Nagy teljesítményű vitorlázás
Míg a jéghajók már egy évszázada képesek voltak meghaladni a szél sebességét, mind széllel szemben, mind széllel szemben, addig ez a képesség csak a 18 lábas skiffek fejlődésével vált rutinná a 20. század harmadik negyedében, amikor a sebességük megháromszorozódott az 1950-es évekhez képest. Azok a hajók, amelyek a szél sebességénél gyorsabban vitorláznak, mind széllel szemben, mind széllel szemben, képesek a széllel szemben is megfordulni, mivel a látszólagos szél mindig az árboc előtt van. Ez vezetett a “látszólagos szélvitorlázás” fogalmához.
Látszólagos szélSzerkesztés
A látszólagos szél a szélsebesség (irány és sebesség), VA, amelyet egy mozgó vitorlás fedélzetén mérnek; ez a hajószél, VB – a hajó feletti légáramlás, amelyet a hajó föld feletti sebessége indukál (nagyságrendileg egyenlő, de iránya ellentétes a hajó sebességével) – és a valódi szél, VT nettó hatása (vektorösszeg). A látszólagos szél, amelyet egy motoros vízi jármű fedélzetén mérnek, nyugodt körülmények között haladva, VT = 0 csomó, közvetlenül elölről érkezik, és olyan sebességgel, amely megegyezik a hajó sebességével a fenék felett (VA = VB + 0 = VB). Ha a hajó VB = 10 csomó sebességgel halad VT = -5 csomós hátszéllel, akkor VA = 5 csomós látszólagos szelet tapasztal közvetlenül az orrán (VA = VB + VT = 10 – 5). Az álló hajó által tapasztalt látszólagos szél a valódi szélsebesség. Ha egy hajó 90°-ban halad a VT = 10 csomós valódi széllel szemben, és maga is VB = 10 csomós sebességgel halad, akkor a látszólagos szél szöge 45° az orrtól, és a látszólagos szélsebesség körülbelül 14 csomó, a következő számítás szerint: négyzetgyök = négyzetgyök = 14,14. Mivel a hajó gyorsabb lesz, mint a valódi szél, a látszólagos szél mindig a vitorla előtt van.
Ha a hajótest légellenállási szöge elhanyagolható, a VA és β kiszámításának képletei a következők:
- VA = négyzetgyök {2 + 2}
- β = 90° – arktán { / }
Vitorla teljesítménySzerkesztés
A vitorla felhajtóerőt hoz létre egy előre irányuló hajtási komponenssel és egy oldalirányú komponenssel, egy optimális támadási szög alapján, amelyet az korlátoz, hogy a látszólagos szél, VA, a vitorla előtt van és megközelítőleg egy vonalban van vele.
-
A vitorlára ható, felhajtóerőt előidéző szélerő bontása.
(FT = teljes aerodinamikai erő, L = felhajtóerő
D =ellenállás, α = támadási szög) -
A felhajtóerő átalakítása meghajtássá.
(FR = Hajtóerő, FLAT = Oldalirányú erő)
Béta-tételSzerkesztés
Garrett a béta-tételt (vagy kurzustételt) úgy vezeti be, mint egy módot annak megértésére, hogy a látszólagos szélszög a szélből származó hajtóerő és a víz (vagy kemény felület) ellenálló erejének kölcsönhatásából adódik, ami a két ellentétes hatású fólia, a levegőben lévő vitorla és a vízben lévő kiel nettó hatásának eredménye. Ha felbontjuk a felhajtóerő és a légellenállás arányát a saját közegében, akkor a vitorláshajó eredő mozgása a látszólagos szél és a víz feletti pálya közötti szögre, béta (β), oldódik fel. A hajótest (a víz alatt) és a vitorlázat (a víz felett) mindkettőnek van ellenállási szöge a mellettük elhaladó közeghez (víz vagy levegő) képest, ezek λ és αm a mellékelt ábrán. E két légellenállási szög összege egyenlő β-vel, a látszólagos szél és a vitorlázott irány közötti szöggel (β = λ + αm). Ez a tétel a vitorla minden pontjára érvényes. A kis β nagy hatékonyságot és nagy sebességet jelent. Az előrehaladási sebesség növekedésével β kisebb lesz; a hatékony víz alatti fóliával ellátott vitorlásoknál a hajótest ellenállási szöge, λ, a sebesség növekedésével kisebb lesz, hidroprofilos hajóknál elhanyagolhatóvá válik, jéghajóknál és szárazföldi vitorlásoknál pedig lényegében nem létezik.
