Opory ożaglowania

Opór Tarcia


Dotychczas omawialiśmy cechy konstrukcyjne pędnika wpływające na wielkość powstającej na nim siły aerodynamicznej. Teraz zajmiemy się niekorzystnymi zjawiskami występującymi na jego powierzchni w wyniku opływania przez strugi powietrza czyli oporami ożaglowania.


Pierwszym, z nich jest opór tarcia. Powietrze opływając ciało, na skutek działania sił lepkości zwalnia wokół niego swą prędkość. Tworzy się tak zwana warstwa przyścienna czyli taka, w której cząsteczki powietrza poruszają się wolniej niż w otaczającej przedmiot strudze. Bezpośrednio przy samym przedmiocie nie poruszają się wcale. Są jak gdyby przyklejone do jego powierzchni. W miarę oddalania się, prędkość przepływu wzrasta, aż wreszcie osiąga normalną wartość, czyli taką, jaka istniałaby bez jego obecności. O istnieniu tego zjawiska można przekonać się w prosty sposób. Wystarczy wyjechać na drogę zakurzonym samochodem. Wydawałoby się, że jak pojedziemy z dużą prędkością, to powietrze zdmuchnie z niego kurz. Ci, którzy niezbyt często jeżdżą do myjni wiedzą, że taki sposób pielęgnacji karoserii nie działa. Auto wcale nie czyści się w trakcie jazdy, gdyż cząsteczki powietrza umiejscowione bezpośrednio przy lakierze poruszają się razem z samochodem i nie ma tam wiatru wywołanego poruszaniem się pojazdu.

















Grubość warstwy przyściennej zależy od prędkości przepływu, wymiarów opływanego przedmiotu i gładkości jego powierzchni. Jak łatwo się domyślić, większa grubość tej warstwy niekorzystnie wpływa na osiągi pędnika. Tłumacząc to najprościej – ciągniemy wraz z żaglem przyklejone powietrze, co z jednej strony powoduje straty energii, która mogłaby zostać wykorzystana do napędu deski, a z drugiej powiększa się nam grubość żagla, która z milimetrów materiału, z jakiego jest wykonany zmienia się w centymetry ciągniętego wraz z nim powietrza.


Im szybciej powietrze opływa pędnik, tym grubsza jest warstwa przyścienna. Jej grubość rośnie też w miarę przepływu powietrza wzdłuż żagla. Przy krawędzi natarcia, czyli w przedniej części żagla jest mniejsza, a w miarę zbliżania się do liku tylnego grubość zwiększa się. Na te czynniki nie mamy żadnego wpływu. Możemy jedynie dbać o to, by powierzchnia żagla była gładka, chociaż i tak zależy to głównie od producenta. Jeżeli bryty są zszyte niestarannie powstają zmarszczenia i nierówności materiału zwiększające grubość warstwy przyściennej. Same szwy również niekorzystnie wpływają na przepływ powietrza i czym jest ich więcej tym opór tarcia będzie większy. Dlatego też niektóre firmy produkują żagle, których profil uzyskuje się w formie, sklejając poszczególne warstwy, a nie uzyskując wybrzuszenie poprzez zszywanie kawałków materiału. Ważny jest też rodzaj zastosowanego tworzywa. Łatwo zauważyć, że monofilm jest gładszy niż np. dakron. Nasza rola przy redukowaniu oporu tarcia sprowadza się głównie do właściwego wytrymowania żagla, tak by nie powstawały na nim zmarszczki, oraz utrzymania prawidłowego kąta natarcia


Najmniejszy opór stwarza tzw. przepływ laminarny. Występuje on w przypadku, gdy opływany przedmiot jest gładki, ma niewielką długość a prędkość przepływu jest mała. Cząsteczki warstwy przyściennej poruszają się wtedy w sposób uporządkowany, po torach równoległych do opływanej powierzchni. Warstwa przyścienna ma wtedy najmniejszą grubość.


W chwili, gdy wzrasta prędkość przepływu lub jego długość, zmienia się on w turbulentny, to znaczy taki, że cząsteczki zaczynają drgać prostopadle do kierunku ruchu strug powietrza. Powoduje to rozszerzenie się warstwy przyściennej, a tym samym wzrost wartości oporu tarcia, uzależnionego od grubości tej warstwy. Mimo że przepływ turbulentny zwiększa opór, posiada jednak i walor dodatni. Przy takim opływie strugi powietrza później ulegają oderwaniu od opływanego kształtu niż przy przepływie laminarnym.


W przypadku wystąpienia przepływu oderwanego, najbardziej szkodliwego, bo powodującego zanik siły aerodynamicznej (patrz – przebranie żagla), kiedy strugi powietrza opływają przedmiot w sposób nieuporządkowany tworząc zawirowania, przy opływanej powierzchni nadal istnieje warstwa przyścienna.


















Jak widać na rysunku przepływ laminarny w sprzyjających warunkach (mała prędkość ruchu powietrza) udaje się utrzymać najdalej do miejsca, gdzie jest usytuowana największa grubość profilu. Po przekroczeniu tego punktu wystąpi przepływ turbulentny, który przy małych prędkościach ruchu powietrza będzie utrzymywał się na długim odcinku opływanej powierzchni, natomiast przy wzroście prędkości wiatru wcześniej ulegnie zmianie na przepływ oderwany. Wypływa z tego wniosek, że pędniki przeznaczone na zakres słabszych wiatrów mogą mieć większą szerokość, natomiast używane przy silnych wiatrach powinny być krótsze wzdłuż bomu, gdyż ta część żagla, na której występuje przepływ oderwany nie wytwarza siły aerodynamicznej, a jedynie zwiększa opór tarcia, czyli przeszkadza w żegludze. Inaczej mówiąc pędniki przeznaczone na silne wiatry powinny być bardziej smukłe, czyli mieć mniejszy stosunek szerokości do wysokości.





















W przedstawionych na rysunku pędnikach długości masztów między przeznaczonym na słabsze wiatry a tym na silniejsze różnią się o 12 %, natomiast długości bomów zmieniły się o 28 %.


Niestety, nie zawsze da się utrzymać właściwą smukłość. Ograniczenie stanowi tu długość masztu. Jej powiększanie poprawia, co prawda osiągi aerodynamiczne, jednak utrudnia utrzymanie pędnika przez żeglarza w równowadze i podnoszenie go z wody. Dlatego też konstruktorzy sprzętu muszą iść na kompromis między zasadami aerodynamiki a możliwościami fizycznymi użytkowników sprzętu i ograniczyć długość masztu do rozsądnych wymiarów, umożliwiających prowadzenie pędnika