ŻEGLARZ JACHTOWY TEORIA ŻEGLOWANIA

Transkrypt

1 Wiatr. Kursy jachtu względem wiatru ŻEGLARZ JACHTOWY TEORIA ŻEGLOWANIA Wiatr rzeczywisty (WR) jest to ruch powietrza wywołany warunkami meteorologicznymi i ukształtowaniem terenu w odniesieniu do nieruchomego jachtu Wiatr własny (WW) jest to względny ruch powietrza wynikający z poruszania się (przy pogodzie bezwietrznej). Prędkość jego jest równa prędkości poruszającego się obiektu, lecz jego kierunek jest przeciwny. Wiatr pozorny (WP) jest to wypadkowa WR i WW Kurs jachtu określamy zawsze względem wiatru pozornego Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 1 / 14

2 Siła aerodynamiczna i oporów hydrodynamicznych Burta nawietrzna to ta, na którą wieje wiatr. Przeciwna jest burtą zawietrzną. Siła aerodynamiczna Siła aerodynamiczna powstaje na żaglu w skutek działania wiatru. Strugi wiatru natrafiają na przeszkodę w postaci żagla. Część strugi zaczyna go omijać zmieniając swój kierunek, lecz nie wszystkie, gdyż żagiel zbudowany jest z tkanin nieprzepuszczalnych. Po stronie nawietrznej żagla powstaje obszar większego ciśnienia cząsteczek, czyli tzw. nadciśnienie, po drugiej stronie żagla obszar gdzie będzie mniejsze ciśnienie cząsteczek powietrza, czyli podciśnienie. W skutek różnicy powstałych ciśnień powstaje siła aerodynamiczna (Ta) skierowana prostopadle do cięciwy aerodynamicznie aktywnej części żagla i zaczepiona w środku ożaglowania (ŚO). P Z ciśnienie po zawietrznej P N ciśnienie po nawietrznej P A -ciśnienie atmosferyczne S Z przekrój strug powietrza po zawietrznej S N przekrój strug powietrza po nawietrznej V Z prędkość cząsteczek powietrza po stronie zawietrznej V N prędkość cząsteczek powietrza po stronie nawietrznej V A prędkość cząsteczek w atmosferze przed żaglem. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 2 / 14

3 Wielkość siły aerodynamicznej uzależniona jest od: Szybkości wiatru pozornego, Powierzchni żagla, Kąta natarcia (cięciwa żagla w stosunku do kierunku wiatru), Kształtu żagla (wybrzuszenie, smukłość), Właściwości tkaniny żagla, Kąta przechyłu. T A rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości wiatru pozornego, T A rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu powierzchni żagli. Kształt żagla powinien być tak dobrany, aby największa głębokość żagla była przy maszcie, a w pobliżu liku wolnego żagiel był prawie płaski. Siłę aerodynamiczną można rozłożyć na dwie składowe: Siła ciągu F C działa wzdłuż kursu jachtu, od niej zależy prędkość jachtu. Siła przechylająca (dryfu) F P działa prostopadle do kursu, wywołuje dryf i przechył. Kąt natarcia jest to kąt zawarty między cięciwą żagla a kierunkiem wiatru pozornego. Wielkość kąta natarcia zależy od kursu jachtu względem wiatru. Od kąta natarcia zależy wystąpienie maksymalnej siły aerodynamicznej. Optymalny kąt natarcia zawiera się z reguły między 10 a 20 i w miarę odpadania zwiększa się aż do 90 w fordewindzie. a) żagiel wybrany optymalnie, b) żagiel wybrany zbyt mocno (przebrany), T A siła aerodynamiczna FC siła ciągu F P siła przechyłu Ogólna zasada ustawienia żagli względem wiatru jest następująca: przy kursach ostrych (do półwiatru włącznie) żagiel powinien być na granicy łopotu ; przy dalszym odpadaniu luzujemy żagle, tak by w kursie fordewind były wyluzowane maksymalnie (bom grota do want). Na słabych wiatrach żagle powinny być bardziej wybrzuszone. Na silniejszych bardziej płaskie. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 3 / 14

