Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 3)
Czy uporczywe trwanie przy trójkątnym obrysie grota wynika z błędnych, ale mocno utrwalonych poglądów? Czy taki kształt głównego żagla ma może jakieś zalety? To dalszy ciąg rozważań na temat optymalnego kształtu żagli.
Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 1)
Teoria żeglowania: Nie tylko trójkąt (cz. 2)
Do niedawna rzeczywiście sądzono, że trójkątny obrys grota ma swoje zalety i to nie tylko dlatego, że wir brzegowy w pobliżu głowicy żagla nie obniża jego sprawności aerodynamicznej jak w przypadku innych obrysów, np. prostokątnego. Udowodniono mianowicie, że żagiel trójkątny wytwarza większą siłę aerodynamiczną, zwłaszcza na kursach ostrych, niźliby to wynikało z uwzględnienia jego geometrii.
Współpraca między profilami
Rozpatrzmy dwa przekroje żagla trójkątnego na różnych wysokościach (rys. 1), mające identyczny kształt i wybrzuszenie, lecz różniące się cięciwą, czyli szerokością: pierwszy z nich, dolny (przekrój 1 – 1) ma cięciwę 2 m i strzałkę (głębokość) 20 cm, górny natomiast (przekrój 2 – 2) mierzy proporcjonalnie dwa razy mniej (rys. 1 i rys. 2).
Odchylenia strugi powietrza przed krawędzią natarcia żagla, po angielsku zwane upwash, mają inne bezwzględne wartości kąta na każdym z profili – na większym, dolnym będą dwa razy większe niż na górnym (rys. 2). Przy stałym kącie trymu żagla odchylenie to zwiększa efektywny kąt natarcia na dolnym, większym profilu bardziej niż na górnym. Większe są przyśpieszenia na zawietrznej jego stronie i większa, tym samym, siła aerodynamiczna.
Jednak profile nie są izolowane od siebie. Istnieje coś w rodzaju sąsiedzkiej pomocy: profil dolny wpływa na profil tuż nad nim położony, „użyczając” mu swych warunków opływu. Sąsiadowi więc polepszają się własności aerodynamiczne. On z kolei działa w podobny sposób na najbliższy profil nad nim, i tak dalej... W efekcie profile górnych partii żagla pracują w korzystniejszych warunkach, niżby to wynikało z ich geometrii, prędkości i kąta wiatru pozornego. Analiza i wyniki badań dowodziły skuteczności aerodynamicznej obrysu trójkątnego, zwłaszcza w żegludze na wiatr, potwierdzając zarazem główną jego wadę. Górne partie takiego żagla stają się nadmiernie obciążone.
Niekorzystne wyrównywanie ciśnień
Wierzchołek idealnego trójkąta ma wprawdzie krawędź równą zeru, ale mimo to nie uniknie się powstania wiru brzegowego wokół niego. Wyrównanie się ciśnień następuje bowiem nie tylko przez wierzchołek, ale i topową część liku tylnego (rys.1).
Gorzej przedstawiałaby się sytuacja na liku dolnym, najszerszej części grota, gdyby nie bom i bliskość nadbudówki. Im niżej umieszczony nad pokładem bom, tym większy opór dla powietrza przeciekającego z nawietrznej na zawietrzną. Przeciek ów odpowiada za straty siły napędowej i wzrost oporu. Uwidacznia się to wyraźnie na biegunowej uzyskanej w badaniach modeli grota z bomem w postaci płaskiej płyty zwanej płytą brzegową oraz bez niej (rys.3). W grotach z likiem dolnym zamocowanym do bomu w likszparze pewien rodzaj płyty brzegowej, zapobiegającej przeciekom, stanowi tzw. rybka (półka, rys. 4). Konstruowano też płaskie i bardzo szerokie bomy (tzw. park avenue bom na challengerze „Enterprise”), aby zmniejszyć opory indukowane.
Straty siły aerodynamicznej i opory spowodowane cyrkulacją pionową na foku można natomiast zminimalizować, stawiając go jak najniżej nad pokładem. Stawiany wysoko nad dekiem róg halsowy foka, powiększający szparę między pokładem i likiem dolnym tego żagla, może źle wpłynąć na prędkość i ostrość żeglugi. Należy się jednak pogodzić ze stratami spowodowanymi wirami w pobliżu rogu fałowego foka. Nie ma prostych sposobów na ich likwidację.
Maszt – zło konieczne
Negatywne dla sprawności aerodynamicznej zjawiska te wzmacnia dodatkowo szkodliwa obecność masztu. Duża część grota w pobliżu głowicy praktycznie generuje tylko opór. Dlatego rozkład skuteczności aerodynamicznej trójkątnego grota na kursach ostrych nie pokrywa się z obrysem żagla. To także jeden z powodów wielkiej niezgodności środka geometrycznego ożaglowania z rzeczywistym punktem przyłożenia wypadkowej siły aerodynamicznej. Na kursach ostrych leży on zawsze wyżej i bliżej liku przedniego, niżby to wynikało z geometrii żagla (rys. 4). Jak wykazano, bez szkody dla efektywności aerodynamicznej można obciąć nawet do 10 proc. wysokości trójkątnego grota. A że nie jest to twierdzenie gołosłowne, zaświadczają niemal trapezowe obrysy grotów jachtów morskich klas regatowych z bardzo szeroką głowicą (rys. 5).
Powiększenie cięciwy w górnych partiach żagla redukuje szkodliwy wpływ masztu. Z drugiej strony jednak większa powierzchnia żagla objęta jest oddziaływaniem wiru brzegowego, szerokie cięciwy góry żagla powodują jego odchylanie się nawet przy niewielkich szkwałach, a więc zmniejszenie kąta natarcia. Zmniejsza się opór indukowany, ale również i siła aerodynamiczna – jak nie urok, to przemarsz wojsk... Nie ma rozwiązania całkowicie optymalnego.
Żagiel o zbliżonym do eliptycznego obrysie ma sporo wad użytkowych w porównaniu do tradycyjnego trójkątnego. Na ogół jest cięższy, ponieważ wymaga listew przez całą szerokość, po to, by utrzymać sztywność liku tylnego żagla. Listwy, niestety, swoje ważą. Do utrzymania profilu i sztywności liku tylnego żagla trójkątnego wystarczą krótkie, lekkie listwy. Inna wada pełnolistwowego eliptycznego grota to niechęć do zmiany krzywizny profilu po zwrocie przy bardzo słabym wietrze. Za to na pełnolistwowym żaglu łatwiej zaobserwować jego profil. Często nawet trójkątne groty wyposaża się w listwy przez całą szerokość. Łatwiej się układają na bomie podczas zrzucania żagla. Na niewielkich jachtach grot o wybrzuszonym liku tylnym wymaga zainstalowania achtersztagu na tzw. wędce, luzowanego przed i wybieranego po zwrocie. Na większych natomiast niezbędne są baksztagi (rys. 5). To poważna komplikacja. Z tych powodów w groty eliptyczne wyposaża się, mimo ich zalet, głównie jachty o regatowych ambicjach.
Między grotem całkowicie eliptycznym a trójkątnym da się wyróżnić wiele pośrednich obrysów, jak np. zbliżony do trapezowego („obcięty” grot na rys. 4), który to obrys generuje bardzo zbliżony do eliptycznego rozkład ciśnień, jednocześnie unikając części wad obrysu eliptycznego. Na konwencjonalnych jednostkach turystycznych jednak obrys trójkątny, ze względów właśnie praktycznych, jeszcze długo nie zostanie zdetronizowany, mimo jego nie najlepszej sprawności aerodynamicznej.
