4.
AERODINAMIKA
A hullámzó vízen haladó, széltől
hajtott vitorlás mozgásának, viselkedésének megértése nélkülözhetetlen annak,
aki vezetni és mindenféle körülmények között uralni akarja azt.
Ehhez elsőként kicsit részletesebben
kell foglalkoznunk a vitorlást hajtó energiával. A szél a levegő mozgása, és
mint ilyen tömege és sebessége, tehát kinetikai energiája van.
A szél az útjába kerülő szilárd
testeknek átadja az energiát. A mozgó levegő és a vele kapcsolatban levő
szilárd testek között erőhatások lépnek fel.
Az erők vektorokként értelmezhetők,
tehát a vektorösszegzés szabályai szerint összeadhatók, illetve felbonthatók. A
nagy felületre ható erők hatása megegyezik a felületre annak súlypontjában ható
egyetlen eredőerőével. Igy értelmezzük a vitorlán keletkező erőket is egyetlen
pontban, a vitorlafelület súlypontjában ható erőként.
A korszerű vitorla nem egyszerűen
rudakra feszített textillap, hanem egy speciálisan szabott térbeli forma, un. aerodinamikai profil (vitorlaprofil)
jellemzi. Így a vitorla bármelyik vizszintes metszete ívszeletet ad.
A szélben egyenletesen áramló levegő
mozgása az aerodinamikai profil hatására, annak környezetében megváltozik. A
szél felőli oldalon lelassul, a szél alatti oldalon felgyorsul. A
Bernoulli-féle p-v függvény értelmében ezzel forditott arányban a légnyomás a
szél felőli oldalon megnő, a szél alatti oldalon lecsökken. Kísérleti
eredmények igazolják, hogy a keletkező összes aerodinamikai erő 60-75%-át a
leeoldali szívás teszi ki!
Az eredő aerodinamikai erő (äE)
vektora merőleges a vitorlaprofil húrjára, és a profil külső (lee) oldala felé
mutat. Amennyiben a profil más rendszertől független, ebben az irányban fog elmozdulni.
Mivel azonban esetünkben a profil egy vitorla, és a vízben úszó hajótesthez van
rögzítve, más vonatkozásban is meg kell vizsgálnunk a viselkedését.
Miután logikusan a szél irányához
képest nézzük a hajó mozgását, akkor most nézzük meg, hogy a szélirány
koordináta rendszerében milyen összetevőkre bontható a profilon keletkező eredő
erő ? A szélirányba eső komponens a vitorla ellenállása (R), a szélirányra
merőleges komponens a felhajtóerő (F).
De tulajdonképpen mi a szél iránya?
Ez az első hallásra együgyűnek látszó kérdés igen érdekesen alakul különböző vonatkoztatási
rendszerekben vizsgálva!
Egy mozgó hajón ülve még
szélcsendben is érzünk szelet, mégpedig a menetszelet.
Amenyiben a kérdéses hajó bármilyen irányú szélben halad, már a külső szélirány
és a menetszél eredőjét fogjuk érezni. Ez a látszólagos szél. Mivel a hajóval
együtt mozog a vitorlája is, így a vitorla körül is a látszólagos szél áramlik, tehát a vitorlán keletkező erőket a
látszólagos szélhez képest felbontva értelmezzük helyesen.
Összefoglalva tehát a fentieket
megállapíthatjuk, hogy a vitorláshajóra ható látszólagos szél hatására a
vitorlaprofilon annak húrjára merőleges erő lép fel (äE).
A vitorla-hajótest rendszerre ható
erők egyensúlyban vannak, mivel a vitorláshajó egyenes vonalú egyenletes
mozgást végez. (Első megközelítésben eltekintünk a hullámzás, és egyéb dinamikus
erők hatásaitól.) Mindezekből következően a hajótestre egy, az előbbi eredő
erővel (äE) ellentétes értelmű, közös hatásvonalú, azonos nagyságú erőnek kell
hatnia, ez pedig az eredő vízerő
(äW). Az eredő vízerőt felbontva kapjuk a hajó döntésében részes erőt (D) és a
hajót előre haladásában fékező hidrodinamikai
ellenállást (H).
Minthogy a hajó laterálfelület
ellenállása miatt jórészt csak hossztengelye irányában mozoghat, a vitorlások
mozgását a vitorlára ható äE szélerő felhajtóerő-komponense (F) és az azzal
erőpárt képező hidrodinamikai ellenállás (H) viszonya szabja meg.