Látszólagos-szélszöghatárSzerkesztés
A súrlódásmentes felület és a teljesítmény kifejezésére képes szárnyprofil ideális körülményei mellett nincs elméleti korlátja annak, hogy egy vitorlás hajó milyen gyorsan haladhat a széllel szemben, ahogy a látszólagos szélszög egyre kisebb lesz. A valóságban mind a vitorla hatásfoka, mind a súrlódás felső határt szab. A sebességet a vitorla által kifejtett teljesítmény és a különböző légellenállások (pl. a felületi és az aerodinamikai légellenállás) miatt elveszített teljesítmény aránya határozza meg. Ideális esetben a kisebb vitorla jobb, mivel a sebesség növekszik. Sajnos a kis vitorla csökkenti a hajó – még a jéghajó – képességét arra, hogy a szélnél nagyobb sebességre gyorsuljon. A nagy teljesítményű vitorlások sebességének legfőbb korlátja az alaki ellenállás. A nagy teljesítményű jéghajók áramvonalas hajótestében és a gördülő csónakok légellenállásának csökkentésére irányuló törekvések nyilvánvalóak. Egy gyors jéghajó 7,5°-os látszólagos szelet és a valódi szélsebesség hatszorosát elérő sebességet tud elérni egy 135°-kal a széltől elforduló pályán. Bethwaite szerint ez lehet a gyakorlati határ egy vitorlákkal hajtott hajó számára.
Vitorlázási pontokSzerkesztés
A vitorlázási pontok, amelyeken a nagyteljesítményű vitorlás hajók a legnagyobb sebességet érhetik el, és a legjobb sebességet érhetik el, amelyet egy beam reach (90° a valódi szélhez képest) és egy broad reach (kb. 135° a valódi széltől távolabb) közötti útszakaszon lehet elérni. Bethwaite szerint, miután összehasonlító méréseket végzett 15 csomós (28 km/h; 17 mph) valódi szélben, egy vízkiszorításos Soling a valódi szélnél valamivel nagyobb sebességet tud elérni, és 30°-kal a látszólagos széltől távolabb vitorlázik, míg egy 18 lábas gördülő Skiff közel 30 csomós (56 km/h; 35 mph) sebességet ér el 20°-os látszólagos szélben, egy jéghajó pedig 67 csomós (124 km/h; 77 mph) sebességet tud elérni 8°-os látszólagos szélben.
A látszószél vitorlázás során a cél az, hogy a látszószelet a lehető legelőrébb tartsuk a vitorlázott pályán, hogy a leggyorsabb, a célnak megfelelő pályát érjük el. Ehhez olyan vízi járműre van szükség, amely képes meghaladni a valódi szélsebességet, mind széllel szemben, mind széllel szemben; ez lehetővé teszi, hogy a látszólagos szél jóval a vitorla előtt maradjon a vitorla előtt a vitorlázott pályákon, amelyek közül a leggyorsabbak a reachek. Kerülendő a túlságosan szél alatti irány, ahol a látszólagos szél a vitorla mögé kerül, és a sebesség a valódi szélsebesség alá csökken, ahogy a pálya a széles nyúlásból négyszögletesre változik (holt szélben).
Széllel szemben Szerkesztés
A vitorlástól függően, a szélbe tett pálya a legközelebbi pontjától a szél felé távolodhat, hogy a hajó optimális sebességgel vitorlázhasson. Bethwaite elmagyarázza, hogy a nagy sebességű vitorlázás mind a kormányrúd, mind a nagyvitorla független működését megköveteli, amelynek során a kormánynál lévő személy elkerüli a széllökésekre való reagálást, és ehelyett szükség szerint lazítja a nagyvitorlát, így növelve a hajó haladási sebességét a korábbi technikához képest, amikor a hajót jobban a szélbe irányították.
Széllel szembenSzerkesztés
Bethwaite szerint a valódi széllel szemben, a szélnél nagyobb sebességgel történő vitorlázás (a látszólagos szél a vitorla előtt) a korábban alkalmazottól eltérő reakciót igényel a széllökésekre. Míg egy hagyományos vitorlázó reflexszerűen a látszólagos szélbe kormányozna egy széllökésnél, a helyes reakció a széllel szemben, a valódi szélsebességnél gyorsabban vitorlázva az, hogy elfordul a széllökéstől, és inkább lefelé tart. Ennek kétszeresen is előnyös hatása van, mivel enyhíti a széllökés dőlési erejét, és lehetővé teszi, hogy a hajó még gyorsabban vitorlázzon a széllel szemben.