Żeglarstwo wyczynowe
Gdy łodzie lodowe były w stanie przekroczyć prędkość wiatru, zarówno pod wiatr jak i z wiatrem przez sto lat, ta zdolność stała się rutynowa dopiero wraz z rozwojem 18 stopowych Skiffów w trzeciej ćwiartce XX wieku, kiedy ich prędkość potroiła się w stosunku do tej z lat 50-tych. Jednostki, które płyną szybciej niż wiatr, zarówno z wiatrem jak i pod wiatr, są w stanie wykonać zwrot z wiatrem, ponieważ pozorny wiatr jest zawsze przed masztem. Doprowadziło to do powstania koncepcji „żeglowania z wiatrem pozornym”.
Wiatr pozornyEdit
Wiatr pozorny to prędkość wiatru (kierunek i prędkość), VA, mierzona na pokładzie poruszającej się jednostki żaglowej; jest to efekt netto (suma wektorowa) wiatru w łodzi, VB – przepływu powietrza nad jednostką wywołanego jej prędkością nad ziemią (równą co do wielkości, ale przeciwną co do kierunku do prędkości jednostki) – oraz wiatru rzeczywistego, VT. Wiatr pozorny, mierzony na pokładzie jednostki o napędzie mechanicznym, płynącej w spokojnych warunkach, VT = 0 węzłów, wieje bezpośrednio z przodu i z prędkością, która jest taka sama jak prędkość łodzi nad dnem (VA = VB + 0 = VB). Jeśli jednostka płynie z prędkością VB = 10 węzłów przy wietrze tylnym VT = -5 węzłów, odczuwa pozorny wiatr o sile VA = 5 węzłów bezpośrednio na dziobie (VA = VB + VT = 10 – 5). Wiatr pozorny odczuwany przez nieruchomą jednostkę to rzeczywista prędkość wiatru. Jeśli jednostka płynie pod kątem 90° do wiatru rzeczywistego VT = 10 węzłów, a sama porusza się z prędkością VB = 10 węzłów, to kąt wiatru pozornego będzie wynosił 45° od dziobu, a prędkość wiatru pozornego będzie wynosić około 14 węzłów, co oblicza się jako: pierwiastek kwadratowy = pierwiastek kwadratowy = 14,14. Ponieważ jednostka staje się szybsza od wiatru rzeczywistego, wiatr pozorny zawsze wyprzedza żagiel.
Gdy kąt oporu kadłuba jest pomijalny, wzory na obliczenie VA i β są następujące:
- VA = pierwiastek kwadratowy {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
Moc żagliEdit
Żagiel wytwarza siłę nośną ze składową napędową do przodu i składową boczną, w oparciu o optymalny kąt natarcia, który jest ograniczony przez wiatr pozorny, VA, będący przed i w przybliżeniu wyrównany z żaglem.
-
Dekompozycja siły wiatru działającej na żagiel, wytwarzającej siłę nośną.
(FT = całkowita siła aerodynamiczna, L = Lift
D =Drag, α = kąt natarcia) -
Konwersja siły nośnej na napęd.
(FR = siła napędowa, FLAT = siła boczna)
Twierdzenie BetaEdit
Garrett wprowadza twierdzenie beta (lub twierdzenie kursu) jako sposób na zrozumienie jak pozorny kąt wiatru wynika z wzajemnego oddziaływania pomiędzy siłą napędową wiatru i siłą oporu wody (lub twardej powierzchni), wynik efektu netto dwóch przeciwdziałających sobie folii, żagla w powietrzu i stępki w wodzie. Kiedy rozwiązuje się stosunek siły nośnej do oporu dla każdego z nich w jego ośrodku, wynikający z tego ruch jednostki żaglowej rozwiązuje się do kąta, beta (β), pomiędzy wiatrem pozornym a kursem nad wodą. Kadłub (pod wodą) i ożaglowanie (nad wodą) mają kąty oporu w stosunku do przepływającego obok nich medium (wody lub powietrza), są to λ i αm na załączonym rysunku. Suma tych dwóch kątów oporu jest równa β, kątowi pomiędzy wiatrem pozornym a kursem żeglugi (β = λ + αm). To twierdzenie ma zastosowanie dla każdego punktu żagla. Małe β oznacza wysoką sprawność i potencjał do osiągania dużych prędkości. Wraz ze wzrostem prędkości postępowej β staje się mniejsze; na jednostkach żaglowych z efektywnymi foliami podwodnymi kąt oporu kadłuba, λ, staje się mniejszy wraz ze wzrostem prędkości, staje się pomijalny w przypadku jednostek hydroskrzydłowych i w zasadzie nie istnieje dla łodzi lodowych i lądowych jednostek żaglowych.
