Högpresterande segling
Om isbåtar har kunnat överträffa vindens hastighet, både i medvind och motvind under ett sekel, blev denna förmåga rutinmässig först i och med utvecklingen av 18 ft Skiffs under den tredje fjärdedelen av 1900-talet, då deras hastighet tredubblades jämfört med den på 1950-talet. Båtar som seglar snabbare än vindhastigheten, både i medvind och motvind, kan vända i medvind eftersom den skenbara vinden alltid ligger framför masten. Detta ledde till begreppet ”segling med skenbar vind”.
Skenbar vindRedigera
Den skenbara vinden är vindhastigheten (riktning och hastighet), VA, uppmätt ombord på en segelbåt i rörelse; den är nettoeffekten (vektorsumman) av båtens vind, VB – det luftflöde över båten som induceras av båtens hastighet över jorden (lika stor men motsatt riktning som båtens hastighet) – och den verkliga vinden, VT. Den skenbara vind som uppmäts ombord på en farkost med motor som färdas under lugna förhållanden, VT = 0 knop, skulle komma rakt framifrån och med en hastighet som är densamma som båtens hastighet över botten (VA = VB + 0 = VB). Om båten färdas med VB = 10 knop med en medvind på VT = -5 knop upplever den en skenbar vind på VA = 5 knop direkt på fören (VA = VB + VT = 10 – 5). Den skenbara vinden som en stillastående farkost upplever är den verkliga vindhastigheten. Om en farkost går 90° mot en verklig vind på VT = 10 knop och själv färdas med en hastighet som ger VB = 10 knop, så skulle den skenbara vindvinkeln vara 45° från fören och den skenbara vindhastigheten skulle vara cirka 14 knop, beräknad som: kvadratroten = kvadratroten = 14,14. Eftersom farkosten blir snabbare än den sanna vinden är den skenbara vinden alltid framför seglet.
När skrovets dragvinkel är försumbar är formlerna för att beräkna VA och β:
- VA = kvadratroten {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
SegeleffektRedigera
Ett segel genererar lyft med en framdrivningskomponent och en sidokomponent, baserat på en optimal angreppsvinkel som begränsas av att den skenbara vinden, VA, ligger framför och ungefär i linje med seglet.
-
Sammansättning av den vindkraft som verkar på ett segel och som genererar lyft.
(FT = total aerodynamisk kraft, L = lyft
D = dragkraft, α = anfallsvinkel) -
Umvandling av lyft till framdrift.
(FR = Drivkraft, FLAT = Sidokraft)
BetateoremetRedigera
Garrett introducerar betateoremet (eller kursteoremet) som ett sätt att förstå hur den skenbara vindvinkeln är resultatet av samspelet mellan drivkraften från vinden och motståndskraften från vattnet (eller den hårda ytan), resultatet av nettoeffekten av två motverkande folier, seglet i luften och kölen i vattnet. När man löser upp förhållandet mellan lyftkraft och motstånd för var och en i sitt medium, blir den resulterande rörelsen hos segelfartyget en vinkel, beta (β), mellan den skenbara vinden och kursen över vattnet. Skrovet (under vattnet) och segelriggen (över vattnet) har var och en en dragvinkel med avseende på det medium som strömmar förbi dem (vatten eller luft), de är λ och αm i det bifogade diagrammet. Summan av dessa två dragvinklar är lika med β, vinkeln mellan den skenbara vinden och den seglade kursen (β = λ + αm). Denna sats gäller för varje segelpunkt. Ett litet β betecknar hög effektivitet och en potential för hög hastighet. När hastigheten framåt ökar blir β mindre; på segelfartyg med effektiva undervattensfolier blir skrovets dragvinkel, λ, mindre med ökad hastighet, den blir försumbar med hydrofoilande farkoster och i princip obefintlig för isbåtar och landgående segelfartyg.
