A vitorláról, működéséről
v Vitorlázat
a szél energiáját alakítja át erővé, majd azt átadva a rudazat, kötélzet
segítségével a menetellenállások legyőzésével hozza mozgásba a hajót.
Alapvetően két fizikai elv, a torlónyomásos és/vagy a felhajtóerős üzemmóddal
dolgoznak. A régi idők kereszt vitorlázatú hajói gyakorlatilag csak a torló
nyomásos üzemmódban dolgoztak. A hosszvitorálzatú hajók első sorban a felhajtós
üzemmódban hatékonyak, de bős szélben a torló nyomásra kénytelenek váltani.
Itt a slup vitorlázattal foglalkozunk, mert ez a leg elterjedtebb.
Ø A vitorla működése:
§ Torlónyomás kialakulása: ha a légáramlat útjába valamilyen tárgyat helyezünk, azon a megfújás szögétől függően irányt változtat és/vagy feltorlódik. Ha a vitorlánkat nagyjából a szélirányra merőlegesen állítjuk, azon feltorlódik, lelassul, nyomást, erőt fejt ki. A vitorla (a hajó) nem halad a széllel megegyező sebességgel, a levegő a vitorlát kikerüli és a szél alatti oldalán rendezetlen, örvénylő mozgást végez. Mondhatjuk, hogy a vitorlánknak csak a szél felőli (lúv) oldala dolgozik, a szél alatti (lee) nem. Ilyen üzemmódban dolgozik a nagyvitorla és az orrvitorla bő raumban és hátszélben, továbbá a hátszél vitorla (spinakker).
§ Felhajtóerő kialakulása: Ha a térgörbe (szárnyprofil) vitorlára a szél megfelelő megfújási szöggel érkezik, továbbá a vitorla öblössége is megfelelő, a lúv és a lee oldalon is örvénylés mentesen (laminárisan) fut le, pedig a vitorla irányváltoztatásra kényszerítette. Az irányváltoztatás hatására a Bernoulli törvény (áramló közegben a nyomás és a sebesség szorzata állandó) értelmében a lúv oldalon a lassuló szél a vitorla felületén nyomást fejt ki, a lee oldalon pedig szívó erők keletkeznek. A felhajtó erő ezeknek az eredője: a vitorlafelület súlypontjában a vitorla húrjára merőleges erőként számolunk vele.
· A megfelelő öblösségről: A fentiek szerint mondhatjuk, hogy elvileg minél nagyobb irányváltoztatásra kényszerítjük a szelet, annál több energiát tudunk nyerni belőle. De ha túl nagy az öblösség, a szél (áramló közeg) a tömege miatt nem tudja lekövetni a görbületet, örvényleni kezd. Az örvénylés energiája nem adódik át a vitorlára. A gyenge légáramlásban használhatunk öblös vitorlát, de a szélerősség növekedésével laposítanunk kell.
·
A megfúvási szög akkor megfelelő, ha a szél iránya a vitorla
belépő (első) éléhez húzott érintővel párhuzamos. Ha kicsi, a vitorla hasát
belobogtatja. Ha nagy, nem laminárisan fut le az áramlás, a szívó – nyomó erők
nem tudnak kialakulni.
Gyakorlatias megfogalmazással a vitorlát úgy kell állítani, hogy az a lobogási
határon legyen. A helyesszög tartomány vitorlázási iránytól függően 10-20 fok.
§
Dűzni (fúvóka) hatás: A fentiek szerint működik külön – külön a
nagyvitorla és az orrvitorla is, részben a genakker és a récser is. Korábban
azt tapasztalták, hogy ha együtt használnak fővitorlát és orrvitorlát a hajó
teljesítménye nem felület arányosan változott meg, hanem lényegesen javult.
Mondhatjuk, hogy a két vitorla az egymásra hatásukkal növelik egymás
hatásfokát.
