Siły działające na kadłub w wodzie

Siły oddziałujące na miecz i statecznik


Oprócz opisanej poprzednio hydrodynamicznej siły wyporu, decydujące znaczenie dla możliwości poruszania się deski w wodzie ma siła hydrodynamiczna powstająca na płetwach miecza i statecznika.


Poruszający się w wodzie kadłub jednostki żaglowej ma tendencję do dryfowania od obranego kursu zgodnie z kierunkiem działania siły aerodynamicznej. Dla zminimalizowania tego zjawiska stosuje się płetwy miecza i statecznika. Mają one za zadanie wytworzyć siłę hydrodynamiczną (TH) zapobiegającą znoszeniu deski z obranego kursu. Mechanizm powstawania siły hydrodynamicznej jest podobny do tego, który wywołuje siłę aerodynamiczną.


Strugi wody opływają płetwę ustawioną do nich pod kątem równym kątowi dryfu. Zachodzą tu zjawiska takie jak w przypadku żagla. Cząsteczki poruszające się z punktu A do B mają do przebycia dłuższą drogę niż te z A do B. Powstająca w ten sposób różnica ciśnień prowadzi do wytworzenia się siły hydrodynamicznej. Jej wielkość jest zależna od: prędkości przepływu, powierzchni, kształtu i profilu miecza lub statecznika i kąta natarcia płetwy, natomiast zwrot jest przeciwny do siły aerodynamicznej.


Siłę tą możemy rozłożyć na dwie składowe: boczną siłę hydrodynamiczną (FB) zmniejszającą dryf, oraz opór wypadkowy (R) zmniejszający prędkość ruchu.
























Jak duże znaczenie dla prowadzenia deski ma hydrodynamiczna siła boczna można się przekonać w momencie, kiedy nastąpi nagły jej zanik. Może to mieć miejsce w 2 przypadkach: kiedy dojdzie do złamania lub wypadnięcia płetwy która ją wytwarza, lub w przypadku wystąpienia zjawiska określanego jako spin-out. Żeglując na desce bezmieczowej spotykamy się czasami z nagłą utratą możliwości utrzymania jej na obranym kursie. Kadłub zamiast płynąć do przodu, zaczyna poruszać się bokiem.


W trakcie żeglugi bajdewindem jest to spowodowane zbyt ostrym kursem w stosunku do wiatru albo za silnym naciskiem stopy nogi zakrocznej na rufową część deski. W efekcie, strugi wody ulegają oderwaniu od statecznika (tak jak miało to miejsce w przypadku żagla, przy zbyt dużym kącie natarcia). Oderwanie strug prowadzi do powstania bańki powietrza na tej stronie statecznika gdzie panuje podciśnienie (czyli przeciwnej w stosunku do burty na której jest żagiel), w wyniku czego gwałtownie spada wartość siły hydrodynamicznej zapobiegającej dryfowi a wzrastają opory. Deska zachowuje się tak jak gdyby statecznik uległ złamaniu, to znaczy nagle - w momencie wystąpienia spin-out’u odpływa w bok, na zawietrzną, zgodnie z kierunkiem działania siły aerodynamicznej. Sposobem wyjścia z takiej sytuacji jest ustabilizowanie przepływu, czyli mocne odpadnięcie w celu zmniejszenia kąta natarcia statecznika, lub wyluzowanie żagla w celu znacznego zmniejszenia prędkości. W większości przypadków symptomem ostrzegającym nas, że zaraz dojdzie do spin-out’u, jest dźwięk podobny do ssania przez rurkę mieszaniny płynu i powietrza, wydobywający się z pod rufy. Po usłyszeniu tego sygnału można bronić się przed utratą kontroli nad deską poprzez mocne pociągnięcie rufy znajdującą się w uchwycie nogą zakroczną na stronę nawietrzną. Jeżeli zostanie to wykonane energicznie, istnieje duża szansa na oderwanie powstającego bąbla powietrza.


Przy żegludze kursami wolnymi mechanizm powstawania tego zjawiska jest nieco odmienny, chociaż wywołuje identyczny skutek. Powodem jego powstawania jest wentylacja, czyli przedostawanie się powietrza w okolice statecznika. W trakcie żeglugi po fali i spienionej wodzie, gdy część statecznika okresowo traci kontakt z wodą, gromadzą się na nim cząsteczki powietrza i zbierają się tam gdzie występuje najniższe ciśnienie. Wraz z upływem czasu ilość cząsteczek powiększa się i tworzą one bańkę zaburzającą przepływ wody wokół profilu, co doprowadza do zaniku różnicy ciśnień po obydwu stronach statecznika a tym samym do zlikwidowania siły hydrodynamicznej.


