Teoria żeglowania: Obrotowy czy szybrowy? (cz. 1)

Pytanie to wraca jak bumerang w rozmowach żeglarzy czy dyskusjach na forach internetowych: Który miecz jest odpowiedniejszy do żeglowania po śródlądziu – obrotowy czy szybrowy? Odpowiedź wydaje się oczywista. Ale czy na pewno?

Specyfika polskich akwenów śródlądowych z ich nie największą głębokością i pełną niespodzianek batymetrią wskazywałaby na miecz obrotowy jako optymalną wersję powierzchni przeciwdryfowej. I to najlepiej w wersji najpowszechniejszej i najtańszej, czyli miecza z płyty stalowej, odpornego na niespodziewane spotkania z podwodnymi głazami na Śniardwach czy z mieliznami na Bocznym (rys. 1).

Mocny, choć nieefektywny

Ta główna zaleta miecza obrotowego sprawiła, że dominuje on w większości jednostek do czarteru. Ich użytkownicy, żeglując na skróty, nie zdają sobie sprawy, że wody naszych jezior – to nie Atlantyk. Nie ma mowy o jakiejkolwiek choćby szczątkowej znajomości locji akwenów. Przezorni czarterodawcy zaopatrują więc swe coraz większe jednostki w taki właśnie miecz: podnoszony za pomocą talii z linkami tekstylnymi o dużej elastyczności. Linki stalowe, a nawet tekstylne o małym wydłużeniu, jak np. Dynema, nie zdawały egzaminu w tej roli. Nawet te wydawałoby się przewymiarowane potrafiły się zrywać wskutek obciążeń dynamicznych, gdy miecz opadał, po „przejechaniu” przez mieliznę czy podwodną przeszkodę. Linka tekstylna (poliestrowa), mimo swej niższej wytrzymałości, absorbuje energię opadającego miecza, ponieważ, pod wpływem obciążenia, wydłuża się bardziej od stalowej.

Przeczytaj również: Tajemnice lin - Sznurkologia dla żeglarza

Te walory użytkowe obrotowego miecza z płyty stalowej kompensują niejako jego niedoskonałość hydrodynamiczną. W czym rzecz? Otóż miecz o profilu płytowym działa dobrze jako powierzchnia przeciwdziałająca dryfowi tylko przy niewielkich jego kątach, czyli wówczas, gdy żagle wytwarzają niewielką siłę aerodynamiczną Fa. Równoważy ją siła hydrodynamiczna Fh wytwarzana przez miecz. Jego kąty natarcia równoznaczne z kątem dryfu λ (rys. 2) zatem nie powinny być duże. Wynika to z zależności współczynnika tej siły od kąta natarcia (kąta dryfu λ). Warto jeszcze raz przytoczyć tu wykres tej zależności dla profilu płytowego (rys. 3), by uzmysłowić sobie, że w pewnych granicach współczynnik ten, a więc i siła Fh rośnie proporcjonalnie do kąta dryfu λ. Niestety, zakres tej proporcjonalności nie jest duży. Po przekroczeniu krytycznego kąta natarcia (dryfu λ) siła hydrodynamiczna gwałtownie maleje. Następuje wówczas oderwanie strug na grzbietowej stronie (stronie podciśnień) miecza. Zjawisko to występuje również na mieczu o profilu opływowym, ale znacznie później, to znaczy przy większych kątach natarcia (rys. 3).

Gdy silniej wieje, dryf jachtu musi wzrosnąć. Wynika to z warunku równowagi sił aero- i hydrodynamicznej. Wówczas miecz o profilu płytowym ujawnia swą główną wadę: niewielki kąt krytyczny (oderwania strug).

Z profilem opływowym – czy lepszy?

Siła hydrodynamiczna zależy również wprost od powierzchni miecza (rys. 3). Jej powiększanie w celu redukcji kąta dryfu jest jednak ograniczone wielkością skrzynki mieczowej we wnętrzu. Stąd pokusa zastosowania mieczy o profilu opływowym, wykazujących się tym większym kątem krytycznym (oderwania strug), im grubszy profil. Jednak jacht z takim mieczem niekoniecznie będzie żeglował szybciej i ostrzej, zwłaszcza przy słabych wiatrach, od jednostki z mieczem o cienkim profilu płytowym. Winna temu jest otwarta od strony dna kadłuba, nie przysłonięta przez miecz część skrzynki mieczowej (rys. 4). Tuż przed jej tylną ścianką kłębi się bowiem wir, powodując zwiększenie oporów. W przypadku miecza płytowego otwarta część skrzynki ma znacznie mniejszą powierzchnię, zatem i jej wpływ na opory jest proporcjonalnie mniejszy.

Sposoby regatowców

Można więc uznać, że zyski i straty z tytułu zastosowania miecza profilowanego niemal się zerują. W jachtach mieczowych klas regatowych dawno już znaleziono remedium na tę bolączkę miecza obrotowego. Wylot skrzynki uszczelnia się tzw. wargami (rys. 5). Wbrew pozorom nie jest to jednak rozwiązanie proste. Wymaga bowiem przewidzenia miejsca na „wargi” i ich nakładki, nie wspominając o doborze odpowiednich materiałów do ich stworzenia – takich, które nie zdeformowałyby się zbyt szybko. Zazwyczaj wykonuje się je ze sklejonych warstw grubego dakronu lub listew z elastycznego plastiku. Nie jest to więc rozwiązanie godne polecenia dla śródlądowego cruisera.

Bliżej doskonałości

Na tych łamach opisałem inne sposoby poradzenia sobie z problemem szpary w dnie skrzynki mieczowej („Żagle” 1/11). Osobiście przetestowałem w jachcie turystycznym Aquatic 25 jedno z prostszych rozwiązań. Polega ono na obrotowym zamocowaniu na krawędzi spływu miecza przysłony odpowiedniej grubości (rys. 6). Położenie jej wolnego końca ogranicza dodatkowy fał zamocowany do skrzynki. Jego długość trzeba tak wymierzyć, by po opuszczeniu miecza dolna powierzchnia „przysłony” znalazła się w płaszczyźnie dna kadłuba, zamykając w nim nieszczęsną szparę. Wymaga to precyzyjnego dopasowania zarówno szerokości, jak i długości „przysłony”, długości jej fału oraz dodatkowo jakiegoś ogranicznika dolnego położenia miecza. Może to być nawet zwykły węzeł na jego fale.

Wypróbowałem ten patent na regatach i to najwyższej rangi bo w Mistrzostwach Polski Jachtów Kabinowych. Niewątpliwie – działa! Na kursach ostrych, mimo dwuosobowej załogi, w pełni wyposażony, ciężki (1,86 t bez załogi), turystyczny Aquatic nie ustępował czołówce klasy T-2. Niestety, przeciwnicy odjeżdżali nam na pełnych kursach tym szybciej, im słabiej wiało. Jednym z powodów (oprócz zbyt małej powierzchni żagli) mógł być właśnie miecz profilowany. Po jego podniesieniu pozostaje bowiem szeroki wylot skrzynki mieczowej, którego tylna i przednia krawędź zakłócają opływ kadłuba. Z kolei likwidowanie tego problemu przez opuszczenie miecza to jak leczenie grypy trucizną: wzrastają z kolei opory tarcia zwłaszcza przy mniejszych prędkościach. I tak źle, i tak niedobrze...

Czy zatem w rywalizacji miecz obrotowy kontra szybrowy zdecydowanie wygrywa ten drugi? O tym w kolejnym odcinku cyklu.

Zobacz koniecznie: Teoria żeglowania: Obrotowy czy szybrowy? (cz. 2)