Jak usztywnić miękki żagiel?
Sztywne żaglopłaty katamaranów walczących w regatach o Puchar Ameryki to rozwiązanie awangardowe pod każdym względem: aerodynamicznym, technicznym i… finansowym. Wyprzedza normalne koncepcje ożaglowania o wiele, wiele lat. Na razie nie zapowiada się, by tego typu groty upowszechniły się na zwykłych jachtach turystycznych, choćby z ostatniego, finansowego powodu, nie wspominając o, delikatnie mówiąc, nikłej praktyczności tego ożaglowania. Przynajmniej na razie.
Jeszcze długo zatem będą w jachtingu niepodzielnie królowały miękkie groty stawiane na zwykłych masztach, tyle że coraz cieńszych i lżejszych, za sprawą postępu technologicznego. Materiały zwane do niedawna egzotycznymi (takie jak laminaty węglowo-epoksydowe) straciły bowiem już na swej egzotyczności, a maszty z nich wykonywane coraz częściej stawia się nie tylko na jachtach żaglowych regatowych, ale również i turystycznych, zwłaszcza, oczywiście, większych i droższych.
Sposoby na pozbycie się masztu
Wynalazcy i naukowcy nie ustają jednak w wysiłkach zamienienia żagla na skrzydło. Z niekorzystnym oddziaływaniem masztu na opływ grota próbowano sobie od dawna poradzić na różne sposoby. Oprócz tych omówionych w poprzednim odcinku cyklu najczęściej próbowano "schować" maszt w żaglu, którego przednia część jest przedłużoną kieszenią (rys. 1).
Taki zestaw maszt-żagiel przynosi podobne efekty, takie jak zmniejszenie oporu i przyrost wypadkowej siły aerodynamicznej co zastosowanie masztu profilowanego. Warunkiem jednak jest odpowiednio cienki profil drzewca, tak by krawędź natarcia nie była zbyt "tępa", o zbyt dużym promieniu. Ponadto tego rodzaju zestaw możliwy jest wówczas, gdy maszt jest wolnonośny, bez takielunku. Ogranicza to ewentualne jego zastosowanie do niewielkich joli, ożaglowanych jako ket.
Innym pomysłem pozbycia się masztu przez jego "schowanie" testowano w jednym z tegorocznych numerów francuskiego miesięcznika "Voile et Voiliers" (nr 509/2013). Żagiel miał ożebrowanie o kształcie kroplowym (rys. 2), wewnątrz tego ożaglowania, po postawieniu żagli, ukrywał się maszt.
Efekty testów porównawczych z identycznym jachtem z ożaglowaniem konwencjonalnym (grot plus fok) wykazały lepszą wydajność aerodynamiczną pomysowego rozwiązania, zwłaszcza na kursach ostrych i pełnych baksztagach.
Niestety, podobnie jak w sytuacji opisanej wyżej, szanse na jego upowszechnienie przekreśla nadmierna komplikacja i niepraktyczność. Wymagany jest tu bowiem także maszt wolnonośny, co, w przypadku mniejszych jednostek, oznacza duży jego ciężar. Skomplikowany system zmiany krzywizny (desymetryzacji) profilu nie ułatwia też zwrotów przez sztag. Gruby profil żagla jest ponadto bardzo czuły na zmiany kąta natarcia. Maksimum siły aerodynamicznej uzyskuje już przy kącie natarcia 10 – 15o, podczas gdy konwencjonalny miękki żagiel dopiero przy 25 – 30o (rys. 3).
A jednak na takich właśnie dwu żaglopłatach z tkaniny, ale o grubym niesymetrycznym profilu, postawionych na wolnonośnych masztach własnoręcznie wykonanego 15-metrowego jachtu pewien Francuz wraz z dwójką dzieci i żoną przepłynął po morzach, niemal dookoła świata, 60 tys. mil bez poważniejszych awarii. Chwalił sobie brak takielunku oraz łatwość refowania w przypadku sztormowej pogody.