4 Szkwał, czyli silniejszy podmuch wiatru rzeczywistego, powoduje zwiększenie kąta natarcia wiatru pozornego na żagle. Dzięki czemu możemy: wyostrzyć o kąt, o jaki zmienił się wiatr pozorny, zyskujemy wtedy na wysokości. Pamiętajmy, że podczas szkwałów gwałtownie zwiększa się siła przechylająca, przez co jacht bardziej kładzie na wodę. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 4 / 14

5 Siła oporów hydrodynamicznych ŻEGLARZ JACHTOWY Gdy jacht płynie kursem ostrym na część zanurzoną kadłuba działają dwie siły: Siła oporów wzdłużnych R działa ona równolegle do osi symetrii jachtu (diametralnej) i przeciwstawia się ruchowi jachtu do przodu. Siłę oporu bocznego F B działa ona prostopadle do osi symetrii jachtu i przeciwdziała dryfowi. Wypadkową ty sił jest siła oporów hydrodynamicznych T H. T A siła aerodynamiczna, F P siła przechylająca, F C siła ciągu, T H wypadkowa siła oporów hydrodynamicznych. R opór wzdłużny, F B opór boczny. Siła oporów hydrodynamicznych zmienia się w zależności od kilku czynników: Prędkości jachtu wraz ze wzrostem prędkości wzrasta siła oporów hydrodynamicznych Zanurzonej powierzchni bocznej wraz ze wzrostem zanurzenia, rośnie siła oporów bocznych F B, zwiększa się przechył jachtu, ale maleje dryf. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 5 / 14

6 Zrównoważenie żaglowe jachtu w ruchu Zrównoważenie siły aerodynamicznej (T A ) i siły oporów hydrodynamicznych zapewnia poruszanie się jachtu: Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona gdy wartości tych sił są równe jacht powinien płynąć do przodu z niezmienną prędkością W przypadku, gdy siła aerodynamiczna (T A ) jest większa od siły oporów hydrodynamicznych (F B ) jacht przyspiesza W przypadku, gdy siła aerodynamiczna (T A ) jest mniejsza od siły oporów hydrodynamicznych (F B ) jacht zwalnia Zrównoważenie żaglowe jachtu występuje wtedy, gdy jacht płynie ustalonym kursem (bez tendencji do skręcania) ze sterem w pozycji '0', czyli płetwa sterowa ustawiona jest w diametralnej jachtu. Uzyskuje się taki stan poprzez odpowiednie ustawienie żagli. Gdy nie można uzyskać stabilnego kursu ze sterem w pozycji '0' poprzez odpowiednie ustawienie żagli i jacht wykazuje tendencje do ostrzenia bądź odpadania. Mówimy, że jacht jest nawietrzny (ostrzy) lub zawietrzny (odpada). Nawietrzność Jeżeli przesuniemy środek ożaglowania w stronę rufy lub środek bocznego oporu w stronę dziobu powstanie moment obrotowy wywołujący skręt jachtu w stronę wiatru - jacht stanie się nawietrzny. Nawietrzność wywołuje: wyluzowanie lub zrzucenie foka przegłębienie dziobu podniesienie płetwy sterowej wybranie grota pochylenie lub przesunięcie masztu w kierunku rufy Zawietrzność Jeżeli przesuniemy środek ożaglowania do przodu lub środek bocznego oporu do tyłu, powstanie moment obrotowy wywołujący skręt jachtu od wiatru - jacht stanie się zawietrzny. Zawietrzność wywołuje: wyluzowanie lub zrzucenie grota przegłębienie rufy podniesienie miecza wybranie foka pochylenie lub przesunięcie masztu w kierunku dziobu Położenie środka bocznego oporu i środka ożaglowania nie jest stałe, zmienia się wraz ze wzrostem siły wiatru i prędkości. Dla nowoczesnych jachtów zwiększenie przechyłu również wywołuje wzrost nawietrzności. Mniejsze jachty projektuje się przeważnie tak, aby były nieznacznie nawietrzne - ułatwia to ostrzenie jachtu przy szkwałach podczas kursów ostrych. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 6 / 14