Granica kąta wiatru pozornegoEdit
Gdy weźmiemy pod uwagę idealne warunki beztarciowej powierzchni i profil, który może rozwijać moc, nie ma teoretycznego ograniczenia jak szybko żaglówka może płynąć z wiatrem, gdy pozorny kąt wiatru staje się coraz mniejszy. W rzeczywistości, zarówno wydajność żagla jak i tarcie stanowią górną granicę. Prędkość jest określana przez stosunek mocy rozwijanej przez żagiel do mocy traconej przez różne formy oporu (np. opór powierzchniowy i aerodynamiczny). W idealnej sytuacji mniejszy żagiel jest lepszy, ponieważ prędkości rosną. Niestety, mały żagiel zmniejsza zdolność jednostki – nawet łodzi lodowej – do rozpędzania się do prędkości szybszych niż wiatr. Głównym ograniczeniem prędkości w wyczynowych jednostkach żaglowych jest opór formowy. Wysiłki zmierzające do przezwyciężenia tego ograniczenia są widoczne w opływowych kadłubach wyczynowych łodzi lodowych i udoskonaleniach w redukcji oporu na pontonach strugopokrytych. Szybka łódź lodowa może osiągnąć wiatr pozorny 7,5° i prędkość sześciokrotnie większą od prędkości wiatru rzeczywistego na kursie odchylonym od wiatru o 135°. Bethwaite sugeruje, że może to być praktyczny limit dla jednostki napędzanej żaglami.
Punkty żagliEdit
Punkty żagli, w których wysokowydajne jednostki żeglarskie mogą osiągać najwyższe prędkości i osiągają najlepszą prędkość made good over a course span between a beam reach (90° to the true wind) and a broad reach (about 135° away from the true wind). Według Bethwaite’a, po dokonaniu pomiarów porównawczych przy wietrze prawdziwym 15 węzłów (28 km/h; 17 mph), wypornościowy Soling może osiągać prędkości nieco większe od wiatru prawdziwego i żeglować 30° od wiatru pozornego, podczas gdy strugany 18-stopowy Skiff osiąga prędkości prawie 30 węzłów (56 km/h; 35 mph) przy wietrze pozornym 20°, a łódź lodowa może osiągnąć 67 węzłów (124 km/h; 77 mph) przy wietrze pozornym 8°.
Podczas żeglugi z wiatrem pozornym, celem jest utrzymanie wiatru pozornego tak daleko z przodu, jak to praktyczne, dla kursu żeglarskiego, aby osiągnąć najszybszy kurs dobry do celu. Wymaga to jednostki, która może przekroczyć prawdziwą prędkość wiatru, zarówno z wiatrem jak i pod wiatr; pozwala to pozornemu wiatrowi pozostać daleko przed żaglem na kursach, z których najszybsze są refy. Należy unikać płynięcia zbyt daleko z wiatrem, gdzie pozorny wiatr przesuwa się za żaglem i prędkość spada poniżej prawdziwej prędkości wiatru, ponieważ kurs zmienia się z szerokiego zasięgu na kwadratowy (martwy wiatr).
UpwindEdit
Zależnie od żeglowanej jednostki, kurs na wiatr może się oddalać od najbliższego punktu na wiatr, aby umożliwić jednostce żeglowanie z optymalną prędkością. Bethwaite wyjaśnia, że żeglowanie z dużymi prędkościami wymaga niezależnego działania zarówno rumpla jak i szotów grota, dzięki czemu osoba przy sterze unika reagowania na podmuchy wiatru, a zamiast tego luzuje szoty grota w zależności od potrzeb, zwiększając w ten sposób prędkość zadowalającą łódź w porównaniu z poprzednią techniką kierowania jednostki bardziej na wiatr.
Z wiatremEdit
Według Bethwaite’a, żeglowanie z prawdziwym wiatrem z prędkością większą niż wiatr (z pozornym wiatrem z przodu żagla) wymaga innej reakcji na podmuchy niż poprzednio. Podczas gdy tradycyjny żeglarz może odruchowo sterować do wiatru pozornego w podmuchu, prawidłową reakcją podczas żeglowania z wiatrem szybszym niż prawdziwy wiatr jest odchylenie się od podmuchu, kierując się bardziej pod wiatr. Ma to podwójnie korzystny efekt: łagodzi siłę przechylającą podmuchów i pozwala jednostce płynąć jeszcze szybciej z wiatrem.
.