Navigație de înaltă performanță
În timp ce bărcile de gheață au fost capabile să depășească viteza vântului, atât în direcția vântului, cât și în direcția vântului, timp de un secol, această capacitate a devenit o rutină doar odată cu evoluția schifurilor de 18 picioare în al treilea sfert al secolului XX, când viteza lor s-a triplat față de cea din anii 1950. Ambarcațiunile care navighează mai repede decât viteza vântului, atât în direcția vântului, cât și în direcția vântului, sunt capabile să vireze în direcția vântului, deoarece vântul aparent se află întotdeauna în fața catargului. Acest lucru a dus la conceptul de „navigație cu vânt aparent”.
Vânt aparentEdit
Vântul aparent este viteza vântului (direcția și viteza), VA, măsurată la bordul unei ambarcațiuni cu vele în mișcare; este efectul net (suma vectorială) al vântului de barcă, VB – fluxul de aer deasupra ambarcațiunii indus de viteza acesteia deasupra pământului (egală ca mărime, dar de direcție opusă vitezei ambarcațiunii) – și al vântului adevărat, VT. Vântul aparent măsurat la bordul unei ambarcațiuni cu motor, care se deplasează în condiții de calm, VT = 0 noduri, ar veni direct din față și cu o viteză egală cu viteza ambarcațiunii deasupra fundului (VA = VB + 0 = VB). Dacă ambarcațiunea se deplasează cu VB = 10 noduri cu un vânt din spate de VT = -5 noduri, ea înregistrează un vânt aparent de VA = 5 noduri direct pe prova (VA = VB + VT = 10 – 5). Vântul aparent resimțit de o ambarcațiune staționară este viteza reală a vântului. Dacă o ambarcațiune se deplasează la 90° față de un vânt adevărat de VT = 10 noduri, ea însăși călătorind cu o viteză care induce VB = 10 noduri, atunci unghiul vântului aparent ar fi de 45° față de prova și viteza vântului aparent ar fi de aproximativ 14 noduri, calculată astfel: rădăcină pătrată = rădăcină pătrată = 14,14. Pe măsură ce ambarcațiunea devine mai rapidă decât vântul adevărat, vântul aparent este întotdeauna în fața velei.
Când unghiul de rezistență al corpului navei este neglijabil, formulele pentru calculul VA și β sunt:
- VA = rădăcina pătrată {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
Puterea veleiEdit
O velă generează portanță cu o componentă de propulsie înainte și o componentă laterală, pe baza unui unghi optim de atac care este constrâns de vântul aparent, VA, care se află în fața și aproximativ aliniat cu vela.
-
Decompoziția forței vântului care acționează asupra unei vele, generând portanță.
(FT = forța aerodinamică totală, L = portanță
D = rezistență, α = unghi de atac) -
Conversia portanței în propulsie.
(FR = Forța de propulsie, FLAT = Forța laterală)
Teorema BetaEdit
Garrett introduce teorema beta (sau teorema cursului) ca o modalitate de a înțelege modul în care unghiul aparent al vântului rezultă din interacțiunea dintre forța motrice a vântului și forța de rezistență a apei (sau a suprafeței dure), rezultat al efectului net al celor două folii care se contracarează, vela în aer și chila în apă. Atunci când se rezolvă raportul dintre portanță și rezistență pentru fiecare dintre ele în mediul său, mișcarea rezultată a ambarcațiunii cu vele se rezumă la un unghi, beta (β), între vântul aparent și cursul pe apă. Carena (sub apă) și instalația de navigație (deasupra apei) au fiecare un unghi de rezistență în raport cu mediul care trece pe lângă ele (apă sau aer), acestea fiind λ și αm în diagrama alăturată. Suma celor două unghiuri de rezistență este egală cu β, unghiul dintre vântul aparent și direcția de navigație (β = λ + αm). Această teoremă se aplică pentru fiecare punct de navigație. Un β mic denotă o eficiență ridicată și un potențial de viteză mare. Pe măsură ce viteza de înaintare crește, β devine mai mic; la ambarcațiunile cu vele cu folii subacvatice eficiente, unghiul de rezistență al carenei, λ, devine mai mic odată cu creșterea vitezei, devine neglijabil în cazul ambarcațiunilor cu hidroambarcațiuni și, în esență, inexistent în cazul ambarcațiunilor de gheață și al ambarcațiunilor cu vele de uscat.
