Czy jacht turystyczny może żeglować w ślizgu?
Słyszy się i czyta w Internecie dyskusje żeglarzy na temat: czy jacht turystyczny może żeglować w ślizgu? Wiele wyrażanych na tych forach opinii ignoruje prawa fizyki. Spróbujmy odpowiedzieć precyzyjnie na pytanie, co warunkuje możliwość osiągnięcia prędkości większej niż tak zwana wypornościowa?
Odpowiedź wiąże się z tematem omawianym w poprzednim artykule, a dotyczącym roli masy i bezwładności jachtu. Niektóre jachty śródlądowe są tak ciężkie, mają tak bogate wyposażenie, że na 100 procent można powiedzieć, że o żegludze w ślizgu ich armatorzy mogą tylko pomarzyć.
Ale nie tylko odpowiedni stosunek mocy żagli do masy wyróżnia jachty konstruowane do osiągania dużych prędkości. Ogromne znaczenie mają też inne niż dla pływania wypornościowego proporcje parametrów kadłuba. Na to wskazuje choćby potoczna obserwacja kształtów kadłubów motorówek. Tę intuicyjną wiedzę potwierdzają zależności matematyczne, jakie wynikają z prób i badań prowadzonych przez naukowców. Ich prezentacja wymaga jednak powrotu do istoty samego zjawiska ślizgu, ale w nieco rozszerzonym ujęciu.
Udźwig od oporu
Podczas żeglowania kadłub jachtu, rozpychając cząsteczki wody, napotyka różnego rodzaju opory, np. opory ciśnienia lepkości czy opory falowe. Wytwarzają one ciśnienie hydrodynamiczne działające na kadłub, generując siły skierowane przeciwnie do kierunku ruchu. Jeśli ich wypadkowa ma odpowiednią wielkość, jej składowa pionowa potrafi wynurzyć przynajmniej częściowo kadłub z wody. A ciśnienie hydrodynamiczne staje się tym większe, im szybciej jacht żegluje. Mielibyśmy zatem do czynienia z typowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym, gdyby nie ograniczenia wynikające z mocy żagli i przyrostu oporów. Naukowcy ustalili, że prawdziwy pełny ślizg jacht może uzyskać, gdy prędkość względna (liczba Froude’a) przekroczy wartość 0,7. Wówczas następuje wyraźna przewaga udźwigu hydrodynamicznego nad hydrostatycznym (rys. 1), objawiająca się unoszeniem środka ciężkości jachtu.
CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU
Kwestię udźwigu hydrodynamicznego i żeglowania w ślizgu tłumaczy uproszczony przykład płaskiej płytki poruszającej się względem wody pod określonym kątem (rys. 2). Wskutek wyhamowania prędkości wody do zera w pewnym jej punkcie, zwanym punktem spiętrzenia, całe ciśnienie dynamiczne prędkości zamienia się w ciśnienie statyczne (rys. 3). W tym miejscu opływ płytki dzieli się na dwie części: jedna skierowana do przodu przeciw kierunkowi napływu wody, i druga – skierowana ku tyłowi (rys. 2 i 3). Stopniowo jednak, w miarę oddalania się od punktu spiętrzenia ku krawędziom płytki, również bocznym, spada ciśnienie statyczne. Bryzgi, czyli tzw. spray skierowany do przodu, nie mają jednak wielkiego zasięgu, zatem ciśnienie w tym kierunku spada szybciej. Ciśnienie, działając na powierzchnię płytki, tworzy prostopadłą do niej siłę hydrodynamiczną. Jej składowa pionowa unosi płytkę, natomiast składowa pozioma to nic innego jak całkowity opór przeciwstawiający się ruchowi jachtu.
