Co to jest nawietrzność jachtu? Jakie są przyczyny nawietrzności?

Gdzieś w okolicach końca sezonu, w dyskusjach na forach internetowych, wraca temat nawietrzności jachtów. Czy to normalne, że występuje podczas żeglugi i czy jachty nieco nawietrzne są lepsze od tych zrównoważonych? Czy nawietrzność jest immanentną, wrodzoną cechą jachtów jednokadłubowych? I jak sobie ewentualnie z nią radzić?

Co to jest nawietrzność?

Zacznijmy od wyjaśnienia istoty nawietrzności, powodującej nie tylko dyskomfort dla sternika, wyrażający się koniecznością siłowania się z rumplem, ale i stratę prędkości. Czy jacht żaglowy będzie nadmiernie ostrzył i w jakim stopniu zależy od tzw. wyprzedzenia żaglowego.

Jak podaje wikipedia, za "Vademecum żeglarza i sternika jachtowego" Franciszka Habera, "nawietrzność to zjawisko występujące na statkach z napędem żaglowym, polegające na dążeniu jednostki do skręcania w kierunku, z którego wieje wiatr (ostrzenia), mimo neutralnego położenia steru. Zachowanie takie jest spowodowane brakiem zrównoważenia żaglowego, co może być stałą cechą jednostki, lub skutkiem celowego działania."

Geometria kontra aerodynamika

Zazwyczaj jachty projektuje się w taki sposób, by geometryczny środek ożaglowania wyprzedzał również środek oporu bocznego (rys. 1a).

Wyprzedzenie to liczy się w procentach długości KLW jachtu i przeważnie nie przekracza kilku procent. Zależy ono od wielu mniej i bardziej ważnych cech jachtu. Wydawałoby się więc, że jednostki z tak usytuowanym takielunkiem powinny być zawietrzne, przynajmniej w żegludze bajdewindem na równej stępce. Jednak w rzeczywistości środki geometryczne nie pokrywają się z punktami przyłożenia sił wypadkowych (rys. 1b): zarówno aerodynamicznej, oddziałującej na to, co wystaje nad wodę (żagle i kadłub), jak i hydrodynamicznej, wytwarzanej przez podwodną część kadłuba, a zwłaszcza płetwy.

Nie dość tego – żeby projektantom nie było zbyt łatwo, punkty te, zwane środkami parcia, zmieniają swe położenie wraz ze zmianą kursu względem wiatru. Dowiedli tego naukowcy, badając żagle w tunelach aerodynamicznych. Położenie wypadkowej siły aerodynamicznej grota (rys. 2) zbliża się do połowy cięciwy tylko w pobliżu fordewindu (kąta a = 90o względem kierunku wiatru rzeczywistego).

Oznacza to, że nawet jacht zaprojektowany z dużym wyprzedzeniem żaglowym musi być nawietrzny na kursach pełnych. Wypadkowa siła aerodynamiczna żagli jest wówczas najbardziej odsunięta od siły hydrodynamicznej płetw, a ramię momentu obracającego jacht dziobem do wiatru jest największe (rys. 3a). Tak więc żaden jacht na tym kursie nie uniknie nawietrzności, nawet po podniesieniu miecza. Zwykły fok marszowy nie zrównoważy całkowicie momentu pochodzącego od siły rozwijanej przez grot. Lepsze efekty, a więc zrównoważenie jachtu, jak również i zwiększenie prędkości, uzyskuje się, stawiając genuę na wytyku albo, jeszcze lepiej, spinaker. Jego wypadkowa siła aerodynamiczna, wprawdzie większa niż ta od grota, nie jest zbyt odległa od osi jachtu (rys. 3b). Dzięki temu można uzyskać zadowalającą równowagę, a nawet efekt lekkiej zawietrzności, pod warunkiem utrzymania jachtu w poziomie na równej stępce.