Limita unghiului de vânt aparentEdit
Dată o circumstanță ideală a unei suprafețe fără frecare și a unui profil aerodinamic care poate dezvolta putere, nu există o limită teoretică a vitezei cu care o ambarcațiune cu vele se poate deplasa în afara vântului, pe măsură ce unghiul de vânt aparent devine din ce în ce mai mic. În realitate, atât eficiența velelor, cât și frecarea oferă o limită superioară. Viteza este determinată de raportul dintre puterea dezvoltată de vele și puterea pierdută prin diferite forme de rezistență (de exemplu, rezistența la suprafață și rezistența aerodinamică). În mod ideal, o velă mai mică este mai bună, pe măsură ce viteza crește. Din păcate, o velă mică diminuează capacitatea unei ambarcațiuni – chiar și a unei bărci de gheață – de a accelera la viteze mai mari decât vântul. Principala limită a vitezei la ambarcațiunile cu vele de înaltă performanță este rezistența de formă. Eforturile de depășire a acestei limite sunt evidente în carenele aerodinamice ale bărcilor de gheață de înaltă performanță și în îmbunătățirile aduse la reducerea rezistenței la înaintare pe bărcile plutitoare. O ambarcațiune de gheață rapidă poate atinge un vânt aparent de 7,5° și o viteză de șase ori mai mare decât viteza reală a vântului pe un curs care se află la 135° față de vânt. Bethwaite sugerează că aceasta ar putea fi o limită practică pentru o ambarcațiune propulsată de pânze.
Puncte de navigațieEdit
Punctele de vele la care ambarcațiunile cu vele de înaltă performanță pot atinge cele mai mari viteze și ating cea mai bună viteză făcută bună pe un interval de curs cuprins între un beam reach (90° față de vântul real) și un broad reach (aproximativ 135° față de vântul real). Potrivit lui Bethwaite, după ce a făcut măsurători comparative pe un vânt adevărat de 15 noduri (28 km/h; 17 mph), un Soling cu deplasare poate atinge viteze ușor mai mari decât vântul adevărat și poate naviga la 30° față de vântul aparent, în timp ce un Skiff de 18 picioare cu planare atinge viteze de aproape 30 de noduri (56 km/h; 35 mph) la un vânt aparent de 20°, iar o barcă de gheață poate atinge 67 de noduri (124 km/h; 77 mph) la un vânt aparent de 8°.
În navigația cu vânt aparent, obiectivul este de a menține vântul aparent cât mai departe în față, cât mai practic, pentru traseul navigat, pentru a obține cel mai rapid traseu făcut bun pentru obiectiv. Pentru aceasta este nevoie de o ambarcațiune care poate depăși viteza reală a vântului, atât în direcția vântului, cât și în direcția vântului; acest lucru permite vântului aparent să rămână cu mult în fața velei pe traseele navigate, dintre care cele mai rapide sunt cele de tip reach. Trebuie evitată direcția prea mult în vânt în jos, unde vântul aparent se deplasează în spatele velei și viteza scade sub viteza reală a vântului pe măsură ce traseul tinde de la o cursă largă la o cursă pătrată (vânt mort în jos).
Contra vântuluiEdit
În funcție de ambarcațiunea cu care se navighează, traseul în vânt poate tinde să se îndepărteze de punctul său cel mai apropiat de vânt pentru a permite ambarcațiunii să navigheze la viteza optimă. Bethwaite explică faptul că navigația de mare viteză necesită o acțiune independentă atât a cârmei, cât și a foii de mare, prin care persoana de la cârmă evită să răspundă la rafale și, în schimb, relaxează foaia de mare în funcție de necesități, crescând astfel viteza ambarcațiunii făcute bune față de tehnica anterioară de a îndrepta ambarcațiunea mai mult în direcția vântului.
În afara vântuluiEdit
Potrivit lui Bethwaite, navigarea în afara vântului adevărat la viteze mai mari decât vântul (cu vântul aparent în fața velei) necesită o reacție la rafale diferită de cea folosită anterior. În timp ce un marinar tradițional ar putea, din reflex, să se îndrepte spre vântul aparent într-o rafală, răspunsul corect în timpul navigării în afara vântului, cu o viteză mai mare decât cea a vântului adevărat, este să se îndepărteze de rafală, îndreptându-se mai mult spre vânt. Acest lucru are dublul efect benefic de a atenua forța de înclinare a rafalelor și de a permite ambarcațiunii să navigheze și mai repede în afara vântului.