Kadłub to nie płytka
W przypadku kadłuba jachtu rzecz jest nieco bardziej skomplikowana. Do oporów hydrodynamicznych dokładają się opory wynikające z hydrostatyki, jak przedstawiono to na schemacie oddziaływania sił na płytkę. Kadłub nie wynurza się tak jak ta płytka całkowicie z wody. Na przednią i tylną jego część działają więc ciśnienia, które niekoniecznie się równoważą, tym bardziej w ślizgu, gdy pawęż jest zanurzona (rys. 4). Trzeba też uwzględnić inny ważny składnik oporów, a mianowicie tarcie, skierowane równolegle do powierzchni kadłuba, przeciwdziałające ruchowi. Wprawdzie jego część pochodząca od bryzgów (spray) ma kierunek przeciwny, ale tylko w niewielkim stopniu redukuje całość tego składnika oporów. Gdyby nie istniało tarcie, to w przypadku płytki opory zależałyby wyłącznie od jej masy i kąta trymu. Dla rzeczywistego kadłuba jachtu rozkład ciśnień dynamicznych podczas żeglugi w ślizgu wygląda podobnie jak dla płytki (rys. 4). Niestety, ciśnienie spada jeszcze szybciej w kierunku brzegów kadłuba, ponieważ jego dno nie jest zupełnie płaskie. Ma też ograniczoną szerokość. W jachtach motorowych hamuje się ten spadek, stosując uskoki na kadłubie, tzw. redany. Kadłuby motorówek są też zdecydowanie szersze niż jachtów żaglowych. Zasadność takich proporcji potwierdziły badania nad oporami podczas żeglowania w ślizgu, prowadzone przez Savitzkiego w Davidson Laboratory. We współczynniku prędkości, podobnym do liczby Froude’a, zamiast długości używa się szerokości kadłuba:
gdzie: g – przyśpieszenie ziemskie;
b – szerokość;
V – prędkość
Wniosek: kadłuby o większym stosunku szerokości do długości efektywniej wytwarzają udźwig dynamiczny podczas żeglugi z dużymi prędkościami. Zasada ta ma ograniczenia, ponieważ szerokie kadłuby charakteryzują się większym oporem falowym niż węższe. Nie mogą też mieć zupełnie płaskiego dna, jak płytka, stałyby się bowiem niestateczne kursowo. Dlatego motorówki mają zazwyczaj przekroje kadłuba w kształcie głębszego lub płytszego „V”. Jachty żaglowe pływające w ślizgu nie mają większego problemu ze statecznością kursową, nawet z podniesionym mieczem, właśnie dzięki wyoblonemu kształtowi części dennej kadłuba.
Inna optymalizacja dla żaglówek
Nie każdy lekki jacht z górą żagli na maszcie potrafi „zabrać się” łatwo w ślizg. Udowodnił to Frank Bathwaite, współkonstruktor australijskich skiffów. Jak zwykle diabeł tkwi w szczegółach, a tu – w liniach części zanurzonej kadłuba. Nie mogą one zupełnie upodobnić się do kadłubów motorówek z wielu powodów, o których było wyżej. Trzeba też pamiętać, że zupełnie inaczej działa „motor” w jachtach żaglowych. Wypadkowa siła napędowa zaczepiona jest bowiem wysoko nad pokładem. Ponadto kadłuby motorówek projektuje się pod kątem uzyskania największych szybkości w ślizgu, nie przejmując się oporami przy mniejszych prędkościach. Jachty żaglowe natomiast muszą pływać również przy słabym wietrze. Dobrym przykładem są wspomniane redany – zwiększają wypór dynamiczny, ale powodują katastrofalny przyrost oporów przy mniejszych prędkościach.
CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU
Projekt jachtu powinien więc uwzględniać jego przeznaczenie. Inne założenia przyświecają konstrukcji jednostki turystycznej, inne regatowej. Kadłub jachtu przeznaczonego do pływania po słonej wodzie też powinien różnić się od kadłuba jednostki śródlądowej. I oczywiście jacht, który ma pływać w ślizgu, nie może należeć do ciężkich...
Artykuł pochodzi z miesięcznika "Żagle" - numer 02/2010. Sprawdź archwium "Żagli"