A hidrodinamikai ellenállás (H) több
ellenállásból tevődik össze:
- súrlódási ellenállás
(Hs)
- hullámképző ellenállás (Hh)
- maradék ellenállás a, dőlés
b,
csúszás
Meg kell jegyezni, hogy az
oldalcsúszás következtében a hajó uszonyán(tőkesúlyos hajó kieljén )
hidrodinamikai felhajtóerő keletkezik, amely tovább növeli a dőlést. Ez a dinamikus dőlés.
Figyelemre méltó, ahogyan a hajó
sebességének növekedésével változik a >Hs< és a >Hh< erőkomponens
aránya. Ameddig a vitorlás viszonylag kis sebességgel halad, addig a
hidrodinamikai ellenállásért szinte kizárólagosan a hajótest és a víz közötti
súrlódás (Hs) a felelős. A sebesség növekedtével a hajó útjából kitérő víz
egyre magasabb és hosszabb hullámokba rendeződik. A vitorlán keletkező
felhajtóerő egyre nagyobb hányada fordítódik e hullámok keltésére. Végül a hajó
elér egy reá jellemző kritikus sebességet,
amikor már a hajóorrnál keletkező menethullám hosszabb, mint maga a hajó. Ekkor
már a továbbra is jelenlévő súrlódás mellett a >H< értékének mintegy
75%-át a >Hh< hullámképző ellenállás képezi(4./3.1. ábra).
A legtöbb kis vitorlás ezt a
sebességtartományt nem képes túllépni. A kritikus sebesség közvetlen
összefüggésben van a kérdéses hajó vízvonalhosszával, mint ahogyan a sebesség
az általa keltett hullámok hosszúságát meghatározza (4./3.2. ábra). Minél
hosszabb ugyanis egy hajó vízvonala, annál nagyobb sebességnél éri el azt a
helyzetet, hogy a menethullám hosszabb legyen nála.
Megfelelően nagy vitorlázattal
ellátott, célszerűen lapos, széles fenékkiképzésű vitorlásokkal el lehet érni
akkora sebességet, amekkoránál a hajó felsiklik saját menethullámára. Ekkor a
hullámképző ellenállás drasztikusan csökken, és a teljesítménynövekedés már
jelentős sebességnövekedésben fizetődik ki.
A vitorlások mozgásában mindig jelen
van egy sajátos, csak rájuk jellemző komponens, az oldalt csúszás. Ennek
mértéke arányos a szél erejével, és csökkentése érdekében van szükség a jollék
uszonyára (svert), ill. tőkesúlyos hajóknak kielre. Minél nagyobb a svert (vagy
kiel) oldalnézeti vetülete, annál kisebb az oldalt csúszás, teljesen azonban
soha nem küszöbölhető ki. Éppen ez az oldalt csúszás felelős elsősorban azért,
hogy a hidrodinamikai ellenállás (H) tetemes hányada a sverten (kielen) ébred.
Például kísérletekkel igazolt, hogy 8 fokos oldalt csúszásnál az uszony okozta
ellenállás négyszerese a hajótest ellenállásának. Tehát mindig azzal a
legkisebb svertállással szabad csak hajózni, amely éppen elegendő az oldalt
csúszás csökkentésére. Ugyanakkor a jolle vezetése közben több más lehetőség is
adódik a csúszás mértékének csökkentésére (kiülés, trapéz, stb.)
Külön fel kell hívni a kezdő
vitorlázók figyelmét a kormányon keletkező fékezőerőkre. Még a kiegyensúlyozottan
futó, kormánykitérés nélkül irányban tartható
vitorlás kormánylapján is - hasonlóan a sverthez - jelentős
hidrodinamikai fékezőerő ébred. Ez még tovább növekszik minden
kormánymozdulattal. Például egy jolléban 2-3 csomós (kb. 5 km/h) sebességgel
vitorlázva, ha a kormányt 4 fokra kitérítjük, az összellenállás máris 30-40%
-al megnő. Ugyanakkor egy 8 fokos kormánymozdulattal - ami látszólag még mindig
igen kicsi - máris 100% -al növeltük meg a fékező erőket (4./3.3. ábra)!
A gyakorlatban - kint, a vízen
vitorlázva - számtalan lehetősége adódik a vitorlázás fizikáját értő hajósnak
arra, hogy nagyobb sebességet érjen el. A vitorlázásban éppen ez, a természet
erőivel való játék, a lehetőségek állandó figyelemmel kísérése adja e sport
savát-borsát!
AJÁNLOTT SZAKIRODALOM:
Tóth Kálmán: Vitorlázás (Budapest,
Műszaki; 1978.)
Tóth Kálmán: Szélcsendben, viharban
(Budapest, Sport; 1979.)
Pfeningberger - Bedő: Szörf
(Budapest, Sport; 1982.)
Tóth István: Vitorlás hajók
modellezése (Budapest, Műszaki; 1988.)