Gruby żagiel jak pierwsze skrzydła
Jeszcze dalej idą pomysły całkowitego przekształcenia żagla w płat o "grubym" profilu niesymetrycznym, ale wykonanym całkowicie z tkaniny żaglowej. Maszt zostaje wówczas ukryty wewnątrz żagla, który przypomina raczej skrzydła samolotów z pionierskiego okresu lotnictwa (rys. 4).
Profil tego żaglopłata formowany jest dzięki gęstemu ożebrowaniu. Musi ono być jednak odpowiednio elastyczne, zamocowane suwliwie na krawędzi spływu, by po zmianie halsu móc zmienić krzywiznę profilu żagla na odwrotną. Do sterowania tą operacją służy system cięgien.
Tego rodzaju ożaglowanie pod nazwą Omer Wing Sail wykonane przez słoweńską żaglownię One Sails postawiono na seryjnym Elanie 37. Wolnonośny maszt jednak jest cięższy o blisko 50 kg niż ten o klasycznym takielunku. Jedną z zalet żagloskrzydeł jest brak łopotu, tak charakterystycznego dla zwykłych żagli. Różnica w kosztach nie jest aż tak przepastna, jakby się wydawało, bo mimo drogiego węglowego samonośnego masztu, żeber i podwójnej tkaniny, nie płaci się za osprzęt, liny i okucia pokładowe niezbędne w klasycznym takielunku.
Miękki żagiel = duża deformacja
Wróćmy jednak do rzeczywistości, czyli do zwykłych żagli stawianych na maszcie wzmocnionym linami takielunku stałego. Technologia ich wytwarzania oraz materiały zmieniły się znacznie od czasów żagli bawełnianych. Jednak problemy, z jakimi borykali się żaglomistrzowie i użytkownicy (żeglarze), zupełnie nie zniknęły. Nawet żagle wykonane z tkaniny poliestrowej nie gwarantują stabilnego kształtu ich profili: deformują się po pewnym czasie ich użytkowania. Wada ta wynika z charakteru obciążeń, jakim są poddawane. Te bezpośrednie wynikają z wstępnego napięcia lików, pośrednie zaś z działania wiatru wytwarzającego podciśnienia na zawietrznej i nadciśnienia na nawietrznej (rys. 5) wybrzuszonego żagla.
Nie wdając się w szczegółową analizę tych naprężeń, można wyciągnąć z tego prosty wniosek: korzystne byłoby takie ułożenie tkaniny w żaglu, by kierunki jej największej wytrzymałości zgadzały się z kierunkami głównych naprężeń. Te z kolei okazują się najbardziej skoncentrowane wzdłuż lików, zwłaszcza tylnego i dolnego w grocie oraz wszystkich trzech w foku.
Postulatu tego nie dało się spełnić w przypadku tkaniny bawełnianej oraz poliestrowej zwanej dakronem. Tylko naprężenia mniej więcej zgodne z kierunkiem włókien wątku lub osnowy nie powodowały deformacji zmarszczek i nieregularności profilu żagla. Te o kierunku zbliżonym do diagonalnego zniekształcały żagiel tym bardziej, im mniej gęsta była jego tkanina (rys. 6).
W pewnym stopniu problem ten rozwiązała kalandracja (powierzchniowe zespolenie wątku i osnowy) tkaniny poliestrowej, a w jeszcze większym – zastosowanie tzw. kroju radialnego (rys. 7). Bryty tkaniny w żaglu układa się tak, by włókna wątku zgadzały się jak najdokładniej z kierunkiem obciążeń spiętrzających się w rogach grota, foka czy spinakera.
Ale nie jest to jedyny, i wcale nie najnowszy, sposób usztywnienia konwencjonalnych żagli. Najnowsze technologie to jednak temat na kolejny tekst.