A két vitorla közé a szél a fedélzet-forstág-árboc háromszögben jut be. Ahol
kijut közülük a fedélzet-orrvitorla hátsó él-nagyvitorla öble (hasa). Ez a
felület lényegesen kisebb, tehát a két vitorla között az orrvitorla lúv oldalán
feltorlódik, majd hátrébb, a nagyvitorla hasánál a lee oldalán felgyorsul a
levegő. Így nagyobb nyomó, illetve szívó erők keletkeznek, mint egyébként.
v Vitorlázási
irányok: Ha vitorlázunk és helyes vitorlaállítás mellett dagad a vitorlánk
úgymond csapáson vitorlázunk. Méghozzá jobb, vagy bal csapáson, attól függően,
hogy a hajónk/vitorlánk melyik oldalát csapja a szél, azaz melyik a lúv oldala.
Vitorlázóiul a jobbcsapást backboardnak, a balcsapást steuerboardnak mondjuk.
(Németül ezekkel az elnevezésekkel a hajó azon oldalát jelölik, amelyre dőlve
úszik a hajó. Az angol elnevezésekkel is jó tisztában lenni. jobbcsapás =
backboard = starboard tack, balcsapás = steuerboard = port tack) A csapásirányt
a fővitorla állása határozza meg: mindig a bummal ellentétes oldalról csap a
szél.
A szélbeállás nem vitorlázás, de mint irány fontos. Az alábbi felsorolás
értelmezett jobb és balcsapásra egyaránt.
Ø Szélbeállás amikor a teljesen behúzott vitorlák mellett elfúj a szél, lobognak. A széltengelyhez képest jobbról – balról 30-40 fokon belül.
Ø Negyed szél, amikor a hajóra élesen fúj szél, a széljelző behúzott vitorla mellett a bum vége felé mutat. Úgy is mondathatjuk, hogy helyesen beállított vitorla mellett a bum vége még a hajótest fölött van. Krajcolni (cirkálni, lavírozni) negyed széllel lehetséges.
§ Éles negyed szél, préselés amikor a lehető legjobban behúzott vitorlákkal a lehető leg élesebben megyünk szél felé. A hajó erősen dől, lassul.
§ Futtatott negyed szélnél lazítunk a vitorlák behúzásán, ezért tompábban tudunk menni a szélhez, de lényegesen gyorsul a hajó, kevésbé dől.
Ø Fél szél, amikor a széljelző nagyjából a hajótestre merőlegesen mutat. A bum vége a hajótesten kívül van, kevésbé dől a hajó, nyugodt, harmonikus járása van. Beszélhetünk szűk és bő fél szélről is. A hajók a bő félszeles menetirányban érik el a legnagyobb sebességüket. (Ez az irány nagyban függ a vitorlázattól, de a hajótesttől is.)
Ø Háromnegyed szél, vagy raum. A vitorlák további kiengedése mellett a felhajtóerős üzem átvált torlónyomásosba. A vitorlán csökken a nyomás, csökken a dőlés, a hajó lassul, a hátulról jövő hullámok miatt is a kormányzás bizonytalanná válik.
Ø
Hátszélben a vitorlák torlónyomásos üzemmódban dolgoznak. A
száling és a vantni által megengedett mértékben a bum teljesen ki van engedve.
Ilyenkor a grószshott már alig húz lefele, a vitorla megemeli a bumot, amit az
albával feszíthetünk lefele. Mivel csak a lúv oldali nyomó erőkkel haladunk, a
hajó ezért is lassul. Másért is, de arról lejjebb.
A hátulról jövő hullámok, a vitorlán lecsökkent erő és a kis hajódőlésekre
jellemző kis kezdeti stabilitás miatt (billegékenység) a hajó kormányzása
bizonytalan, nagy figyelmet igényel.
A teljesen széltengelyen hajózást pillangós hátszélnek nevezzük, mert ekkor a
két vitorla ellentétes oldalon is kiáll „pillangóba”. Ahogy a hajó iránya
raumból közelít a hátszél felé, az orrvitorlára jutó szélmennyiség egyre
kevesebb lesz, mert az árboc – forstág vonala egyre inkább a szél irányába
esik. Hátszélben a grósz teljesen kitakarja az orrvitorlát, az úgymond leesik.