Zjawisko to może również wystąpić na płaskiej wodzie. Pod dno deski płynącej w ślizgu dostaje się powietrze, które miesza się z wodą i przepływa pod dnem. Jeżeli żeglarz prowadzi deskę prawidłowo - mieszanina pozostaje za rufą, jeżeli jednak zbyt mocno obciąża nogę zakroczną - powoduje powstawanie zbyt dużej różnicy ciśnień, po obydwu stronach statecznika, w wyniku czego przepływające pod dnem powietrze gromadzi się po stronie niskiego ciśnienia powodując „spin-out”. Obrona przed tym zjawiskiem polega na odpadnięciu od wiatru, zmniejszeniu prędkości żeglugi i obciążeniu przedniej części deski.


Trzecim źródłem powstawania uślizgu bocznego deski jest kawitacja, czyli zmiana stanu skupienia wody z ciekłego na gazowy pod wpływem niskiego ciśnienia. Na szczęście występuje ona dopiero przy prędkościach przekraczających 70 km/h, czyli w praktyce mamy z nią do czynienia niezmiernie rzadko.


Innym powodem częstego występowania tego zjawiska jest statecznik o niewłaściwym kształcie, błędnie zaprojektowany przez konstruktora, lub też nieodpowiednio dobrany do rozwijanej prędkości lub powierzchni żagla (najczęściej posiadający zbyt gruby profil lub za małą powierzchnię). Jedynym wyjściem jest wtedy wymiana statecznika.


Początkujący żeglarze, którzy nie osiągają prędkości prowadzących do wystąpienia spin-out’u borykają się z innymi problemami związanymi z niewystarczającą wielkością hydrodynamicznej siły bocznej. Najczęstszą przyczyną takiej sytuacji jest zbyt mocne wybieranie żagla (przebieranie), szczególnie podczas startu na halsie. Przeważnie wygląda to w ten sposób, że deskarz rozpoczynający żeglugę w półwietrze, wybierając żagiel przyciąga róg szotowy do osi deski.



















Takie ustawienie powoduje, że siła aerodynamiczna jest skierowana prawie prostopadle do kadłuba, a w związku z tym jej składowa ciągu (Fc) ma bardzo niewielką wartość natomiast przechylająca (Fp) jest duża. W tym ustawieniu dryf, a co za tym idzie kąt natarcia strug wody na płetwy jest zbyt duży, natomiast prędkość opływu wody wzdłuż miecza lub statecznika za mała, aby na opływanym profilu mogła się wytworzyć różnica ciśnień, czyli żeby powstała hydrodynamiczna siła boczna. W konsekwencji kadłub zaczyna poruszać się bokiem z wiatrem a brak prędkości postępowej utrudnia sterowanie deską i najczęściej ostrzy ona do kąta martwego. Chcąc uniknąć tego błędu, musimy po starcie ustawić pędnik pod właściwym kątem natarcia dla półwiatru, utrzymać ten kurs do czasu, kiedy deska nabierze prędkości, stopniowo wybierając żagiel, w miarę jak deska się rozpędza się i kierunek wiatru pozornego ulega zmianie na ostrzejszy.


Innym, częstym błędem technicznym uniemożliwiającym wytworzenie hydrodynamicznej siły bocznej zapobiegającej dryfowi jest żeglowanie zbyt ostro do wiatru.





















Niedoświadczony deskarz płynąc w sposób przedstawiony na rysunku odnosi wrażenie, że deska porusza się do przodu. Złudzenie to wywołują fale napływające w kierunku dziobu deski. Jednak to nie kadłub porusza się w kierunku fal, lecz falowanie przemieszcza się w przeciwną stronę do zamierzonego kierunku ruchu. W pokazanym ustawieniu kadłuba i pędnika, mimo, że żagiel jest wypełniony wiatrem, praktycznie zanika składowa ciągu (Fc) siły aerodynamicznej, a co za tym idzie pozbawiony prędkości kadłub i płetwy nie wytwarzają hydrodynamicznej siły bocznej i poruszają się względem wody w kierunku zgodnym z działaniem siły aerodynamicznej, czyli dryfują z wiatrem w stronę pokazaną pomarańczową strzałką. Chcąc żeglować pod wiatr musimy pamiętać o utrzymaniu prędkości deski, bo od niej uzależniona jest wytwarzana na płetwach siła boczna zapobiegająca dryfowi.