High-performance zeilen
Waar ijsboten al een eeuw lang in staat zijn de snelheid van de wind te overtreffen, zowel voor de wind als benedenwinds, is dit vermogen pas routine geworden met de evolutie van 18 ft Skiffs in het derde kwart van de 20e eeuw, toen hun snelheid verdrievoudigde ten opzichte van die van de jaren 1950. Vaartuigen die sneller dan de windsnelheid varen, zowel voor de wind als voor de wind, zijn in staat om voor de wind te kruisen omdat de schijnbare wind altijd voor de mast is. Dit leidde tot het concept van “schijnbare wind zeilen”.
Schijnbare windEdit
De schijnbare wind is de windsnelheid (richting en snelheid), VA, gemeten aan boord van een bewegend zeilvaartuig; het is het netto-effect (vectorsom) van de bootwind, VB-de luchtstroom over het vaartuig geïnduceerd door zijn snelheid over de aarde (in grootte gelijk aan, maar in richting tegengesteld aan de snelheid van het vaartuig)- en de ware wind, VT. De schijnbare wind gemeten aan boord van een motorboot die in kalme omstandigheden vaart, VT = 0 knopen, zou van recht vooruit komen en met een snelheid die gelijk is aan de snelheid van de boot over de bodem (VA = VB + 0 = VB). Indien het vaartuig vaart met VB = 10 knopen en een rugwind van VT = -5 knopen, ervaart het een schijnbare wind van VA = 5 knopen direct op de boeg (VA = VB + VT = 10 – 5). De schijnbare wind die een stilstaand vaartuig ondervindt, is de ware windsnelheid. Indien een vaartuig een hoek van 90° maakt met een ware wind van VT = 10 knopen, en zelf een snelheid heeft die VB = 10 knopen, dan is de schijnbare windhoek 45° van de boeg en de schijnbare windsnelheid ongeveer 14 knopen, berekend als: vierkantswortel = vierkantswortel = 14,14. Naarmate het vaartuig sneller wordt dan de ware wind, is de schijnbare wind altijd voor het zeil.
Wanneer de weerstandshoek van de romp te verwaarlozen is, zijn de formules voor de berekening van VA en β:
- VA = vierkantswortel {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
ZeilvermogenEdit
Een zeil genereert lift met een voorwaartse voortstuwingscomponent en een zijwaartse component, gebaseerd op een optimale invalshoek die wordt beperkt door de schijnbare wind, VA, die voor en ongeveer uitgelijnd is met het zeil.
-
Samenstelling van de windkracht die op een zeil werkt, waardoor lift wordt gegenereerd.
(FT = Totale aërodynamische kracht, L = Lift
D =Drag, α = invalshoek) -
Omzetting van lift in voortstuwing.
(FR = voortstuwingskracht, FLAT = zijwaartse kracht)
Beta theoremaEdit
Garrett introduceert de bèta-theorie (of koers-theorie) als een manier om te begrijpen hoe de schijnbare windhoek het resultaat is van het samenspel tussen de drijvende kracht van de wind en de weerstandskracht van het water (of harde oppervlak), het resultaat van het netto-effect van twee tegenwerkende foils, het zeil in de lucht en de kiel in het water. Wanneer men de verhouding tussen lift en weerstand voor elk in zijn medium oplost, dan resulteert de resulterende beweging van het zeilvaartuig in een hoek, beta (β), tussen de schijnbare wind en de koers over het water. De romp (onder het water) en het zeiltuig (boven het water) hebben elk een weerstandshoek ten opzichte van het medium dat langs hen stroomt (water of lucht), zij zijn λ en αm in het bijgaande diagram. De som van die twee weerstandshoeken is gelijk aan β, de hoek tussen de schijnbare wind en de gezeilde koers (β = λ + αm). Deze stelling geldt voor elk zeilpunt. Een kleine β betekent een hoge efficiëntie en een potentieel voor hoge snelheid. Naarmate de voorwaartse snelheid toeneemt, wordt β kleiner; bij zeilboten met effectieve onderwaterfolies wordt de weerstandshoek van de romp, λ, kleiner naarmate de snelheid toeneemt, verwaarloosbaar bij draagvleugelboten, en in wezen onbestaande bij ijsboten en zeilboten op het land.