Ekkor lehet az orrvitorlát áthúzni pillangóba, vagy lehet halsolni. Az
orrvitorla „leesésének” figyelése fontos biztonsági kérdés annak az érdekében,
hogy a bum ne magától csapódjon át.
v Fizikából még egy kicsi.
A vitorla a szelet használja, de miféle szél van a vitorlában?
Ø Ismerjük a meteorológiából a szelet: iránya van, sebessége van. (Itt most eltekintünk a gyakorlatban használatos Beaufort erősségtől és a pöffösségtől.) Amikor valamit nem egy dologgal jellemzünk, azt mondjuk, hogy az vektor mennyiség. A szél vektor mennyiség, mert iránya és sebessége van. A továbbiakban ezt a szelet nevezzük valódi szélnek.
Ø Ismeretes, hogy ha szélcsendben elindulunk az autóval, vagy kerékpárral menetszél keletkezik. Nagysága megegyezik a menetsebességgel, irány éppen ellentétes.
Ø A hajóra együttesen hat ez a két szél, pontosabban a vektoriális (irány és sebesség helyes) összegük. Az irányt a nyíl iránya, a sebességet a nyíl hossza jellemzi. A grafikus vektorösszeadás úgy történik, hogy a két vektormennyiséget egymás végpontjába rajzoljuk, a kezdő és végpont összekötésével kapjuk az eredő vektort.
Ez a látszó szél. Ezt mutatják a széljelzők, ehhez kell állítanunk a vitorlát, ez hajtja a hajót.
Ø Megvizsgáljuk, hogy a különböző vitorlázási irányokban hogyan alakul a vitorlánkra fújó szél, majd azt, hogy milyen erőhatások keletkeznek a vitorlán.
§ Negyed szélben – élesen szél felé vitorlázva – a valódi szél és a menetszél iránya majdhogynem megegyezik, tehát erősítik egymást. A látszó szél erős és a valódi szélhez képest még élesebben támadja a vitorlát.
·
Ez az erős szél a jól beállított vitorlán nagy felhajtóerőt
eredményez. Sajnos azonban, hogy a felhajtóerőnk majdnem merőleges a hajóra.
Mivel az erő is vektor mennyiség – nagysága és iránya van – felbonthatjuk az
előbbiek szerint grafikusan haladási irányra merőleges és vele megegyező
összetevőre.
Ezen a vitorlázási irányon a haladási irányba eső összetevő kicsi, a hajó alig
halad. A merőleges összetevő nagy, nagy oldalcsúszást és dőlést eredményez.
(mást is, de arról később)
§ Félszélben tompábban vitorlázunk a szélhez, de a sebességünk, vele együtt a menetszelünk nő és az iránya miatt még tudja növelni a valódi szél nagyságát. A látszó szél ugyan gyengébb mint az előbb, de a menetirányi komponense sokkal erőteljesebb, a hajó is kevésbé dől. Speciális vitorlás eszközök a valódi szél sebességének többszörösét is képesek elérni.
· Láthatjuk, hogy a kisebb nagyságú erő kedvezőbb irányba hat, csökken az oldalcsúszás és a dőlés, a hajó sebessége nő.
§ Raumban a hajónk iránya közelít a valódi szél irányához. Ezért a menetszél csökkenti a látszó szél nagyságát.
· A kisebb szélerősség miatt is csökken a vitorlára ható erő, de amiatt is hogy a vitorla ebben a vitorlázási irányban már torlónyomásos üzemmódra vált.
§ Hátszélben a vitorla torlónyomásos üzemmódban van. A valódi szélből 1/1 kivonódik a menetszél, így a látszó szél is kicsi.
· A kis szélerősség csak kis erőt fejt ki a vitorlára, bár teljesen jó irányút. Nincs oldalcsúszás és dőlés. A hajó instabil, halsolás veszély van.