Nawietrzność jachtu: sposób na „wywózkę”

Przechył na zawietrzną, nawet niewielki, i brak reakcji sternika oraz załogi grożą tzw. wywózką, czyli gwałtownym wyostrzeniem z pogłębieniem przechyłu. Skąd bierze się taka reakcja? Wróćmy po odpowiedź, analizując równowagę sił jachtu idealne zrównoważonego, nie wymagającego reakcji sternika w żegludze bajdewindem na równej stępce bez przechyłu. Równowaga ta jednak jest bardzo chwiejna i może zostać zaburzona już nawet w niewielkim przechyle (rys. 4). Jest bowiem tak, że linie działania wypadkowych sił (aerodynamicznej Fa i hydrodynamicznej Fh) w miarę powiększania się kąta przechyłu oddalają się. Im większa ta odległość, a więc ramię momentu obracającego jacht na wiatr, tym większy musi być kąt wychylenia płetwy sterowej. Tylko siła przez nią wytworzona może przeciwdziałać skrętowi jachtu, przez przesunięcie punktu przyłożenia wypadkowej siły hydrodynamicznej ku rufie, tak by pokryła się z nową linią działania wypadkowej siły aerodynamicznej, spowodowaną przechyłem.

Nie zawsze jednak gwałtowne kontrowanie sterem skutkuje, płetwa „nie wyrabia”. Przy większym wychyleniu traci bowiem skuteczność, ponieważ w przechyle, szczególnie w nowoczesnych jachtach z szeroką rufą, duża jej część gubi kontakt z wodą. Łódka wyostrza wówczas aż do linii wiatru. Stąd właśnie pomysł na dwa stery o niewielkiej powierzchni w jachtach o szerokiej pawęży (rys. 5). Zawietrzny zawsze pracuje na 100 procent, zanurzony w wodzie, nie podlegając wentylacji czy redukcji powierzchni jak ster nawet głębinowy, ale umieszczony w osi jachtu, nie wspominając już o sterze pawężowym.

Inne przyczyny nawietrzności

Skłonność do nawietrzności wykazują jachty o wyższym i smuklejszym ożaglowaniu. Im wyżej bowiem leży punkt przyłożenia wypadkowej siły aerodynamicznej, tym większe ramię momentu obracającego dziób do wiatru (rys. 4).

Znaczenie ma też kształt podwodzia jachtu, szczególnie szerokość i wyporność jego części rufowej. W przechyle deformacji ulega kształt wodnicy jachtu. Oś tej nowej wodnicy tworzy spory kąt z diametralną jachtu (rys. 6). Wytwarza się nowa równowaga sił hydrodynamicznych sprawiająca, że kadłub ma tendencję do poruszania się mniej więcej zgodnie z kierunkiem nowej osi podwodzia, a więc bardziej pod wiatr. Z tego powodu właśnie jachty o takim kształcie kadłuba projektuje się, zakładając większe wyprzedzenie żaglowe. Również szerokość konstrukcyjnej linii wodnej kadłuba może wpływać pozytywnie na nawietrzność, czyli kadłuby o szerszej wodnicy mogą wykazywać większą tendencję do ostrzenia, zwłaszcza w pogłębionym przez szkwał przechyle.

Z drugiej strony jednak jachty o węższej wodnicy łatwiej się przechylają, dysponują bowiem mniejszą statecznością tzw. początkową, czyli przy mniejszych kątach przechyłu. Moment obracający jacht dziobem do wiatru pojawia się więc przy mniejszej jego sile. Z kolei wodnica tego typu jednostki w przechyle nie ulega takiej deformacji jak w jachtach z większą jej szerokością, niewiele zatem dokładając się do efektu nawietrzności.

Jak widać, wiele parametrów jachtu decyduje o jego zachowaniu się, a zwłaszcza o mniejszej lub większej tendencji do nawietrzności. Możemy jednak z dużą dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że jej stopień zależy od takich podstawowych parametrów konstrukcyjnych, jak:

– wyprzedzenie żaglowe;
– kształt i stosunek szerokości do długości wodnicy konstrukcyjnej;
– powierzchnia i wysokość ożaglowania oraz podział powierzchni między obydwa żagle;
– stateczność.

To jednak nie wszystko, co decyduje o nawietrzności jachtu. O innych jej źródłach oraz o tym, jak ewentualnie z nią walczyć - w kolejnych tekstach.