7 Znajdowanie środka geometrycznego ożaglowania. Środek ożaglowania (ŚO) to punkt, w którym zaczepiona jest siła aerodynamiczna. Znajduje się on w geometrycznym środku żagla. Dla żagla trójkątnego środek ożaglowania znajduje się w punkcie przecięcia się środkowych boków tego trójkąta. Aby znaleźć środek żagla czworokątnego postępujemy następująco: 1. Dzielimy czworokąt na dwa trójkąty wzdłuż jednej z przekątnych 2. Wyznaczamy środku powstałych trójkątów i łączymy je ze sobą 3. Dzielimy ten sam czworokąt wzdłuż drugiej przekątnej 4. Wyznaczamy środki powstałych trójkątów i łączymy je ze sobą 5. Punkt przecięcia się powstałych odcinków jest szukanym środkiem Dla jednostki o dwóch żaglach postępujemy wg następującego schematu: 1. Wyznaczamy środki obydwu żagli 2. Łączymy środki ze sobą 3. Rysujemy dwie proste równoległe do siebie i do masztu przechodzące przez środki poszczególnych żagli 4. Na pierwszej prostej odkładamy w górę tyle jednostek ile m² wynosi powierzchnia drugiego żagla 5. Na drugiej prostej odkładamy w dół tyle jednostek ile m² wynosi powierzchnia pierwszego żagla 6. Łączymy wyznaczone punkty prostą 7. Punkt przecięcia się tej prostej i prostej łączącej środki ożaglowania pojedynczych żagli jest środkiem ożaglowania dwóch żagli Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 7 / 14

8 Dyszowe działanie foka Współdziałanie grota z fokiem na kursach ostrych polega na przyśpieszeniu prędkości przepływu strug powietrza w obszarze, gdzie żagle zachodzą na siebie. Tworzy się tu dysza, która wywołuje wzrost podciśnienia na zawietrznej stronie grota i poprawia sprawność ożaglowania. Na sprawność dyszy pomiędzy grotem i fokiem wpływają następujące czynniki: Prawidłowe rozmieszczenie kip (rys. 10). Miejsce zaczepienia rogu halsowego foka (im niżej tym są mniejsze opory). Odpowiednio dobrana siła naciągu szotów foka. Ugięcie żagla przedniego. Kształt żagla przedniego. Wybrzuszenie żagla przedniego. S AA przekrój strugi powietrza w dyszy u wlotu dyszy. S BB - przekrój strugi powietrza w dyszy u wylotu dyszy. a zbyt duży naciąg liku dolnego. b - zbyt duży naciąg liku tylnego. c prawidłowe ustawienie kip. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 8 / 14

9 Stateczność jachtu. Stateczność to zdolność jachtu do przeciwstawiania się momentowi przechylającemu powstałemu w wyniku działania sił: aerodynamicznej i hydrodynamicznej. Stateczność kształtu zapewniona jest zazwyczaj dla jachtów mieczowych. Środek ciężkości SC znajduje się powyżej środka wyporu SW. Do punktu S.C. przyłożona jest siła ciężkości F C, a do SW siła wyporu F W. Gdy jacht się przechyla położenie środka ciężkości nie ulega zmianie, zmienia się natomiast położenie środka wyporu. Powstaje moment prostujący. Powstanie tego momentu i jego zależność od kąta pochylenia pokazują kolejne rysunki. Stateczność ciężaru zapewniona jest głównie dla jachtów balastowych. W tym przypadku SW znajduje się nad S.C. Moment prostujący jest stale dodatni. SW środek wyporu, S.C. środek ciężkości, F W siła wyporu, F C siła ciężkości, d ramię działania pary sił, α kąt przechyłu, α K kąt krytyczny, α M kąt maksymalnego momentu prostującego jacht. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 9 / 14

10 SW środek wyporu, SC środek ciężkości, F W siła wyporu, F C siła ciężkości, d ramię pary sił, α kąt przechyłu. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 10 / 14