§ Vitorla – laterál egyensúly
A vitorlázat eredő súlypontjában ható felhajtóerőt felbontottuk haladási irányba eső és arra merőleges összetevőre.
Ez a merőleges összetevő:
· Oldalcsúszást okoz amit ugyan a súrlódás és a laterális felület gátolni igyekszik, de a hátszél kivételével minden irányban jelen van az oldalra ható erő és a laterál felület nagyságától függő mértékben. A kormányzott iránytól akár 20 fokot is eltérhet a meder feletti irány.
· Dőlést is okoz az oldalra ható erő, mert az oldalcsúszást gátló laterelfelületen keletkező nyomóerőket annak súlypontjába redukálva kapjuk a vele egyensúlyt tartó ellenerőt. A két erő közötti függőleges távolság erőkar, mellyel a dőlést okozó nyomatékot kapjuk. (Ezzel tart egyensúlyt a stabilitásnál tárgyalt súlyerő – felhajtóerő okozta nyomaték.)
· Elfordulást is okoz/okozhat az oldalra ható erő. Amennyiben a vitorla és a laterál súlypont nem esik egy függőlegesbe, a vitorlafelület súlypontjában ható oldalra ható erő és a laterálfelület súlypontjában ható ellenereje között vízszintes távolság – erőkar – lesz, melynek hatására a hajó ellenkormányzás nélkül elfordul:
¨ Lúvgerig (szél felé forduló hajlam) lesz a hajó, ha a vitorlafelület súlypontjához képest a laterál súlypont előrébb van a hajó hossztengelyében.
¨ Leegerig (széltől elforduló hajlam) lesz a hajó, ha a vitorlafelület súlypontjához képest a laterálsúlypont előrébb van.
Számunkra az a jó, ha egy függőlegesbe esnek a súlypontok, mert akkor ellenkormányzás (kormányveszteség) nélkül vitorlázhatunk. Ez elsősorban tervezési, gyártási kérdés, de magunk is tudunk változtatni:
¨ A leterálsúlypont helyét kismértékben változtathatjuk azzal, ha a hajót előrébb, vagy hátrább terheljük.
¨ A vitorlafelület súlypontját változtathatjuk vitorla cserével, reffeléssel, de egyik, másik vitorla behúzás szögének kismértékű változtatásával is.
§ Fellúvolást az előreható komponens okoz.
A vitorlafelület súlypontjában előreható felhajtóerő komponens (az egyszerűség kedvéért) a laterálfelület súlypontjában ható menetellenállással tart egyensúlyt. A megdőlt hajón ezek között vízszintes távolság, erőkar van, ezáltal nyomaték keletkezik, ami a hajót miden esetben szél felé igyekszik elfordítani. Az erősen megdőlt hajón ez olyan mértékű lehet, hogy a hajó a kormánynak nem engedelmeskedik, kitör. Ezt azonnali vitorlafelület előre helyezéssel tudjuk orvosolni, ami annyit jelent, hogy a nagyvitorlából kiengedjük a szelet.
§ Tervezési megfontolások:
Minden
szélirányra, vitorlára kiegyensúlyozott hajót nem lehet tervezni, pedig a
kormányellenállás csökkentése érdekében ez lenne jó.
A biztonság miatt a hajó inkább legyen lúvgerig. Ekkor a magára hagyott
vitorlás szélbe fut, kimegy belőle a szél, megáll, majd valamerre elfordul,
ismét szelet fog, aztán ismét fellúvol és megáll. Ez ismétlődik. A leegerig
hajó viszont leejt, fölveszi a hátszél közeli állapotot és elvitorlázik, esélyt
sem adva a vízbeesett kormányosnak.
Üzemszerűen egy vitorlás meg van dőlve. Mégis csak leegerignek kell tervezni
egy vitorlást ellensúlyozva a megdőlt hajónál jelentkező, előreható erő által
okozott lúvgerigséget!