Korkean suorituskyvyn purjehdus
Jääveneet ovat jo vuosisadan ajan pystyneet ylittämään tuulen nopeuden sekä vastatuuleen että myötätuuleen, mutta tästä kyvystä tuli rutiinia vasta 18-jalkaisten skiffien kehittyessä 1900-luvun kolmannella vuosineljänneksellä, jolloin niiden nopeus kolminkertaistui 1950-luvun nopeuteen verrattuna. Veneet, jotka purjehtivat tuulen nopeutta nopeammin sekä myötätuuleen että vastatuuleen, pystyvät kääntymään myötätuuleen, koska näennäinen tuuli on aina maston edellä. Tämä johti käsitteeseen ”näennäistuulipurjehdus”.
NäennäistuuliEdit
Näennäinen tuuli on tuulen nopeus (suunta ja nopeus), VA, mitattuna liikkuvan purjeveneen kyydissä; se on veneen tuulen, VB – veneen ylitse kulkeva ilmavirtaus, joka aiheutuu veneen nopeudesta maanpinnan yläpuolella (joka on yhtä suuri kuin veneen nopeus mutta vastakkaissuuntainen kuin veneen nopeus) – ja todellisen tuulen, VT:n – nettomääräinen efekti (vektorisumma). Näennäinen tuuli, VT = 0 solmua, joka mitataan moottorikäyttöisen veneen kyydissä tyynissä olosuhteissa, tulee suoraan edestä ja nopeudella, joka on sama kuin veneen nopeus pohjan yläpuolella (VA = VB + 0 = VB). Jos vene kulkee nopeudella VB = 10 solmua myötätuulen ollessa VT = -5 solmua, se kokee näennäisen tuulen VA = 5 solmua suoraan keulassa (VA = VB + VT = 10 – 5). Paikallaan olevan veneen kokema näennäinen tuuli on todellinen tuulen nopeus. Jos vesikulkuneuvo kulkee 90°:n kulmassa VT = 10 solmua olevaan todelliseen tuuleen nähden ja kulkee itse nopeudella VB = 10 solmua, näennäistuulikulma on 45° keulasta ja näennäistuulikulma on noin 14 solmua, joka lasketaan seuraavasti: neliöjuuri = neliöjuuri = 14,14. Kun veneestä tulee todellista tuulta nopeampi, näennäinen tuuli on aina purjeen edellä.
Kun rungon vetokulma on häviävän pieni, VA:n ja β:n laskentakaavat ovat:
- VA = neliöjuuri {2 + 2}
- β = 90° – arktan { / }
Purjehduksen tehoEditioitu
Purje tuottaa nostetta, jolla on eteenpäin suuntautuva potkurikomponentti ja sivuttaiskomponentti, joka perustuu optimaaliseen kohtauskulmaan, jota rajoittaa se, että näennäinen tuuli, VA, on purjeen etupuolella ja suunnilleen samassa linjassa sen kanssa.
-
Purjeeseen vaikuttavan, nostetta tuottavan tuulen voiman jakautuminen.
(FT = aerodynaaminen kokonaisvoima, L = nostovoima
D = vetovoima, α = kohtauskulma) -
Nostovoiman muuntaminen propulsioksi.
(FR = työntövoima, FLAT = sivuttaisvoima)
Beta-teoreemaEdit
Garrett esittelee beetateoremin (tai kurssiteoremin) keinona ymmärtää, miten näennäinen tuulikulma syntyy tuulesta tulevan ajavan voiman ja vedestä (tai kovasta pinnasta) tulevan vastusvoiman vuorovaikutuksesta, joka on tulosta kahden vastakkain vaikuttavan kalvon, ilmassa olevan purjeen ja vedessä olevan kölin, nettovaikutuksesta. Kun ratkaistaan nostovoiman ja vastuksen suhde kummankin väliaineen osalta, purjeveneen liikkeen tuloksena syntyy kulma, beta (β), näennäisen tuulen ja veden yläpuolella kulkevan kurssin välillä. Rungolla (veden alapuolella) ja purjevarustuksella (veden yläpuolella) on kummallakin vastuskulma niiden ohi virtaavaan väliaineeseen (vesi tai ilma) nähden, ja ne ovat λ ja αm oheisessa kuvassa. Näiden kahden vastuskulman summa on yhtä suuri kuin β, joka on näennäisen tuulen ja purjehdittavan kurssin välinen kulma (β = λ + αm). Tämä lause pätee jokaiseen purjehduspisteeseen. Pieni β merkitsee suurta hyötysuhdetta ja mahdollista suurta nopeutta. Kun etenemisnopeus kasvaa, β pienenee; purjeveneissä, joissa on tehokkaat vedenalaiset siivekkeet, rungon vetokulma λ pienenee nopeuden kasvaessa, ja se muuttuu merkityksettömäksi hydrofoililla varustetuissa vesikulkuneuvoissa, ja jääveneissä ja maalla purjehtivissa vesikulkuneuvoissa se on lähes olematon.
