„Prześcignąć wiatr”: ile żagli, ile płetw? – cz. 2

Na jachtach nie tylko regatowych króluje obecnie ożaglowanie typu slup. Grot i fok noszone są nie tylko na małych jednostkach śródlądowych ale także na potężnych luksusowych mega-jachtach jedno i wielokadłubowych z masztami o wysokości 10. piętrowego budynku, a nawet i wyższych. Tendencja zatem do redukcji liczby żagli jest nie do przeoczenia i niebezpodstawne może być pytanie: czy te dwa żagle to nie jest czasem o jeden za dużo? Czy jeden nie będzie sprawniejszy aerodynamicznie, no i łatwiejszy w obsłudze?

Pierwszą część cyklu zamieściliśmy TUTAJ

Pytanie to staje się wyłącznie retoryczne w przypadku małych jednoosobowych łodzi, zwłaszcza regatowych, jak np. OK-Dinghy, niegdyś olimpijski Finn, czy aktualnie o takim statusie Laser w różnych wersjach, nie wspominając o Optymiście. Jedno osobowa żegluga niejako wymusza redukcję żagli do jednej sztuki, czyli grota, stawianego na maszcie. Obowiązuje więc tu zasada: jeden żeglarz – jeden żagiel.

Pomysły na żeglowanie bez grota

Oczywiście, w czasach po naukowym udowodnieniu wyższości foka pod względem sprawności aerodynamicznej nad grotem, nie brakowało projektów stawiających na napędzanie jachtu wyłącznie za pomocą foka. Chodziło też o wyeliminowanie szkodliwego dla owej sprawności wpływu samego masztu na opływ żagla. Takie myślenie doprowadziło do powstania dosyć dziwnych konstrukcji bez grota, z potężnym fokiem, ale i z… masztem (rys. 1).

Jego bowiem nijak nie da się pozbyć, a co więcej, musiał być solidniejszy niż w przypadku slupa. Dlaczego? Powód jest prosty: fok stawiany na sztagu o wiele bardziej obciąża maszt siłami ściskającymi niż grot. Tymczasem maszt bez żagla też stawia opór i to nawet większy niż z grotem, zwłaszcza przy słabszych wiatrach, wskutek zjawiska tzw. oporu laminarnego. Przy niewielkich prędkościach i małych stosunkowo średnicach opływanego przekroju cień aerodynamiczny (obszar podciśnień) za nim jest wielokrotnie większy od jego przekroju (rys. 2a). Opory przy słabszych wiatrach nie maleją więc proporcjonalnie do ich prędkości (rys. 2b).

Tym samym jacht taki nie miał szans żeglować szybciej, a tym bardziej ostrzej od zwykłego slupa. Pomysł okazał się typową ślepą uliczką, w jaką innowatorów wprowadziły uproszczone interpretacje wyników badań naukowych. Opierając się na nich nawet zbudowano we Francji duży, 35-metrowy szkuner sztakslowy (rys. 3) o prowokacyjnej nazwie „Vendredie 13” (Piątek Trzynastego), używany jako wycieczkowiec. Po przejściu w ręce kolejnego armatora powrócono do nim do klasycznego układu ożaglowania. Okazało się, że refowanie tak wielkich sztaksli w silnych wiatrach stwarzało liczne problemy. Rolery nie wytrzymywały.

Projekty rodem z lotnictwa

Nie ustawano jednak w poszukiwaniu żagla, który wymagałby minimum obsługi no i, najlepiej, gdyby wykazywał się sprawnością aerodynamiczną (określoną w lotnictwie jako doskonałość czyli stosunek siły nośnej do oporów) choćby zbliżoną do tej, jaką osiągają skrzydła samolotu. W tym celu trzeba było zrezygnować z płata miękkiego jakim jest żagiel. Tak właśnie postąpiono po raz pierwszy w katamaranach klasy C instalując sztywny płat na jednym egzemplarzu o nazwie „Patient Lady” (rys. 4), przy okazji likwidując problem masztu – został bowiem jednym z segmentów skrzydła. Wielosektorowy płat umożliwiał dostosowanie głębokości jego profilu do prędkości wiatru i kursu, jak również regulację tego parametru oraz skrętu płata wzdłuż wysokości. Jacht ze skrzydłem wygrał tzw. Mały Puchar Ameryki. Słowem – sukces, który mógłby wskazywać drogę w rozwoju napędu wiatrowego. Mógłby…, ale jest sporo „ale”…

Wszystko to osiągnięto jednak za cenę sporego ciężaru konstrukcji i wysoką cenę w sensie dosłownym, czyli mnóstwa pieniędzy. Konstrukcja takiego żaglopłata, przypominająca skrzydła samolotów z początku historii lotnictwa, pochłania wiele roboczogodzin fachowców najwyższej klasy. Łatwo też o uszkodzenie. Na dodatek, manewrowanie taką jednoskrzydłową jednostką też nie należy do najłatwiejszych.

