Siły działające na kadłub w wodzie

Siła wyporu


Deska, która nie porusza się w wodzie jest utrzymywana na powierzchni dzięki działaniu siły wyporu hydrostatycznego (), której wektor jest zaczepiony w środku wyporu (Sw), równoważącej ciężar sprzętu i znajdującego się na nim żeglarza (W), który to wektor umiejscowiony jest w środku ciężkości (Sc).




W porównaniu z innymi jednostkami żaglowymi można zauważyć znaczną dysproporcję między ciężarem żeglarza a kadłuba, na którym pływa. Przykładowo, jeżeli żeglarz waży 70 kg i trzyma pędnik ważący 10 kg a kadłub ma ciężar 8 kg, to proporcja między ciężarem kadłuba a obciążeniem, jakie się na nim znajduje wynosi 10:1. W przypadku większości mieczowych łodzi żaglowych stosunek ciężaru załogi do kadłuba zazwyczaj zbliżony jest do 1:1. Dodatkowo, środek ciężkości usytuowany jest wysoko nad środkiem wyporu, gdyż na desce pływamy w pozycji stojącej. Z kolei objętość kadłuba, w porównaniu z obciążeniem jakie się na nim znajduje jest niewielka. Skutkiem tego trudno jest utrzymać równowagę na nieporuszającym się sprzęcie bez wykorzystania do tego celu punktu podparcia, jaki stanowi wypełniony wiatrem pędnik. Kiedy nie działa siła aerodynamiczna, układ kadłub - żeglarz jest zrównoważony wtedy, gdy środek ciężkości znajduje się pionowo nad środkiem wyporu. Przesunięcie środka ciężkości wywołane przeniesieniem ciężaru ciała powoduje co prawda podążanie za nim środka wyporu, ale ma to zakres ograniczony szerokością i długością pływaka a ponadto powoduje zanurzanie się bardziej obciążonej części deski a wynurzanie odciążonej, a więc jej przechył, który dodatkowo utrudnia utrzymanie równowagi.








W chwili, kiedy środek ciężkości nie będzie znajdował się pionowo nad środkiem wyporu dojdzie do upadku.


















Dokładniej omówimy te zagadnienia w części dotyczącej stateczności.







Sytuacja ulega poprawie w chwili, kiedy deska zacznie się poruszać. Utrzymanie równowagi jest wtedy łatwiejsze, gdyż na kadłub zaczyna również działać hydrodynamiczna siła wyporu, która między innymi zwiększa stateczność. Jej powstanie związane jest z oddziaływaniem cząsteczek wody na denną część poruszającej się deski.




















Ustawione pod pewnym kątem trymu (γ) dno deski, poruszając się napotyka na nieruchome cząsteczki wody. Następuje zatem zwolnienie przepływu strug wody pod kadłubem w stosunku do tych, które znajdują się po bokach. W związku z tym powstaje takie samo zjawisko, jakie omawialiśmy przy wyjaśnianiu powstawania siły aerodynamicznej na pędniku. Różnica prędkości przepływu strug wody znajdujących się na zewnątrz w stosunku do poruszającego się kadłuba, a tymi, które są pod dnem powoduje powstanie różnicy ciśnień (im mniejsza prędkość przepływu tym większe ciśnienie), czyli wzrost ciśnienia dynamicznego, działającego prostopadle do dna.



















Skutkiem tego zjawiska jest zmniejszanie się zanurzenia, gdyż do siły wyporu hydrostatycznego (), która utrzymywała nieruchomy kadłub na powierzchni, dochodzi w trakcie ruchu udźwig dynamiczny, czyli składowa pionowa (Lp) siły wyporu hydrodynamicznego (N). Wraz ze wzrostem prędkości ruchu wzrasta też udźwig, skutkiem czego kadłub co raz bardziej wynurza się z wody a tym samym zmniejsza powstające na nim opory tarcia i falowy, które omówimy w kolejnych odcinkach. Zmniejszanie się tych oporów powoduje z kolei dalsze przyspieszanie deski, a co za tym idzie zwiększenie udźwigu dynamicznego. W ten sposób deska rozpędza się co raz bardziej i jeszcze więcej wynurza z wody.


W momencie, gdy kadłub zaczyna poruszać się po powierzchni utrzymywany wyłącznie przez udźwig dynamiczny (Lp), praktycznie bez udziału wyporu hydrostatycznego (), rozpoczyna się żegluga w ślizgu.


Jak łatwo się domyślić, czynnikami decydującymi o wielkości hydrodynamicznej siły wyporu są prędkość żeglugi i powierzchnia dna deski – im są większe tym większy wypór. Natomiast kąt trymu kadłuba odgrywa podobną rolę jak kąt natarcia żagla opisany przy omawianiu powstawania siły aerodynamicznej. Jednak o ile w przypadku pędnika w stosunkowo łatwy sposób możemy regulować kąt ustawienia go do wiatru to utrzymanie właściwego kąta trymu kadłuba jest o wiele trudniejsze. Decydujące znaczenie ma tutaj kształt kadłuba, zaprojektowany przez konstruktora, a szczególnie podgięcie części dziobowej (scoop), podgięcie rufy (rocker), szerokość części rufowej oraz rozkład objętości kadłuba. Nagminnie występującym błędem technicznym popełnianym przez pływających jest utrzymywanie zbyt dużego kąta natarcia. Najczęściej powstaje on w wyniku przemieszczania się deskarza w kierunku rufy kadłuba, by zrównoważyć siłę aerodynamiczną powstającą na żaglu, bez odciążenia kończyn dolnych poprzez przeniesienie ciężaru ciała na bom. Inną przyczyną jest zbyt wczesne wchodzenie w uchwyty na stopy, przed rozpędzeniem deski. Kadłub poruszający się z zatopioną rufą i zadartym dziobem nie wytworzy hydrodynamicznej siły wyporu, a jedynie będzie powodował powstawanie bardzo dużych oporów ruchu, uniemożliwiających rozpędzenie deski. Rozpędzając deskę do ślizgu musimy starać się ją utrzymać możliwie płasko na wodzie, by nie zwiększać nadmiernie kąta natarcia. Dlatego też, dla osób uczących się manewrów ślizgowych, u których najczęściej występują problemy związane ze zbytnim przegłębieniem rufy, wskazane jest przesunięcie uchwytów na stopy oraz masztu w szynie w kierunku dziobu deski, co ułatwi im wejście w ślizg i jego utrzymanie.


Kolejnym bardzo istotnym czynnikiem mającym wpływ na wielkość hydrodynamicznej siły wyporu oraz prędkość deski jest opór bryzgów (Rs), oznaczony na powyższym rysunku czerwoną strzałką. Zostanie on omówiony w części dotyczącej oporów kadłuba.