Näennäisen tuulikulman rajaEdit
Ideaalitilanteessa, jossa pinta on kitkaton ja siipiprofiili pystyy kehittämään tehoa, ei ole teoreettista rajaa sille, kuinka nopeasti purjevene voi kulkea tuulesta poispäin, kun näennäinen tuulikulma käy yhä pienemmäksi. Todellisuudessa sekä purjeen hyötysuhde että kitka asettavat ylärajan. Nopeus määräytyy purjeen kehittämän tehon ja eri vastuksen (esim. pintavastuksen ja aerodynaamisen vastuksen) kautta menetetyn tehon välisen suhteen perusteella. Ihannetapauksessa pienempi purje on parempi, kun nopeudet kasvavat. Valitettavasti pieni purje heikentää veneen – jopa jääveneen – kykyä kiihtyä tuulta nopeampaan nopeuteen. Korkean suorituskyvyn purjeveneiden nopeuden pääasiallinen rajoitus on muotovastus. Ponnistelut tämän rajoituksen voittamiseksi näkyvät suorituskykyisten jääveneiden virtaviivaisissa rungoissa ja höyläveneiden vastuksen vähentämisessä. Nopea jäävene voi saavuttaa 7,5°:n näennäisen tuulen ja kuusinkertaisen nopeuden todelliseen tuulen nopeuteen verrattuna kurssilla, joka on 135° tuulesta poispäin. Bethwaite ehdottaa, että tämä saattaisi olla käytännöllinen raja purjeilla varustetulle veneelle.
Purjepisteet Muokkaa
Purjepisteet, joissa suorituskykyiset purjeveneet voivat saavuttaa suurimmat nopeudet ja saavuttaa parhaan saavutetun nopeuden kurssivälillä, joka sijoittuu puomin kurotuksen (90° oikeaan tuuleen nähden) ja leveän kurotuksen (noin 135° poispäin oikeasta tuulesta) välille. Bethwaiten mukaan, joka on tehnyt vertailumittauksia 15 solmun (28 km/h) oikeassa tuulessa, syrjäyttävä Soling voi saavuttaa hieman todellista tuulta suuremman nopeuden ja purjehtia 30° poispäin näkyvästä tuulesta, kun taas höylättävä 18-jalkainen Skiff saavuttaa lähes 30 solmun (56 km/h) nopeuden 20°:n näkyvässä tuulessa ja jäävene 67 solmua (124 km/h) 8°:n näkyvässä tuulessa.
Näennäistuulipurjehduksessa pyritään pitämään näennäistuuli niin pitkälle eteenpäin kuin käytännöllisesti katsoen on mahdollista purjehdittavalla kurssilla, jotta saavutetaan nopein mahdollinen kurssinopeus tavoitteeseen nähden. Tämä edellyttää vesikulkuneuvoa, joka pystyy ylittämään todellisen tuulennopeuden sekä vastatuuleen että myötätuuleen; näin näennäinen tuuli pysyy reilusti purjeen edellä purjehdittavilla kursseilla, joista nopeimmat ovat kurotuksia. On vältettävä liian pitkälle myötätuuleen menemistä, jolloin näennäinen tuuli siirtyy purjeen taakse ja nopeus laskee alle todellisen tuulennopeuden kurssin kehittyessä leveästä kurotuksesta suorakulmaiseksi (suoraan myötätuuleen). Bethwaite selittää, että suurnopeuspurjehdus vaatii sekä peräsimen että suurvaijerin itsenäistä toimintaa, jolloin peräsimessä oleva henkilö välttää reagoimasta puuskiin ja sen sijaan keventää suurvaijeria tarpeen mukaan, mikä lisää veneen saavutettua nopeutta verrattuna aiempaan tekniikkaan, jossa vene suunnataan enemmän tuuleen päin.
VastatuuleenMuutos
Bethwaiten mukaan purjehtiminen vastatuuleen tuulta nopeammin (näennäinen tuuli purjeen etupuolella) vaatii erilaista reaktiota puuskiin kuin aiemmin käytettiin. Kun perinteinen purjehtija saattaisi puuskissa refleksinomaisesti ohjata näennäiseen tuuleen, oikea reaktio purjehtiessaan tuulesta poispäin todellista tuulen nopeutta nopeammin on kääntyä poispäin puuskasta ja suunnata enemmän myötätuuleen. Tällä on kaksin verroin hyödyllinen vaikutus, sillä se vähentää puuskan aiheuttamaa kallistusvoimaa ja antaa veneen purjehtia vielä nopeammin tuulen ulkopuolella.