Prześcignąć wiatr. Tłumaczymy opory ruchu jachtu
Jacht będzie tym ostrzej i szybciej żeglował na wiatr, im mniejsze będą jego opory – zarówno hydrodynamiczne, a więc wynikające z ruchu kadłuba w wodzie, jak i aerodynamiczne, zależne od sprawności ożaglowania i części nadwodnej kadłuba, pokładu i takielunku. Jak te opory zminimalizować?
Ze względu na różnice gęstości wody i powietrza łatwo przewidzieć, że opory ożaglowania będą miały mniejszy wpływ na ostrość żeglugi i prędkość niż opory kadłuba. Całkowity opór ruchu kadłuba można podzielić na: opór tarcia, wynikający z podstawowej cechy wody (płynu), jaką jest lepkość, i opór falowy, wynikający z przemieszczenia cząsteczek wody podczas ruchu kadłuba. Rosną one wraz z prędkością w niejednakowym stopniu. Znajduje to potwierdzenie na wykresie oporów w funkcji prędkości względnej jachtu (rys. 1). Można zaobserwować, że przy mniejszych prędkościach przeważa opór tarcia, a przy większych dominuje opór falowy.
Na wielkość oporu tarcia największy wpływ ma powierzchnia zmoczona podwodnej części kadłuba, liczona w stosunku do jego wyporności. Minimalną wartością tego parametru charakteryzuje się zanurzona w wodzie półkula. Ten kształt mało nadaje się na kadłub jachtu, który przecież powinien jednak mieć dziób i rufę. Powiększenie zanurzenia i zaokrąglenie przekrojów podwodnej części kadłuba minimalizuje stosunek powierzchni zmoczonej do wyporności, tym samym zmniejszając jego opory przy mniejszych prędkościach. Ale tylko do pewnych granic, zależnych od typu kadłuba.
Optymalny przekrój
Pełną analizę kształtów pod kątem optymalizacji ich powierzchni zmoczonych w stosunku do wyporności umożliwiają programy komputerowe. W celu unaocznienia i oszacowania wpływu kształtu przekrojów części podwodnej kadłubów na wielkość ich powierzchni zmoczonych uprościłem to zadanie, sprowadzając je do obliczenia stosunku obwodu zwilżonego wrężnicy Ow do powierzchni jej części podwodnej. Zakłada się, że wszystkie powierzchnie podwodne wrężnic mają wartość równą 1 (np. 1 m²), zmienia się zaś stosunek szerokości wodnicy Bwl do zanurzenia z dla różnych typów przekrojów poprzecznych kadłuba, przedstawionych na rys. 2. Z obliczeń wynika, że najmniej korzystny pod tym względem, w całym zakresie obliczanych wartości, okazuje się kształt trójkątny (sharpie), jaki tworzy zanurzona część wrężnicy z powierzchnią wody. Najkorzystniej pod względem oporów tarcia (powierzchni zmoczonej), tzn. wykazujący najmniejszy stosunek obwodu zmoczonego do powierzchni wrężnicy, jest przekrój okrągłodenny, przy proporcji szerokości wodnicy Bwl do zanurzenia z równej 2.
CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU
Mniejsze stosunki obwodu zwilżonego wrężnicy do jej powierzchni zanurzonej generuje kształt zbliżony do prostokąta. Zdecydowanie najkorzystniej pod tym względem wypada jednak kształt półeliptyczny, przy większych zaś stosunkach Bwl/z – trapezowy, charakterystyczny dla kadłuba typu skipjak.
Dość dobre rezultaty pod tym względem daje też przekrój prostokątny z zaokrąglonymi rogami. Pożądane minimum oporu niemal dla wszystkich kształtów osiąga się, gdy Bwl przyjmuje 2 razy większą wartość niż z. Dla przekroju półeliptycznego uzyskuje się to, gdy staje się on półokręgiem. Ten warunek minimum obwodu zwilżonego dotyczy wszystkich analizowanych kształtów, dla których uzyskuje się najmniejszą wartość dla tych samych proporcji szerokości wodnicy do zanurzenia (Bwl/z).
Do tego ideału można się zbliżyć tylko w części dziobowej jachtu, ponieważ w przechyle środek wyporu jachtu o takich wrężnicach przemieszczałby się niewiele (lub w ogóle dla przekroju półkolistego) na zawietrzną. Aby się nie przewrócić, powinien mieć bardzo nisko umieszczony środek ciężkości, jak w modelach regatowych (rys. 3). Zapewnia to bulb zamocowany na końcu długiej płetwy balastowej. Nie są to jednak odpowiednie proporcje wrężnic kadłuba dla jachtów turystycznych ze względu na stateczność i pojemność wnętrza.
W przechyle
W rozważaniach tych celowo założono, że jachty żeglują na równej stępce. W przechyle kształty przekrojów części podwodnych znacznie się zmieniają. Przykładowo: przekrój trójkątny w przechyle zmienia się na korzystniejszy (trapezowy) pod względem oporów tarcia (rys. 4), zmniejszając radykalnie szerokość wodnicy (Bwl).
W przechyle zmieniają się też znacznie zarówno kształty części podwodnej kadłuba, jak i proporcje szerokości wodnicy do zanurzenia. Przy około 15º przechyłu najbardziej redukują się opory tarcia w przypadku kadłubów typu sharpie (trójkątny). Również przechylone kadłuby okrągłodenne zmniejszają swą powierzchnię zmoczoną. Najmniej skorzysta pod tym względem skipjak.
Doświadczeni żeglarze regatowi wiedzą, że nie należy prowadzić łódki zupełnie prosto przy słabych wiatrach, gdy o prędkości decydują opory tarcia. Wówczas trzeba jacht nie tylko przechylić, ale i przegłębić na dziób. Dotyczy to jednak tylko niewielkich jednostek, których załoga jest odpowiednio dużą częścią masy całkowitej. Jej przesuniecie w kokpicie w kierunku dziobu da w konsekwencji efekt przegłębienia. Takie działanie spowoduje zwężenie wodnicy i wzrost zanurzenia. Stosunek zanurzenia do szerokości wodnicy powiększa się zwłaszcza w przekrojach podwodnej przedniej części kadłuba (rys. 2). Jego partie rufowe natomiast, charakteryzujące się niekorzystnym stosunkiem szerokości wodnicy do zanurzenia, wynurzą się z wody. Dzięki temu powierzchnia zmoczona przegłębianego na dziób kadłuba wydatnie się zmniejszy.
CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU
Przegłębienie wraz z jednoczesnym przechyłem może spowodować zmniejszenie powierzchni zmoczonej nawet o 15 proc. i wzrost prędkości jachtu. Pożądany stopień przegłębienia i przechyłu jachtu zależy od charakterystyki kadłuba. Załoga powinna metodą prób ustalić optymalne wartości tych parametrów – oczywiście tylko na słabych wiatrach.
Większość współczesnych jachtów ma kadłuby okrągłodenne, które jednak różnią się między sobą i to zdecydowanie. Z grubsza można je podzielić na dwie podkategorie: słabo- i silnowiatrowe. Z obliczeń przedstawionych na rys. 2 wynika, że z dwu kadłubów o tej samej wyporności i długości linii wodnej większy potencjał prędkości na słabych wiatrach będzie wykazywać ten o węższej wodnicy, bardziej zanurzony. Ważny jest także przebieg linii stępki – im bardziej ugięta, tym mniejszych spodziewać się można oporów tarcia, także w warunkach słabego wiatru.