Schijnbare-windhoeklimietEdit
Gegeven de ideale omstandigheden van een wrijvingsloos oppervlak en een vleugelprofiel dat vermogen kan ontwikkelen, is er geen theoretische limiet aan hoe snel een zeilvaartuig uit de wind kan varen naarmate de schijnbare windhoek steeds kleiner wordt. In werkelijkheid zorgen zowel de efficiëntie van het zeil als de wrijving voor een bovengrens. De snelheid wordt bepaald door de verhouding tussen de kracht die door het zeil wordt ontwikkeld en de kracht die door verschillende vormen van weerstand (bv. oppervlakteweerstand en aërodynamische weerstand) verloren gaat. Idealiter is een kleiner zeil beter, naarmate de snelheid toeneemt. Helaas vermindert een klein zeil het vermogen van een vaartuig – zelfs een ijsboot – om sneller te accelereren dan de wind. De belangrijkste snelheidsbeperking bij krachtige zeilboten is de vormweerstand. De inspanningen om deze limiet te overwinnen zijn duidelijk te zien in de gestroomlijnde rompen van krachtige ijsboten en de verbeteringen in de vermindering van de weerstand van planerende rubberboten. Een snelle ijsboot kan een schijnbare wind van 7,5° en een snelheid van zes maal de ware windsnelheid halen op een koers die 135° uit de wind ligt. Bethwaite suggereert dat dit een praktische limiet zou kunnen zijn voor een vaartuig aangedreven door zeilen.
ZeilpuntenEdit
De zeilpunten waarop hoogwaardige zeilvaartuigen de hoogste snelheden kunnen bereiken en de beste snelheid kunnen maken over een koersoverspanning tussen een beam reach (90° ten opzichte van de ware wind) en een wide reach (ongeveer 135° ten opzichte van de ware wind). Volgens Bethwaite, die vergelijkende metingen heeft verricht bij een ware wind van 15 knopen (28 km/u; 17 mph), kan een verplaatsende Soling snelheden bereiken die iets hoger liggen dan de ware wind en 30° uit de schijnbare wind varen, terwijl een planerende 18-voets Skiff snelheden bereikt van bijna 30 knopen (56 km/u; 35 mph) bij een schijnbare wind van 20° en een ijsboot 67 knopen (124 km/u; 77 mph) kan bereiken bij een schijnbare wind van 8°.
Bij schijnbare wind zeilen is het doel de schijnbare wind zo ver mogelijk naar voren te houden, als praktisch is, voor de gezeilde koers, om de snelste koers te bereiken die goed is voor het doel. Dit vereist een vaartuig dat de ware windsnelheid kan overtreffen, zowel bovenwinds als benedenwinds; dit maakt het mogelijk de schijnbare wind ruim voor het zeil te houden op de gezeilde koersen, waarvan de snelste de rakken zijn. Te vermijden is te ver voor de wind koersen, waarbij de schijnbare wind achter het zeil gaat liggen en de snelheid onder de ware windsnelheid daalt naarmate de koers van een wijd uitlopende wind naar een rechthoekige koers (dood voor de wind) gaat.
BovenwindsEdit
Afhankelijk van het vaartuig dat wordt gezeild, kan de koers die voor de wind wordt gevaren, van het dichtstbijzijnde punt in de wind aflopen om het vaartuig in staat te stellen met optimale snelheid te zeilen. Bethwaite legt uit dat zeilen met hoge snelheid onafhankelijke actie vereist van zowel de helmstok als het grootzeil, waarbij de persoon aan het roer vermijdt te reageren op vlagen en in plaats daarvan het grootzeil versoepelt als dat nodig is, waardoor de snelheid van de boot ten opzichte van de vorige techniek, waarbij het vaartuig meer in de wind wordt gericht, toeneemt.
Uit de windEdit
Volgens Bethwaite vereist het uit de ware wind zeilen met snelheden hoger dan de wind (met de schijnbare wind voor het zeil) een andere reactie op vlagen dan voorheen werd toegepast. Terwijl een traditionele zeiler bij een vlaag reflexmatig tegen de schijnbare wind in zou sturen, is de juiste reactie bij het uit de wind zeilen, sneller dan de ware windsnelheid, weg te draaien van de vlaag en meer benedenwinds te koersen. Dit heeft het dubbele gunstige effect dat de windvlaag wordt ontlast en dat het vaartuig nog sneller uit de wind kan zeilen.