11 SW środek wyporu, SC środek ciężkości, W wybór G - grawitacja Tak przedstawiają się wykresy stateczności dla trzech typów jachtów: Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 11 / 14

12 Działanie steru. a bieg do przodu, b bieg do tyłu, P siła naporu mas wody, F S siła skręcająca, F H siła hamująca. Wychylenie płetwy sterowej w bok od płaszczyzny symetrii jachtu powoduje wystąpienie na niej siły, którą możemy rozłożyć na dwie składowe: siłę skręcającą (F S ) i hamującą (F H ). Siła skręcająca daje duży moment skręcający, gdyż duże jest jej ramię działania mierzone od osi obrotu. Natomiast siła hamująca wytwarza moment hamujący bardzo mały, ale istotnie zwiększa opory ruchu. Nadmierne wychylenie płetwy sterowej powoduje znaczne zahamowanie jachtu przy mniejszym momencie skręcającym. Najbardziej optymalne wychylenie płetwy sterowej zależy od jachtu, konstrukcji steru, prędkości jachtu i promienia łuku jego skrętu, jest więc niemożliwe określenie jakiegoś uniwersalnego środka. Niemniej przyjmuje się, że optymalnym kątem wychylenia płetwy sterowej, przy którym osiąga się maksymalną siłę skręcającą jest kąt w granicach Należy także pamiętać, że im silniej wieje wiatr, tym mniejszy powinien być kąt wychylenia steru. Ze działaniem steru wiążą się jeszcze dwa pojęcia: Zwrotność jest to naturalna, niezależna od steru zdolność obrotu jachtu dookoła jego osi obrotu, przy czym położenie tej osi zależy od środka ciężkości i środka oporu. Zwrotność zależy od kształtu i długości podwodnej części kadłuba. Sterowność jest to zdolność jachtu do zmiany lub zachowania kursu zgodnie z działaniami sternika, czyli jego wrażliwość na działanie steru. Zależna jest od wielkości, kształtu i sprawności steru, punktu zamocowania steru oraz od zwrotności i stateczności kursowej jachtu. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 12 / 14

13 III. Podstawowe stany ruchu jachtu. W zależności od prędkości żeglugi rozróżnia się trzy podstawowe stany ruchu jachtu: pływanie wypornościowe, niby ślizg i pełny ślizg. Τ kąt trymu kadłuba, V prędkość jachtu, KLW konstrukcyjna linia wodna. Jacht wypornościowy jacht utrzymujący się podczas żeglugi na powierzchni wody w wyniku działania wyporu hydrostatycznego (katamarany) Pływanie w ślizgu taki ruch jachtu, w którym kadłub utrzymuje się na powierzchni wody prawie wyłącznie dzięki wyporowi hydrodynamicznemu. Jest on składową pionowej siły hydrodynamicznej powstającej przy opływaniu przez wodę z duż prędkością płaskiego dna kadłuba, ustawionego pod niewielkim kątem do powierzchni wody. Ruchowy kadłuba ślizgowego na małych prędkościach towarzyszą duże opory. Pływanie w niby ślizgu jest formą pośrednią między pływaniem wypornościowym a ślizgowym. Kadłub jest utrzymywany na powierzchni w wyniku łączonego działania siły wyporu hydrostatycznego i siły wyporu hydrodynamicznego. Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 13 / 14

14 Bibliografia: 1. Kolaszewski A., Świdwiński P, Żeglarz i Sternik Jachtowy, Almapress 2. Marchaj C., Teoria żeglowania, Almapress 3. Dąbrowski W., Vademecum żeglarza śródlądowego, Wydawnictwo MiW 4. Dąbrowski Z., Dziewulski J., Vademecum Żeglarstwa Morskiego, Almapress 5. Rymkiewicz A., Pierwszy hals biblioteczka żeglarska, Sport i Turystyka 6. Karczmarczyk A., Zielińska K., Teoria żeglowania konspekt PM Teoria żeglowania (ver ) Piotr _PepeR_ Wojciechowski Strona 14 / 14