Jaki powinien być profil masztu?

Maszt to najważniejszy element takielunku. Musi mieć odpowiednią wytrzymałość i sztywność, by nie złamał się jak zapałka przy silniejszym wietrze, ale też trzeba uważać, aby nie miał wyglądu, sztywności i ciężaru słupa telegraficznego. Powinien mieć odpowiedni profil, czyli kształt przekroju poprzecznego. To od masztu zależy możliwość kształtowania grota i jego sprawność – zwłaszcza na kursach ostrych.

Nie tak trudno znaleźć żeglarzy przekonanych, że grubość profilu masztu nie ma znaczenia dla osiągów jachtu. Takim twierdzeniom zadają kłam wyniki badań prowadzonych w tunelach aerodynamicznych. Porównanie biegunowych każdego z zestawów maszt-żagiel o stałym wybrzuszeniu z biegunową żagla bez masztu nie pozostawia żadnych wątpliwości: nie tylko grubość ma znaczenie, ale także sposób połączenia żagla z masztem (rys. 1). Najlepiej więc byłoby pozbyć się tego głównego drzewca. To możliwe, ale niekoniecznie na zwykłym jachcie żaglowym turystycznym, na którym jednak trzeba postawić maszt o odpowiedniej wytrzymałości i profilu.

Wyspecjalizowane huty produkują profile masztowe ze stopów aluminium o różnych przekrojach: kołowych, eliptycznych, parabolicznych czy prostokątnych. Jak wykazały badania, na sprawność grota w dużym stopniu wpływa tzw. cień aerodynamiczny stwarzany przez maszt. Zakłóca on bowiem opływ na mniejszym lub większym obszarze na zawietrznej i nawietrznej grota (rys. 2), tworząc coś w rodzaju pęcherza powietrznego z wirem wewnątrz. Okazuje się, że ów cień zależy od kształtu profilu. Przy tym samym przekroju czołowym (parametr t) największy cień stwarza profil prostokątny (rys. 3a), nieco mniejszy – profil kołowy z zewnętrzną likszparą (rys. 3b), jeszcze mniejszy, profil tzw. kroplowy z wewnętrzną likszparą (rys. 3c) oraz profil eliptyczny. Najlepiej pod tym względem wypada maszt o profilu parabolicznym (rys. 3d).

Który profil doskonalszy?

Bardzo interesujące wyniki dał eksperyment porównujący modele żagli z dwoma różnymi profilami: parabolicznym i eliptycznym o identycznych wartościach osi wzdłużnych i poprzecznych. Przy kącie trymu 25 stopni i kącie natarcia 10 stopni sprawdzono charakterystyki aerodynamiczne modeli dwu zestawów maszt-żagiel, zwłaszcza maksymalne stosunki współczynnika siły nośnej do współczynnika oporu (CL/CD), a więc, zapożyczając terminologię z lotnictwa – tzw. doskonałość płata. Okazuje się, że maszt paraboliczny zdecydowanie mniej zakłóca opływ niż maszt eliptyczny (schematy opływu na rys. 4a i b). Doskonałość zestawu z masztem parabolicznym okazała się bowiem aż o 30 procent większa od zestawu z masztem eliptycznym. Jak wynika z badań prof. Czesława Marchaja, jeszcze lepsze, wręcz rewelacyjne efekty uzyskano, mocując żagiel na krawędzi masztu parabolicznego (rys. 4c). Przyrost doskonałości osiągnął nawet 50 procent. Nietrudno wydedukować, skąd takie rezultaty. Przy takim zamocowaniu opływ na zawietrznej, „ssącej” stronie zestawu przebiega w sposób niezakłócony, podciśnienia powstają już nawet na samej powierzchni masztu. Odbywa się to kosztem wzrostu długości i szerokości obszaru „martwego” powietrza na nawietrznej przymasztowej stronie żagla. Okazuje się jednak, że wir, który tam cyrkuluje, nie ma istotnego wpływu na siłę aerodynamiczną i opór żagla.

Problemy z połączeniem

Wariant ten jednak ma jeden, ale poważny feler: nie sposób go zrealizować w praktyce na pełnowymiarowym maszcie, bez komplikacji połączenia maszt-żagiel. Rzecz nie tylko w większych kosztach czy  zawodności ruchomych połączeń, ale i w nieuchronnym wzroście ciężaru masztu. Niestety, żagiel to nie lotnia. Po zmianie halsu nawietrzna staje się zawietrzną i odwrotnie. Problem rozwiązał przed kilku laty polski wynalazca Wojciech Wierzbowski przez zainstalowanie ruchomej likszpary (rys. 5a). Również zastosowanie podwójnej likszpary, jak na schemacie na rys. 5b, spełnia warunek braku zakłóceń opływu na zawietrznej zespołu maszt-grot. Tego akurat rozwiązania zabrania jednak większość przepisów klas regatowych.

Obydwa sposoby komplikują połączenie maszt-żagiel. Znacznie prościej prezentuje się profil tzw. sercowy z likszparą wprowadzoną do wnętrza profilu (rys. 5c). On także, acz nie do końca, spełnia warunek niezakłóconego opływu na zawietrznej zestawu maszt-żagiel. Jego główną wadą jest niewielka sztywność poprzeczna.

Paraboliczny profil z ruchomą likszparą został zrealizowany i doczekał się implantacji na jednym z jachtów klasy Micro (Gruba 550). Porównanie, jakie przeprowadziłem na wodach jeziora Niegocin z klasycznym profilem firmy Mast na bliźniaczej łódce, wykazało wyraźną poprawę ostrości żeglugi na wiatr, a więc tzw. prędkości VMG (prędkość „czysto na wiatr”). Potwierdzałoby to wnioski z badań prof. Czesława Marchaja, co do przewagi doskonałości takiej konfiguracji masztu i grota. Nie dało się jednak zauważyć istotnych różnic w prędkości na kursach pełniejszych.

Obrotowy z noskiem

Lepsze rezultaty w tej sytuacji, zwłaszcza dla szybko żeglujących katamaranów, daje postawienie obrotowo zamocowanego masztu o wydłużonym profilu kroplowym z parabolicznym „noskiem” . Tego rodzaju zestaw maszt-żagiel pozwala na osiągnięcie większych wartości współczynnika siły nośnej CL niż w przypadku konwencjonalnego zestawu z masztem o tym samym przekroju czołowym. Maszt w katamaranach obracany jest w niewielkim zakresie kątów (maks. 90 stopni), ponieważ wielka prędkość, jaką rozwijają, sprawia, że żeglują przeważnie kursem ostrym względem wiatru pozornego. Coraz częściej stosuje się obrotowe profilowane maszty węglowe na morskich regatowych jednokadłubowcach, takich jak Open 60, również z powodu ich szybkości. W maszty o podobnych profilach, wykonane z dwu rodzajów kompozytu, tyle że zamocowane na stałe, wyposaża się australijskie skify, potrafiące żeglować w ślizgu bajdewindem.

W relatywnie wolnym jachcie turystycznym obrotowy maszt pełniłby rolę typowego kwiatka do kożucha, tym bardziej że nie jest pozbawiony wad. O innych kryteriach doboru masztu w następnym numerze „Żagli”.

CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO? POLUB ŻAGLE NA FACEBOOKU

DOŁĄCZ DO NEWSLETTERA - NAJCIEKAWSZE INFORMACJE DOSTANIESZ OD NAS MAILOWO