Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 2)
Większość najnowszych jachtów regatowych ma groty o kształcie zbliżonym do ćwiartki elipsy. W jachtach turystycznych natomiast obowiązuje nadal trójkątny obrys żagla głównego. Czy z punktu widzenie aerodynamiki eliptyczny obrys grota góruje nad trójkątnym?
Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 1)
Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 3)
Natura ma zawsze rację. To ona właśnie „wymyśliła” kształt eliptyczny, taki jakie mają skrzydła najlepszych „lotników” wśród ptaków. Naukowcy już dawno – bo jeszcze przed drugą wojną światową – testując w tunelach aerodynamicznych różne formy skrzydeł samolotu, uzasadnili korzyści, jakie płyną z takiego obrysu w przypadku prędkości, przy których można pominąć efekt ściśliwości powietrza.
Szkodliwy opór
Oszczędźmy sobie szczegółowych wywodów z aerodynamiki. Rzecz w tym, że jednym z ważniejszych, a jakże często niedocenianych, okazuje się tzw. opór indukowany. Wynika on z samej istoty działania skrzydła czy żagla, a więc z faktu wytwarzania przez te płaty siły nośnej. Już z uproszczonego, teoretycznego rozkładu podciśnień wytwarzanych na zawietrznej i nadciśnień – na nawietrznej stronie prostokątnych skrzydeł samolotu (rys. 1) widać, że na jego końcach mamy do czynienia z sytuacją mocno niestabilną. Różnica ciśnień powietrza bowiem musi zostać wyrównana. Spowoduje to więc na krawędzi płata przepływ powietrza z nawietrznej na zawietrzną. W efekcie powstanie wir brzegowy. Jego szkodliwa energia osłabia nie tylko sprawność aerodynamiczną samego płata, ale także powoduje wzrost sumarycznego oporu o dodatkowy składnik, tzw. opór indukowany (w domyśle przez siłę nośną). Zależy on głównie od rozwijanej przez skrzydło lub żagiel siły nośnej, ale nie tylko. Można go obliczyć z następującego wzoru:
Di = K x (L2/Sm)
gdzie: K – współczynnik zależny od obrysu żagla, jego skrętu, odległości bomu od pokładu i innych czynników;
L – siła nośna rozwijana przez skrzydło lub żagiel;
Sm – smukłość żagla (wydłużenie).
Przepływ powietrza wokół krawędzi płata z nawietrznej na zawietrzną sprawia też, że maleje efektywność zwłaszcza jego partii końcowych. Jak więc widać, płat prostokątny to nie najlepszy pomysł, gdy zamierza się minimalizować opór indukowany. Tym gorszy, im mniejsze jego wydłużenie, a więc większa szerokość (cięciwa płata) w stosunku do długości (rozpiętości).
Eliptyczny najlepszy?
Zdrowy rozsądek podpowiada nam całkiem prosty sposób na likwidację oporu indukowanego: różnica ciśnień na końcach płata powinna być bliska zeru, wręcz nie powinna istnieć. Badania i analiza teoretyczna dokładnie to zresztą potwierdziły. Ale ważny też, z punktu widzenia oporu indukowanego, okazał się sposób, w jaki ta różnica ciśnień zbliża się do zera.
Najmniejszy opór indukowany osiąga się wówczas, gdy rozkład podciśnień na górnej części płata ma kształt eliptyczny (rys. 2). Rzecz w tym, jak ustalił niemiecki uczony Max Munk jeszcze przed drugą wojną światową, że opór indukowany staje się najmniejszy wówczas, gdy strugi powietrza będą jednakowo odchylone w każdym przekroju przez skrzydło czy żagiel (na każdej jego wysokości). Płat eliptyczny właśnie spełnia ten warunek.
Nie da się tego osiągnąć w przypadku prostokątnego płata samolotu. Z drugiej strony, ten ostatni ma jedną ogromną zaletę – prostą konstrukcję. Próbowano go więc „ratować” przez takie skręcenie jego końcowych partii, by zmniejszyć stopniowo kąty natarcia. Dzięki temu malały też stopniowo ciśnienia i podciśnienia na nich. Tym samym jednak konstrukcja tego płata traciła wyraźnie na prostocie. Inny skuteczny sposób ograniczenia wiru brzegowego polega na wydłużaniu płata, powiększeniu jego smukłości, tak by krawędź jego końca miała możliwie niewielką długość (cięciwę). To dlatego właśnie skrzydła wyczynowych szybowców są tak bardzo wydłużone.
Jak widać, jedynym logicznym rozwiązaniem problemu uzyskania eliptycznego rozkładu podciśnień okazała się jednak budowa skrzydeł o eliptycznym obrysie (rys. 2). Ale produkcja tego rodzaju płata to już zdecydowanie wyższa szkoła jazdy: wraz z rozpiętością zmienia się bowiem nie tylko cięciwa, ale i grubość profili. Pierwsi zdecydowali się na podjęcie tego wyzwania angielscy konstruktorzy tuż przed drugą wojną światową, budując eliptyczne skrzydła myśliwca Spitfire. Niemcy w wyścigu o prędkość nie poszli tą drogą, postawiwszy na prostotę. Ich Messerschmitt Me 109 miał skrzydła o obrysie trapezowym z zaokrąglonymi końcami, co dawało wprawdzie tylko przybliżenie eliptycznego rozkładu podciśnień i ciśnień, ale za to były o wiele prostsze w budowie.
Zawirowania wokół żagli
Przyjrzyjmy się bliżej mechanizmowi powstawania wirów brzegowych przy opływie żagla (rys. 3). Jak wiadomo, powietrze przemieszcza się od ciśnienia wyższego do niższego, toteż na nawietrznej i zawietrznej stronie żagla, w pobliżu jego wierzchołka i przy podstawie, dążąc do wyrównania ciśnień, powietrze „przecieka” z nawietrznej (wysokie ciśnienie) na zawietrzną stronę (niskie ciśnienie). Patrząc z góry na żagle, można by – stosując metody wizualizacji przepływu – dostrzec także odchylenie strug wywołane przez ustawienie żagli względem wiatru pod pewnym kątem natarcia (rys. 3). Z kolei w rzucie bocznym tzw. linie prądu, reprezentujące ślad toru cząsteczki powietrza w kolejnych chwilach podczas opływu żagla, w jego środkowej części są niemal równoległe do siebie, natomiast na jego górnej i dolnej krawędzi odchylają się (rys. 4) na nawietrznej stronie ku brzegowi, na zawietrznej zaś ku środkowi żagla. W efekcie na brzegach, górnym i dolnym, tworzą się właśnie opisywane już wyżej wiry brzegowe (rys. 5).
Mimo przewagi obrysu eliptycznego konstruktorzy jachtów turystycznych uporczywie trwają przy trójkątnej formie. Skąd ten tradycjonalizm, żeby nie powiedzieć wstecznictwo? Na to pytanie odpowiemy w następnym odcinku.
