Teoria żeglowania: Przechył i fale - dodatkowe hamulce
Doświadczeni żeglarze wiedzą, jak może zmaleć prędkość miotanego przez fale jachtu żeglującego przy silnym wietrze w mocnym przechyle. Szczególnie dają się we znaki te „bałtyckie” – strome i krótkie. Opory nimi spowodowane mogą spowolnić jacht nawet do połowy prędkości, jaką uzyskiwał na spokojnej wodzie.
Opory spowodowane przechyłem zależą od siły wiatru i stateczności jachtu, czyli czynników, które ten przechył powodują. Przechył deformuje opływ wokół kadłuba, zmieniając zasadniczo nie tylko powierzchnię zmoczoną, ale również rozkład ciśnień, grubości warstwy przyściennej oraz układ fal wokół niego.
Które tracą?
Z badań przeprowadzonych na uniwersytecie w Delft (Holandia) wynika, iż opór spowodowany przechyłem rośnie proporcjonalnie do kąta przechyłu oraz kwadratu liczby Froude’a (prędkości względnej). Udowodniono również, że większe opory podczas żeglugi w przechyle wykazują jachty o większym stosunku szerokości do zanurzenia całkowitego (łącznie z płetwami), a także odznaczające się większym stosunkiem zanurzenia całkowitego do zanurzenia samego kadłuba. Stąd można wysnuć wniosek, że nowoczesne jachty – szerokie i z głębokimi płetwami – relatywnie więcej tracą na prędkości w przechyle niż te konwencjonalne o mniejszej szerokości z płytszymi płetwami. To jednak niewielka cena za możliwość przekroczenia bariery prędkości wypornościowej.
Przeczytaj również: Prowadzenie jachtu w sztormie - ABC sztormowania
Stara regatowa zasada, by jacht prowadzić bez przechyłów, znalazła więc potwierdzenie w wynikach badań. Ponadto przechylony kadłub może też żeglować wolniej nie tylko z powodu utraty siły aerodynamicznej żagli i wspomnianej wyżej asymetrii opływu kadłuba, ale także z powodu przyrostu tzw. oporu indukowanego.
Opór indukowany
Opór indukowany to wątpliwa „zasługa” płetwy balastowej (mieczowej) i sterowej. Zasady, jakimi rządzi się ten składnik oporu, nie różnią się niczym od tych, które obowiązują dla powietrza. Opór ten rośnie szybko wraz z siłą hydrodynamiczną wytwarzaną przez płetwy, bo proporcjonalnie do jej kwadratu i odwrotnie proporcjonalnie do smukłości płetw.
W żegludze na wiatr płetwa balastowa lub mieczowa wytwarza siłę hydrodynamiczną w sposób identyczny, jak żagiel „produkuje” napędową siłę aerodynamiczną. Na grzbietowej, „zawietrznej” (należałoby raczej powiedzieć „zawodnej”) stronie płetwy opływanej przez wodę, powstają podciśnienia, a na „nawietrznej” zaś nadciśnienia (rys. 1).
Ta różnica ciśnień sprawia, że wokół dolnej krawędzi płetwy powstaje wir brzegowy (rys. 2) – ciśnienia z obu stron dążą bowiem do wyrównania się i woda przepływa z nawietrznej (nadciśnienie) na zawietrzną, ssącą stronę płetwy. Powstały wir powoduje straty energii, więc i wzrost oporów ruchu. Staje się tym intensywniejszy, im większa jest ta różnica ciśnień, czyli im szybciej jacht żegluje oraz im większe są kąty jego dryfu. Straty wynikające z generowania przez płetwę tego wiru, podobnie jak w przypadku opływu żagla, zwą się właśnie oporem indukowanym. Naukowcy udowodnili, że opór indukowany Di zależy od siły hydrodynamicznej Fh w kwadracie i od wydłużenia (smukłości) płetwy:
Di = K Fh²/ πSm
Wszelako dwie płetwy o identycznej powierzchni mogą wytwarzać w tych samych warunkach różne wartości oporów indukowanych. Zależą one bowiem silnie od smukłości płetwy Sm. W przypadku płetwy o obrysie prostokątnym wyznacza ją stosunek głębokości L do cięciwy c. Dla bardziej złożonego obrysu wyraża ją stosunek pola powierzchni do kwadratu głębokości pod dnem kadłuba (rys. 3).
