Opory ożaglowania

Opór kształtu

Następny rodzaj oporu występujący na naszym pędniku to opór kształtu. Każdy przedmiot opływany przez strugi powietrza powoduje zaburzenia ich ruchu. Tworzą się w wokół niego zawirowania. Są one tym większe im kształt przedmiotu jest mniej opływowy. Można to sprawdzić wystawiając rękę przez okno szybko jadącego samochodu. Ustawiając dłoń w poprzek do przepływających strug powietrza (np. wewnętrzną stroną w kierunku ruchu) czujemy, że powietrze z dużą siłą stara się ją cofnąć. Jeżeli dodatkowo rozsuniemy palce poczujemy, że powstająca siła jeszcze wzrośnie. Kiedy ustawimy dłoń równolegle do przepływu powietrza (np. wewnętrzną stroną w kierunku jezdni) stwierdzimy, że siła znacznie się zmniejsza. Wielkość naszej dłoni w trakcie tej próby się nie zmieniła. Zmianie uległ wyłącznie jej kształt wystawiony na wiatr i to decydowało o wartości powstającego oporu.


Częścią naszego pędnika wystawioną na wiatr jest maszt i sposób opływu go przez strugi powietrza decyduje o wielkości oporu kształtu.


W początkach rozwoju żeglarstwa deskowego pędnik był konstruowany w ten sposób, że na maszt naciągano wąską kieszeń żagla z usztywnionym za pomocą listew wyłącznie likiem tylnym.



Jak widać na rysunku, takie rozwiązanie powodowało powstawanie zaburzeń ruchu powietrza zarówno po nawietrznej jak i po zawietrznej stronie pędnika. Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, gdyż zaburzenie przepływu powstałe w przedniej części żagla utrzymuje się na całej długości opływanego profilu i powoduje znaczne spadki siły aerodynamicznej, a także zwiększa grubość warstwy przyściennej, czyli poprzednio omówiony opór tarcia. Obecnie taką konstrukcję pędnika możemy spotkać na przykład w żaglach szkolnych, przeznaczonych do nauki podstaw żeglowania, ale powodem ich stosowania nie jest chęć zmniejszenia wytwarzanej przez nie siły aerodynamicznej. Żagiel pozbawiony listew biegnących przez całą jego szerokość posiada miękki profil, który łopocze w przypadku nadmiernego wyluzowania lub wejścia deski w kąt martwy. Pomaga to uczącemu się stwierdzić, że popełnia błąd i go skorygować. O ile jest to korzystne z punktu widzenia metodyki nauczania to jednak od strony aerodynamiki nie jest to dobre rozwiązanie.


Chcąc zmniejszyć opór kształtu stworzono tzw. system RAF (Rotating Asymetrical Foil - w dosłownym tłumaczeniu niesymetryczny profil obrotowy), czyli pędnik z listwami biegnącymi przez całą szerokość żagla, których końce zachodzą na maszt i są przy zmianie halsu przepychane wraz z przednią częścią żagla przez różnicę ciśnień po obu stronach pędnika na jego stronę zawietrzną.



Taki układ eliminuje zawirowania po stronie zawietrznej żagla. Opływ jest tam niezaburzony, co jest o tyle istotne, że powstaje na niej około 70 % siły aerodynamicznej, więc gładki przepływ w sposób znaczący zwiększa sprawność aerodynamiczną pędnika.


Chcąc, by to rozwiązanie działało poprawnie musimy zwrócić uwagę na właściwy dobór sztywności i charakterystyki gięcia masztu do używanego żagla, gdyż nieprawidłowo dopasowany maszt utrudni lub wręcz uniemożliwi przechodzenie końców listew na zawietrzną podczas zmiany halsu. Równie istotne jest właściwe wytrymowanie pędnika. Przy taklowaniu, wybierając żagiel wzdłuż masztu i bomu musimy zwrócić uwagę, by listwy nie dochodziły dalej niż do połowy średnicy masztu, gdyż utrudni to ich przechodzenie, zdeformuje kształt żagla a również przyczyni się do przecierania kieszeni listwowych. Równie szkodliwe jest zbyt mocne wybranie pędnika po bomie, prowadzące do sytuacji, kiedy końce listew są odsunięte od masztu. W takim przypadku opływ będzie wyglądał tak jak na rysunku przedstawiającym pędnik z czasów początku rozwoju windsurfingu. Niestety, ten błąd jest często popełniany przez żeglarzy pływających na zbyt dużym żaglu w stosunku do siły wiatru. Czując, że są przeżaglowani wybierają maksymalnie żagiel po bomie, by wypłaszczyć jego profil. W efekcie siła ciągu pędnika zmniejsza się, natomiast wzrastają opory, co wcale nie ułatwia opanowania sprzętu podczas żeglugi.


Jak łatwo zauważyć, opisane rozwiązanie nie eliminuje zawirowań po nawietrznej stronie pędnika. Chcąc pozbyć się tej niedogodności i poprawić osiągi wprowadzono rotatory, (angielska nazwa - camber inducers, nazywane u nas powszechnie kamberami) czyli rozpórki, nadające opływowy kształt szerokiej kieszeni masztowej i stanowiące jednocześnie miejsce podparcia przymasztowych końców listew.



W tym przypadku opływ pędnika przez strugi powietrza jest prawidłowy, nie ulegają one znacznemu zawirowaniu za masztem, czyli opór kształtu ulega zminimalizowaniu. Z punktu widzenia aerodynamiki – im szersza kieszeń masztowa i dłuższy rotator tym lepszy opływ. Jednak i tu konstruktorzy żagli muszą zachować umiar w wykorzystywaniu zasad aerodynamiki, gdyż szeroka kieszeń masztowa powoduje powstanie szeregu niedogodności związanych z obsługą pędnika, czyli zmniejsza jego wartość użytkową. Do najważniejszych należą problemy z podnoszeniem pędnika. W szerokiej kieszeni dużego żagla mieści się kilka wiaderek wody, co w znacznym stopniu utrudnia start z wody, nie mówiąc już o podnoszeniu pędnika za pomocą fału startowego. Długie rotatory także znacznie utrudniają taklowanie. Chcąc uniknąć tych niedogodności producenci starali się wprowadzić różne rozwiązania, takie jak na przykład wypełnianie kieszeni masztowej pianką lub nadmuchiwanym balonem. Niestety te pomysły nie sprawdziły się w praktyce i zrezygnowano z ich stosowania.


Rozwiązaniem, dzięki któremu udało się zredukować opór kształtu bez stosowania niewygodnych w użytkowaniu rotatorów stało się znaczne zmniejszenie średnicy masztu. Udało się to uzyskać dzięki wykorzystaniu włókien węglowych. Jest oczywiste, że im mniejsza średnica masztu, tym mniejszy opór, jednak chcąc zachować sztywność i wytrzymałość konstrukcji nie można było dowolnie zmniejszać tego wymiaru. Wprowadzenie do powszechnego użytku włókien węglowych, znacznie bardziej wytrzymałych od stosowanego wcześniej włókna szklanego, pozwala w znaczący sposób zredukować średnicę masztu, a tym samym zawirowania powietrza powstające za nim. Obecnie rozwiązanie to jest stosowane przede wszystkim w pędnikach o dużej powierzchni, gdyż oprócz oporu zmniejsza ono również ciężar zestawu. Jedyne wady tego typu masztów to wysoka cena, słaba odporność na uszkodzenia mechaniczne i promieniowanie UV.