądny nie powinien jednak liczyć, że ciężki „hotelowiec” może żeglować w ślizgu.
Różnice w kształcie też wpływają na prędkość jachtu
O prędkości jachtu żaglowego decydują nie tylko kształty kadłuba i jego długość, lecz także proporcje podstawowych parametrów, np. stosunek wyporności do długości czy ożaglowania do wyporności. Jacht lżejszy o nowocześniejszych liniach kadłuba wymaga mniejszej siły napędowej do rozwinięcia tej samej prędkości niż jacht ciężki o konwencjonalnych kształtach. Wniosek ten potwierdzają testy w basenie hydrodynamicznym uniwersytetu w Delft. W ich trakcie uzyskano przebiegi krzywych stosunku oporu resztkowego (opór całkowity minus opory tarcia) do wyporności w funkcji liczby Froude’a dwu tej samej długości kadłubów różniących się wypornością oraz kształtem (rys. 4). Kadłub cięższy miał tradycyjne linie wodne z załamaniem owręża na linii stępki, natomiast lżejszy – bardziej współczesne, obłe kształty podwodzia.
Różnice oporów resztkowych między jachtem ciężkim i lekkim są mniejsze przy słabych wiatrach, a ujawniają się dopiero przy większych prędkościach (liczbach Froude’a). Aż do liczby Froude’a równej 0,2 przebiegi krzywych oporu różnią się nieznacznie i dopiero od tej wartości krzywa dla kadłuba cięższego wznosi się bardziej stromo.
Naukowcy ustalili też przybliżone zależności między oporem resztkowym a prędkością względną (liczbą Froude’a) dla kadłubów o podobnych kształtach. Dla Fr < 0,45 opory te w przybliżeniu są proporcjonalne do wyporności (masy jachtu). I tak np. przy liczbie Froude’a poniżej 0,3 stanowią one 0,3 ÷ 0,4% wyporności jachtu, przy Fr = 0,35 wzrastają do 0,7 ÷ 0,8%. Rozwinięcie jeszcze większych prędkości, np. odpowiadających Fr = 0,4, wymaga już siły napędowej 2 ÷ 2,5% wyporności, a przekroczenie bariery prędkości granicznej (Fr = 0,45) co najmniej jej podwojenia (4,5 ÷ 5,5% wyporności). Stąd m.in. bierze się duża prędkość nowoczesnych, zbudowanych w technologii high-tech, lekkich jachtów regatowych.
Zasada ta ma swe ograniczenia wynikające ze stateczności, dla której istotne okazują się również proporcje balastu do masy jachtu i położenie środka ciężkości. Nie oznacza to jednak, że tradycyjne kształty kadłubów trzeba odesłać do lamusa czy muzeum jachtingu, mają one bowiem wiele innych zalet. To jednak odrębny temat.
CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU
