Teoria żeglowania cz.1 + cz.2

Transkrypt

ŻEGLARZ JACHTOWY
TEORIA ŻEGLOWANIA
Wiatr. Kursy jachtu względem wiatru
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. 20021105)
Piotr ‘_PepeR_’ Wojciechowski
Strona 1 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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).
PZ – ciśnienie po zawietrznej
PN – ciśnienie po nawietrznej
PA -ciśnienie atmosferyczne
SZ – przekrój strug powietrza po
zawietrznej
SN – przekrój strug powietrza po
nawietrznej
VZ – prędkość cząsteczek powietrza po
stronie zawietrznej
VN – prędkość cząsteczek powietrza po
stronie nawietrznej
VA – prędkość cząsteczek w atmosferze
przed żaglem.
Strona 2 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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.
TA rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości wiatru pozornego,
TA 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 FC – działa wzdłuż kursu jachtu, od niej zależy prędkość jachtu.
• Siła przechylająca (dryfu) FP – 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),
TA – siła
aerodynamiczna
FC – siła ciągu
FP – 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.
Strona 3 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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.
Strona 4 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
Siła oporów hydrodynamicznych
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 FB – działa ona prostopadle do osi symetrii jachtu i przeciwdziała
dryfowi.
• Wypadkową ty sił jest siła oporów hydrodynamicznych TH.
TA – siła
aerodynamiczna,
FP – siła
przechylająca,
FC – siła ciągu,
TH – wypadkowa siła
oporów
hydrodynamicznych.
R – opór wzdłużny,
FB – 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 FB, zwiększa się przechył jachtu, ale maleje dryf.
Strona 5 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
Zrównoważenie żaglowe jachtu w ruchu
Zrównoważenie siły aerodynamicznej (TA) 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 (TA) jest większa od siły oporów
hydrodynamicznych (FB) jacht przyspiesza
• W przypadku, gdy siła aerodynamiczna (TA) jest mniejsza od siły oporów
hydrodynamicznych (FB) 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.
Strona 6 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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
Strona 7 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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.
SAA – przekrój strugi powietrza w dyszy
u wlotu dyszy.
SBB - przekrój strugi powietrza w dyszy
u wylotu dyszy.
a – zbyt duży naciąg liku dolnego.
b - zbyt duży naciąg liku tylnego.
c – prawidłowe ustawienie kip.
Strona 8 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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
FC, a do SW siła wyporu FW. 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,
FW – siła wyporu,
FC – siła ciężkości,
d – ramię działania pary sił,
α – kąt przechyłu,
αK – kąt krytyczny,
αM – kąt maksymalnego momentu
prostującego jacht.
Strona 9 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
SC – środek ciężkości,
FW – siła wyporu,
FC – siła ciężkości,
d – ramię pary sił,
α – kąt przechyłu.
Strona 10 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
SC – środek ciężkości,
W – wybór
G - grawitacja
Tak przedstawiają się wykresy stateczności dla trzech typów jachtów:
Strona 11 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
Działanie steru.
a – bieg do przodu,
b – bieg do tyłu,
P – siła naporu mas wody,
FS – siła skręcająca,
FH – siła hamująca.
Wychylenie płetwy sterowej w bok od
płaszczyzny symetrii jachtu powoduje
wystąpienie na niej siły, którą możemy
rozłożyć na dwie składowe: siłę
skręcającą (FS) i hamującą (FH). 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 300 – 400. 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.
Strona 12 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
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.
Strona 13 / 14
ŻEGLARZ JACHTOWY
Bibliografia:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kolaszewski A., Świdwiński P, Żeglarz i Sternik Jachtowy, Almapress
Marchaj C., Teoria żeglowania, Almapress
Dąbrowski W., Vademecum żeglarza śródlądowego, Wydawnictwo MiW
Dąbrowski Z., Dziewulski J., Vademecum Żeglarstwa Morskiego, Almapress
Rymkiewicz A., Pierwszy hals – biblioteczka żeglarska, Sport i Turystyka
Karczmarczyk A., Zielińska K., Teoria żeglowania – konspekt PM
Strona 14 / 14

Teoria żeglowania cz.1 + cz.2

Transkrypt

Podobne dokumenty

Sailmore.pl - Katalog jachtów - katamarany