Gränsen för den skenbara vindvinkelnRedigera
Givet en idealisk omständighet med en friktionsfri yta och en flygplatta som kan utveckla kraft, finns det ingen teoretisk gräns för hur snabbt en segelfartyg kan färdas utanför vinden när den skenbara vindvinkeln blir allt mindre. I verkligheten ger både segeleffektivitet och friktion en övre gräns. Hastigheten bestäms av förhållandet mellan den kraft som utvecklas av seglet och den kraft som förloras genom olika former av motstånd (t.ex. ytmotstånd och aerodynamiskt motstånd). I idealfallet är ett mindre segel bättre, eftersom hastigheterna ökar. Tyvärr minskar ett litet segel förmågan hos en farkost – även en isbåt – att accelerera till hastigheter som är högre än vinden. Den främsta hastighetsbegränsningen för högpresterande segelbåtar är formmotståndet. Ansträngningarna för att övervinna denna begränsning är uppenbara i de strömlinjeformade skroven på högpresterande isbåtar och de förbättringar som gjorts när det gäller att minska luftmotståndet på planande jollar. En snabb isbåt kan uppnå en skenbar vind på 7,5° och en hastighet på sex gånger den verkliga vindhastigheten på en kurs som är 135° från vinden. Bethwaite föreslår att detta kan vara en praktisk gräns för en farkost som drivs av segel.
SegelpunkterRedigera
De segelpunkter vid vilka högpresterande segelfartyg kan uppnå de högsta hastigheterna och uppnå den bästa hastigheten som gjorts bra över ett kursspann mellan en beam reach (90° mot den sanna vinden) och en broad reach (cirka 135° bort från den sanna vinden). Enligt Bethwaite, som har gjort jämförande mätningar vid en verklig vind på 15 knop (28 km/h; 17 mph), kan en deplacement Soling uppnå hastigheter som är något högre än den verkliga vinden och segla 30° från den skenbara vinden, medan en planande 18-fots Skiff uppnår hastigheter på nästan 30 knop (56 km/h; 35 mph) vid en skenbar vind på 20° och en isbåt kan uppnå 67 knop (124 km/h; 77 mph) vid en skenbar vind på 8°.
Med segling med skenbar vind är målet att hålla den skenbara vinden så långt fram som möjligt för den seglade kursen för att uppnå den snabbaste kursen som är lämplig för att nå målet. Detta kräver en farkost som kan överskrida den verkliga vindhastigheten, både i med- och motvind; detta gör det möjligt för den skenbara vinden att förbli långt framför seglet på de kurser som seglas, av vilka de snabbaste är reaches. Man bör undvika att gå för långt i medvind, då den skenbara vinden rör sig bakom seglet och hastigheten sjunker under den verkliga vindhastigheten när kursen utvecklas från en bred sträcka till att gå i fyrkant (död i medvind).
UppåtVidare
Avhängigt av vilken farkost som seglas, kan den kurs som görs bra i medvind utvecklas bort från dess närmsta punkt i medvind för att göra det möjligt för farkosten att segla med optimal hastighet. Bethwaite förklarar att höghastighetssegling kräver oberoende åtgärder av både styrspak och storsheet, varvid personen vid rodret undviker att reagera på vindbyar och i stället lättar på storsheatet vid behov, vilket ökar båtens hastighet made good jämfört med den tidigare tekniken att peka båten mer mot vinden.
Utanför vindenRedigera
Enligt Bethwaite kräver segling utanför den riktiga vinden med högre hastigheter än vinden (med den skenbara vinden framför seglet) en annan reaktion på vindbyar än vad som tidigare använts. Medan en traditionell seglare reflexmässigt skulle kunna styra in i den skenbara vinden i en vindpust, är den korrekta reaktionen när man seglar utanför vinden, snabbare än den verkliga vindhastigheten, att svänga bort från vindpusten och gå mer i medvind. Detta har den dubbelt fördelaktiga effekten att det lindrar den krängande kraften från vindpusten och gör det möjligt för farkosten att segla ännu snabbare utanför vinden.