Prześcignąć wiatr: ślizganie vs. latanie

Żeglowanie powyżej prędkości granicznej nie jest wynalazkiem ostatnich dekad historii jachtingu. Już w XIX w. próbowano konstruować jachty zdolne do rozwijania dużych prędkości. Przeszkodą była ówczesna technologia oraz… przepisy pomiarowe, stosowane w regatach, dyskryminujące „latające półmiski”, jak wówczas zwano takie jednostki (np. Scow), jednak ich budowa nie była prosta ani tania.

Dziś nie ma problemu z konstrukcją odpowiednio lekkich i wytrzymałych kadłubów, zwłaszcza od czasu upowszechnienia się laminatów w budownictwie jachtowym oraz lekkich i wydajnych żagli.

Jak już wykazałem w poprzednim odcinku cyklu, nie wystarczy jednak lekki jacht i żagle o dużej powierzchni, by wprowadzić jacht w ślizg. Odpowiedni stosunek masy do długości (tzw. współczynnik Taylora) oraz powierzchni żagli do masy jachtu to nie jedyne warunki. Kadłub jachtu, a zwłaszcza jego część zanurzona, musi mieć odpowiednie kształty.

Płaskość sprzyja ślizganiu

Zasadnicza różnica między jachtem do żeglugi wypornościowej, czyli o współczynniku Taylora (wyporu względnego) przekraczającym 100, a jednostką do żeglowania w ślizgu (T < 100) tkwi w kształtach przekrojów części podwodnej kadłuba (rys. 1 a i b). Przekroje poprzeczne jachtu turystycznego, zwłaszcza morskiego, w części podwodnej są bardziej zakrzywione, natomiast te jednostek ślizgowych – zdecydowanie bardziej płaskie.

Inny też jest przebieg linii stępki w obydwu typach jachtów. Kadłuby jednostek wypornościowych, czyli turystycznych, odznaczają się większą krzywizną tej linii niż kadłuby predestynowane do żeglowania w ślizgu. W tym przypadku chodzi o możliwie maksymalne wykorzystanie „powierzchni nośnej” dna, wytwarzającej udźwig dynamiczny. Im bardziej bowiem zakrzywione przekroje poprzeczne i wzdłużne kadłuba, tym szybciej zanika ciśnienie oddziałujące na powierzchnię, wobec tego trzeba większej siły napędowej, by wprowadzić jacht w ślizg.

Wiedzą o tym konstruktorzy jachtów motorowych, zwłaszcza tzw. power boatów, przewidując tym większą moc silników napędowych, im bardziej skośno-denne projektują przekroje kadłuba. Dodatkowo siła, udźwigu dynamicznego dna o przekrojach ostrego „V” maleje ze względu na kierunek jej działania. Wynika ona bowiem z sumy składowych wytwarzanych na obu częściach dna kadłuba (rys. 2).

Sposoby na wady płaskości

Wynikałoby z powyższego, że idealny kadłub do ślizgu powinien być zupełnie płaski. Racja, ale tylko teoretycznie, ponieważ taki ideał okazał by się całkowicie niestabilny kierunkowo i poprzecznie. Uformowanie dna w głębsze lub płytsze V ustatecznia jacht, zapobiegając myszkowaniu i niekontrolowanemu kołysaniu.

W przypadku jachtów żaglowych pojawia się jeszcze jedna przeszkoda: muszą one, również te ślizgowe, w miarę sprawnie żeglować również na słabszych wiatrach. Wymusza to kompromis w projektowaniu kadłubów ślizgowych, no może z wyjątkiem regatowych jachtów morskich, np. Mini 6.50, IMOCA 60 czy Volvo Ocean 65, których „hektary” żagli kompensują większe opory na słabych wiatrach. Zapas ich stateczności wytworzony przez wychylny kil z bulbem i balasty wodne sprawia, że ślizg uzyskują nawet w pełnym bejdewindzie (rys. 3).

W ślizgowych jolach mieczowych problem napędu rozwiązuje nienajnowszy już wynalazek trapezu. Załoga lub załogant balastujący na trapezie jak w 470-ce, FD czy krajowej Sigmie Active wytwarza odpowiednio duży moment prostujący, pozwalający na postawienie spinakera lub genakera rozwijającego wraz grotem siłę napędową niezbędną do wejścia w ślizg. W trakcie badań ustalono, że minimum tej siły powinno być równoważne 5−10 proc. wyporności jachtu. Jeszcze bardziej efektywnie wykorzystuje się tzw. żywy balast na australijskich skifach, na których załoga balastuje na trapezie opierając się na wysięgniku (rys. 4). Zwiększa to wydatnie ramię momentu prostującego.

Naukowcy ustalili, że dla jachtu ślizgowego miarą możliwości rozwijania odpowiednich prędkości nie jest długość kadłuba, lecz jego szerokość. Zasada ta jednak obowiązuje w ograniczonym zakresie, zwłaszcza dla jachtów żaglowych. Konstruowanie bardzo szerokich jednostek, zwłaszcza morskich, mija się bowiem ze zdrowym rozsądkiem choćby dlatego, że im szerszy jacht, tym większe jego opory ruchu.

Trzeba było znaleźć sposób na powiększenie stateczności bez powiększenia powierzchni zmoczonej i dokładania balastu. Wychylny kil z bulbem i balasty wodne nie wystarczyły. Sięgnięto po od dawna znane rozwiązania, ale w jachtach jednokadłubowych dotychczas nie stosowane, implementując tzw. system dynamicznego wspomagania stateczności. To nic innego jak hydroskrzydło, tyle że ruchome, wysuwane z kadłuba w zależności od halsu, na zawietrzną (rys. 5a). Płat o profilu niesymetrycznym generuje siłę hydrodynamiczną, stwarzając dodatkowy moment prostujący, tym większy, im szybciej żegluje jacht. Przyrost stateczności zależy oczywiście od kwadratu prędkości, powierzchni hydropłata i cech jego profilu. Na słabych wiatrach hydroskrzydło można całkowicie schować wewnątrz jego poziomej skrzynki w kadłubie.

Foile nie dla turystów... jeszcze

Rzecz wygląda zbyt pięknie, by prognozować, że oto już wkrótce jachty nawet turystyczne wyposażać się będzie w ten system. Składa się on bowiem z tylu podlegającym silnym obciążeniom części ruchomych, że jak na razie nie grzeszy ani taniością, ani niezawodnością. Napęd hydroskrzydła został zresztą opatentowany na całym świecie. Póki ktoś nie wymyśli prostszego systemu, nie ma co myśleć o upowszechnieniu takiego sposobu ustatecznienia jachtu. Szkoda, bo umożliwiałby on wcześniejsze ślizganie się nawet jachtom węższym i nieco cięższym. Zwróćmy uwagę, że siła hydrodynamiczna nie tylko ustatecznia jacht, ale redukuje także wypór kadłuba, tym samym zmniejszając jego powierzchnię zmoczoną. Słowem – dwa w jednym, a nawet trzy, ponieważ w kilku najnowszych bolidach regatowych hydroskrzydła z zakrzywioną końcówką stwarzają w przechyle siłę bocznego oporu, zastępując w ten sposób boczne miecze (rys. 5b).

Na razie jednak system dostępny jest dla najbogatszych armatorów ścigających się w tak prestiżowych regatach jak np. Sydney – Hobart. Czy jesteśmy świadkami końca epoki unoszenia się na wodzie dzięki prawu Archimedesa i ślizgania się po niej? Może to początek ery latania nad nią?