Cena jednak nie gra roli, gdy chodzi o zdobycie najważniejszych trofeów takich np. za jakie uważa się zwycięstwo w Pucharze Ameryki. W 35. edycji tych regat ścigały się katamarany z żaglopłatem podobnym do wyżej opisywanego, ale mniej skomplikowanym, bo tylko dwusegmentowym. W bolidach tych rozpędzających się do 30 węzłów i więcej, co jest zasługą nie tylko płatów nad pokładem ale głownie tych pod kadłubem (tym zajmę się później), nie zrezygnowano z żagla przedniego, czyli foka. Łatwość manewrowania w pojedynkach jeden na jeden, czyli w tzw. match racingu, okazała się nie do przecenienia. Fok, choć nie przesadnie duży, musiał więc pozostać.

Żeglarska formuła 1, za jaką uchodzą regaty o Puchar Ameryki oraz jej bolidy, z pozoru ma tyle wspólnego ze zwykłym żeglowaniem dla przyjemności co wyścigi samochodowej Formuły 1 z motoryzacją użytkową i autami z naszych ulic. Na pierwszy rzut oka trudno doszukać się podobieństw (poza liczbą kół), jednak przepływ technologii w obu dziedzinach ze sportu do zastosowań powszechnych odbywa się nieustannie. Projektantów i żeglarzy inspirują też osiągnięcia z innych dziedzin. W żeglarstwie, a zwłaszcza w budowie jachtów regatowych, wiele pomysłów zaadaptowano z lotnictwa. Dobrą tego egzemplifikacją jest ożaglowanie typu Wingsail (rys. 5), pewna odmiana takielunku typu Aerorig, zaproponowane już dobre pół wieku temu. Kopiuje ono dokładnie zespół skrzydło-statecznik poziomy w samolocie. Na wspólnej obrotowej platformie umieszczono sztywny płat i statecznik, którego kąt względem wiatru można regulować. Dzięki temu zmiana kąta natarcia żaglopłata względem wiatru nie wymaga mocowania się załogi z taliami czy kabestanami o ogromnych przełożeniach, jak w przypadku konwencjonalnego grota. Co więcej, taki układ automatycznie dostosowuje się do zmian kierunku wiatru, zwalniając załogę z męczącego obowiązku .

Inwencja kontra pragmatyzm

Jak każdy pomysł ma swoje wady i zalety. Jednostki, zwłaszcza jednokadłubowe, wyposażone w taki system mogą mieć problemy ze statecznością, ponieważ waży on znacznie więcej niż konwencjonalny. A wszystko co nad pokładem podwyższa środek ciężkości, zatem powinno być jak najlżejsze. Koszty takiej konstrukcji (obrotowy wolnonośny maszt) także mogą przyprawić o ból głowy. Paradoksalnie więc dążenie do łatwości obsługi powoduje piętrowe komplikację w konstrukcji i główny cel gdzieś się gubi się w trakcie realizacji pomysłu.

Saildrone projektuje i produkuje autonomiczne pojazdy powierzchniowe zasilane energią wiatrową i słoneczną, zwane saildronami, które umożliwiają ekonomiczne gromadzenie danych o oceanach na dużą skalę. Współpracując z rządami i prywatnymi firmami na całym świecie, tworzą największy na świecie zbiór danych oceanicznych dotyczących rybołówstwa, pogody i klimatu, emisji dwutlenku węgla, metoceanu, batymetrii i aplikacji kalibracji satelitarnej. Żaglodrony, bo chyba tak można je nazwać, używają sztywnych żagli typu Wingsail do poruszania się. Technologia powiązana ze skrzydłem (poziomy wysięgnik i ogon-statecznik, a także powiązane oprogramowanie) pozwala na samodzielne wyważanie skrzydła, tak aby pojazd mógł płynąć po z góry określonych (przez ludzi) punktach trasy. Saildrone wykorzystuje sztywne skrzydło, ponieważ jest znacznie trwalsze niż miękki żagiel, oraz trymer na tylnej krawędzi ogona.

Nowe jak zwykle rodzi się w bólach, ale postępu, nawet w tak tradycyjnej dziedzinie sportu jak żeglarstwo, nie da się zatrzymać. Świadczy o tym również to, co można zobaczyć pod dnem kadłubów nowoczesnych jachtów regatowych. W przeciwieństwie do żagli bowiem ilość płetw multiplikuje się gwałtownie. O tym jednak w kolejnym odcinku cyklu!

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

Tekst i rysunki: dr Jerzy Pieśniewski/materiały prasowe JP Yachts Design