Im smuklejsza płetwa, tym mniejszy opór indukowany. Podobnie jak w przypadku żagli płetwa o obrysie zbliżonym do eliptycznego charakteryzuje się małym oporem indukowanym. Wyjaśnienie tego jest proste: im większa smukłość płetwy, tym węższa jej krawędź dolna, a więc i mniejszy obszar wytwarzania szkodliwego wiru brzegowego.
Smukłość efektywna płetwy zamocowanej do kadłuba wyraża się podwójną smukłością geometryczną (rys. 3), ponieważ dno kadłuba jest zaporą dla przepływu wody, wynikającego z różnicy ciśnień na stronie grzbietowej i spodniej.
Zobacz także: Dlaczego KAŻDY jacht może się wywrócić?
Opór indukowany to poważna część (nawet do 10 proc.) wszystkich uwzględnianych oporów ruchu jachtu. Warto więc walczyć o jego minimalizację, jeśli zależy nam na prędkości. Długa dolna krawędź płetwy (mała smukłość) sprawia, że wyrównanie ciśnień odbywa się na stosunkowo dużym jej obszarze. Maleje zatem również jej sprawność, więc płetwa o małej smukłości powinna mieć większą powierzchnię niż płetwa bardziej wydłużona. To z kolei prowadzi do powiększenia powierzchni zmoczonej podwodzia i wzrostu oporów tarcia.
Rzecz jasna, że w jachtach turystycznych nie można bezkarnie wydłużać obrysu płetwy czy miecza, abstrahując od walorów użytkowych jachtu pogorszonych przez wzrost zanurzenia czy długość skrzynki mieczowej we wnętrzu. Jakiś kompromis jest jednak niezbędny. Projektanci i regatowcy poświęcają płetwom wiele uwagi, ponieważ generowany przez nie opór indukowany można zminimalizować już w trakcie projektowania jachtu. Jakość projektu i wykonanie płetw, a co za tym idzie wielkość oporu indukowanego, w znacznie większym stopniu wpływa na wielkość oporu całkowitego niż opór pochodzący z przechyłu czy też składnik oporu pochodzący od zafalowania.
Kołysać się wśród fal…
Jacht na fali, wskutek swej bezwładności, kołysze się zarówno wzdłuż swej osi symetrii (pitching), jak i w poprzek (rolling), może także myszkować (yawing). Ruchy te (rys. 4), szczególnie rytmiczny pitching i rolling, wzbudzają własny, dodatkowy układ fal, na którego wytworzenie jacht traci energię. Ponadto rolling generuje dodatkowe opory indukowane na płetwach balastowej (lub mieczowej) i sterowej wskutek gwałtownych przyrostów kątów natarcia na ich końcach. Oznacza to nic innego, jak przyhamowanie jachtu, a więc nowy rodzaj oporu.
Każdy jacht ma specyficzną, własną częstotliwość oscylacji poprzecznych oraz wzdłużnych. Zależą one od momentu bezwładności jachtu. Sytuacja może stać się niebezpieczna, gdy amplituda tych kołysań gwałtownie wzrośnie. Dzieje się tak wówczas, gdy częstość wymuszającej kiwanie fali pokryje się z częstością własną kołysania się jachtu. Zdarzały się już wywrotki spowodowane właśnie przez rolling. Podobnie w przypadku kołysania wzdłużnego, wskutek rezonansu z falami wymuszającymi pitching, na kolejnej z nich jacht może stanąć dosłownie dęba, wyhamowując niemal do zera.
Udział oporu od fal szacuje się na kilka procent (do 10 proc.), ale przy nałożeniu się niesprzyjających czynników, jak np. stroma krótka fala i jej rezonans z częstością kołysań własnych, może znacznie przekroczyć te ostrożne szacunki. Dlatego na jachtach ze zredukowaną powierzchnią żagla żegluje się znacznie bardziej komfortowo: nie przechylają się i biorą mniej wody na pokład, łagodniej pokonują falę, płynąc nie mniej szybko niż na pełnych żaglach.
