“Prześcignąć wiatr”: ile żagli, ile płetw?

Żaglowce z górą białych żagli na kilku masztach wyglądają zjawiskowo. Stały się wręcz natchnieniem dla poetów. Czy jednak ta „góra” usypana z wielu żagli rejowych równie wspaniale i efektywnie napędza statek? Dlaczego stopniowo w miarę postępu w jachtingu redukowano liczbę żagli i masztów? Obecnie jednostki dwumasztowe z takielunkiem typu jol lub kecz uważa się za retro choćby dlatego, że tak rzadko są widoczne w portach i na morzach. Na jachtach, nie tylko regatowych, króluje obecnie ożaglowanie typu slup z grotem i fokiem. A może nawet dwa żagle to o jeden za dużo?

Tekst i rysunki Jerzy Pieśniewski

Epoka żaglowców skończyła się wraz z nadejściem napędu parowego. Drogie i kłopotliwe w użytkowaniu wielomasztowce z ożaglowaniem rejowym służą obecnie jedynie do celów szkoleniowych i reprezentacyjnych (fot.1 – u góry). W jachtingu sportowym i rekreacyjnym nie miały szans również ze wglądu na niską efektywność takiego ożaglowania. Nawet słynące z prędkości klipry herbaciane preferowały żeglowanie półwiatrem czy baksztagami, halsowanie nie było ich najmocniejszą stroną. Tylko najsprawniejsze potrafiły żeglować co najwyżej 70 stopni do kierunku wiatru rzeczywistego. Gwoli prawdy, winę za to ponoszą nie tylko żagle, ale i niska sprawność powierzchni przeciwdryfowej (rys. 2). Długi i płytki kil wytwarza jaką taką siłę boczną dopiero przy bardzo dużych kątach natarcia (dryfu).

Coraz ostrzej

Dużo lepiej pod względem sprawności w żegludze na wiatr wypada ożaglowanie gaflowe, jakie stawiano w poprzednich wiekach na mniejszych jednostkach. Jednak ze względu na niską smukłość, najefektywniej działały również przy większych kątach natarcia. Nawet słynne z dzielności morskiej kutry pilotowe z kanału La Manche (rys. 3) i wzorowane na nich norweskie konstrukcje Colina Archera odznaczały się małą ostrością żeglugi na wiatr. I w tym przypadku również współdecydowała niska efektywność części podwodnej w wytwarzaniu siły hydrodynamicznej przeciwdziałającej dryfowi. Oczywiście żeglowały ostrzej na wiatr niż rejowce (nawet poniżej 60^o względem wiatru rzeczywistego), ale według współczesnych kryteriów nadal tępo.

Wielki skok w redukcji kąta martwego przyniosło dopiero zastosowanie smukłego ożaglowania typu slup wraz z wydzieleniem płetw balastowej i sterowej z kadłuba (rys. 4).

Zajmijmy się najpierw tym ostatnim czynnikiem. Rozdzielenie płetw powiększyło ich smukłość, a to z kolei sprawiło, że zredukowany został tak ważny składnik jej oporu, jakim jest opór indukowany. Przypomnijmy tu, że opór ten wynika z utraty energii na wytworzenie się wiru brzegowego. Wytwarza go różnica ciśnień na obu stronach płetwy (rys. 5a). Przepływ wody ze strony nadciśnień na stronę podciśnień skręca jej strugi w coś w rodzaju warkocza. Intensywność tego wiru zależy od siły generowanej przez płetwę oraz, w odwrotnej proporcji, od smukłości płetwy. Zatem im smuklejsze płetwa, tym opór indukowany mniejszy, a jej sprawność rośnie.

Smukły = lepszy

Maksimum siły hydrodynamicznej, rosnącej w miarę powiększania kąta natarcia, uzyskuje się wówczas przy mniejszych wartościach tego kąta. Wskazują na to efekty badań porównujących płetwy o jednakowej powierzchni i różnej smukłości. Smukła płetwa osiąga maksimum swej siły hydrodynamicznej przy znacznie mniejszych kątach natarcia (dryfu), niż płetwa o dwukrotnie mniejszej smukłości. Trzeba tu przypomnieć, że smukłość Sm, w przypadku płetw prostokątnych, oblicza się jako podwojony stosunek głębokości pod dnem do cięciwy (rys. 6a). W przypadku obrysów mniej regularnych wyraża ją kwadrat zanurzenia do powierzchni płetwy (rys. 6b).

Powyższe dotyczy również żagli: im smuklejsze, tym teoretycznie lepiej powinny sprawować się na ostrych kursach (rys. 5b). Nie dziwi więc dominacja ożaglowania typu slup z grotem i fokiem i ewentualnie żaglami dodatkowymi stawianymi na wolnym liku przednim, takimi jak genaker czy spinaker oraz ostatnio różne odmiany żagli zwanych Code 0. Wersja dwumasztowa takielunku na jachtach turystycznych powoli zanika. Efektywność kecza lub jola nie umywa się bowiem do slupa o identycznej powierzchni.

Trzy żagle lepsze, gdy…

Jedynym argumentem za takielunkiem z trzema i więcej żaglami jest większa możliwość dostosowania położenia wysokości środka ożaglowania (wypadkowej siły aerodynamicznej) do warunków żeglugi. Łatwiej zredukować w ten sposób przechył i tendencję do ostrzenia lub odpadania. Bezan jednak w normalnej konfiguracji na kursach ostrych robi raczej za samoster a nie za napęd. Strugi wiatru odchylone przez grota atakują rufowy żagiel pod kątem znacznie ostrzejszym, wymuszając jego trym bliski osi jachtu (rys. 7). Żagiel musi mieć zatem płaskie profile, więc traci na efektywności na pełniejszych kursach.

Bez eksperymentowania z ożaglowaniem nadal stawialibyśmy na jachtach żagle rejowe czy rozprzowe. Obecnie obowiązujący standardowy takielunek typu slup w momencie jego pojawienia się uznawano za rewolucyjny. Potwierdziły to rezultaty licznych badań w tunelach aerodynamicznych (rys. 8). Krzywa biegunowa ożaglowania typu slup, zwanego też bermudzkim, wznosi się pod znacznie większym kątem niż w przypadku żagla gaflowego, osiągając swoje maksimum przy mniejszych kątach natarcia – co oznacza możliwość ostrzejszej żeglugi na wiatr.

Długi czas slup nie miał konkurencji zwłaszcza na mniejszych jednostkach. Projektanci i żeglarze nie zaprzestali jednak eksperymentów z napędem żaglowym.

Nawet dwa żagle, to jednak pewien podwójny kłopot z ich obsługą. A może wystarczyłby jeden? Tylko który? Grot stawiany na maszcie czy sztaksel. Śledząc historię żeglarstwa można zauważyć ewidentny trend w konstrukcji jachtów: coraz mniejszą ilość żagli i towarzyszący temu przyrost ilości płetw. A może istnieje jakaś inna, skuteczniejsza konfiguracja pędnika wiatrowego jachtu i powierzchni przeciwdziałających dryfowi?

Na pytania te spróbuje odpowiedzieć w kolejnym odcinku cyklu.

Bliżej zainteresowanych powyższymi i innymi aspektami teorii praktyki żeglowania odsyłam do mojej książki „Szybciej niż wiatr”, dostępnej za pośrednictwem strony www.piesniewski.pl oraz na portalach Allegro oraz OLX.