Het voorstuwend effect van kiel en roer

Een nieuwe beschouwing over krachten bij het zeilen –  Wilmar de Lange.

We beginnen met een stil liggende zeilboot die net begint met zeilen. De Wind langs de zeilen zorgt dan voor een kracht die opgesplitst kan worden in twee krachten: “lift”  staat daarbij dwars op de wind en “drag” in het verlengde van de wind. Deze opsplitsing is handig omdat hierover heel veel windtunneldata beschikbaar is (lift en drag bepalen uiteindelijk de richting en grootte van de totale kracht).

Makkelijker voor het zeilen is echter om deze kracht op te splitsen in voorwaarts en zijwaarts te opzicht van de boot.

 

 

In ieder geval zal de boot, ten gevolge van deze kracht(en) en hun aangrijpingspunt gaan hellen en gaan versnellen en krijgt een kleine snelheid in de richting van de kracht. Het hellen wordt uiteindelijk door de stabiliteit van de boot gecompenseerd en laten we verder even buiten beschouwing.

 

Door de versnelling wordt de kiel onder de boot door het water getrokken. Dit hydrodynamische profiel wordt daardoor asymetrisch aangestroomd, met als bekend resultaat: een kant met overdruk en een kant met onderdruk.

Ook deze zijn in Lift en Drag op te splitsen,

en in principe ook in voorwaarts en zijwaarts op te splitsen. Bij zo’n grote hoek van aanstromen staat de totale kracht echter vrijwel loodrecht op de kiel, met alleen maar een zijwaartse kracht als gevolg.

Deze kracht op de kiel zorg voor een gedeeltelijke compensatie van de zijwaartse krachten op het zeil. (we laten effecten als hellend koppel e.d. nog steeds buiten beschouwing).

De versnelling naar lij wordt dus minder. Tegelijkertijd versnelt de boot in voorwaartse richting nog steeds door de kracht op de zeilen. Dat levert het volgende resultaat op:

Hierdoor verandert de aanstroming van de kiel, deze komt veel meer van voren.

Dat heeft een zeer groot effect op de kiel. Doordat de hoek van aanstromen veel gunstiger wordt neemt de kracht op de kiel fors toe en verandert deze ook van richting; de kracht verschuift veel meer naar voren toe. Dit heeft een groot effect op de voorwaartse en zijwaartse krachten op de kiel.

U ziet dat de kiel, wellicht geheel tegen de verwachting in, geen achterwaartse, maar juist een voorwaartse kracht oplevert! Doordat de boot licht verlijert stroomt het water schuin van voren tegen de kiel aan en kan de kiel bijdragen aan de voorwaartse snelheid van de boot!

Dit heeft uiteraard weer gevolgen voor de versnelling, en de snelheid naar loef.

Inmiddels heeft de boot een redelijke voorwaartse snelheid gekregen en gaat de romp meer doen dan de hele boel drijvend houden. De romp zorgt voor de meeste wrijving met het water en, belangrijker nog, zet energie om in golven. Hierdoor ontstaat een kracht tegengesteld aan de vaarrichting  van de boot. Alle andere delen van de boot dragen ook enigszins aan het remmend effect bij. Dit fenomeen heel “ geïnduceerde drag”. Die bijdrage is veel kleiner zodat we dat nu ook even buiten beschouwing laten. Voor wedstrijdzeilers is dit uiteraard wel van belang!

Deze “remmende” kracht is echter nog niet voldoende om de hele zaak in evenwicht te brengen dus de boot versnelt nog meer, vooral naar voren dit keer.

Vervolgens wordt de kiel weer anders en zelfs nog beter aangestroomd

Waardoor ook weer de krachten op de kiel groter worden. Maar ondertussen is de voorwaartse snelheid zodanig toegenomen dat de wind begint te draaien…… De schijnbare wind begint een rol te spelen. We gaan er even van uit dat de boot dat opvangt door licht af te vallen (een graad of 10-15). Dat betekent dat alleen de windsnelheid toeneemt en de krachten in het zeil dus iets groter worden.

De boot versnelt uiteindelijk totdat het eindresultaat wordt bereikt.

De kiel wordt nu optimaal aangestroomd, de krachten zijn maximaal en de dwarskrachten op de kiel compenseren de dwarskrachten in het zeil.

De snelheid van de boot is zo hoog dat de krachten op de romp net zo groot zijn als de voorwaartse krachten op zeilen en kiel

Dat betekent dat de zeilboot aan de wind met constante snelheid doorvaart. Alle krachten, op de zeilen, op de kiel en op de romp zijn in evenwicht.

Zeil en kiel zorgen, bij een kleine drift, voor een balans in de zijwaartse krachten. Beiden zorgen voor een bijdrage aan de voorwaartse kracht. De romp van het schip door het water levert de achterwaartse kracht waardoor voor- en achterwaarts ook in evenwicht zijn!

Het roer

Wat betekent dit nu voor het roer. We zullen de krachten op het roer in de uiteindelijke situatie in kaart brengen voor een boot die 10o verlijert

Ten eerste bij 0o roeruitslag (10o t.o.v. de koers door het water)

 

Bij 5o roeruitslag (15o t.o.v. de koers door het water)

En bij 10o roeruitslag (20o t,o,v, de koers door het water)

Het roer kan dus prima bijdragen aan de voorwaartse kracht, mits de aanstroming optimaal is. Zodra het roer overtrokken raakt draait de kracht meteen om en gaat het roer remmen.

Het roer zit natuurlijk achter de kiel. Dat betekent dat het roer te maken heeft met de downwash van de kiel. Dat betekent dat het water daar meer in de lengte richting van de boot stroomt….. het is dus mogelijk dat de echte roeruitslag ook op 10-15o ten opzichte van de boot uitkomt.

De ervaren zeilers zullen dit vast herkennen. Dit is wat er komt kijken bij “gevoel voor het sturen”. De kracht die op het roer gezet moet worden om hem mee te laten werken aan de voorwaartse snelheid…… en tegelijk om de loefgierigheid van de boot tegen te gaan kan het beste zo groot mogelijk zijn….. mits de hoek met het aanstromend water voldoende klein blijft.

Vooral bij lage snelheid levert dit zeer weinig speling voor het sturen…. En is de trim van de boot, met name de gewichtstrim, van zeer groot belang. Bij wat hogere snelheden worden de marges wat ruimer…… de maximale kracht bij weinig uitslag blijft echter steeds de beste stand van het roer voor maximale voortstuwende werking!

Conclusie

Wat leren we nu van deze benadering?

  1. Ons beeld van de kiel verandert aanzienlijk. Het is geen lastig ding dat remt maar een onderdeel van het schip dat bijdraagt aan de voortstuwing! Het is duidelijk waarom we de lift maximaal willen maken.
  2. Het maakt duidelijk dat de romp de snelheidsbeperkende factor is en dat het dus de romp is die de maximale snelheid bepaalt. Hier moeten we dus zo veel mogelijk doen om het remmend effect te verminderen.
  3. Het leert ook dat een hele kleine uitslag van het roer  naar lij niet remt maar eerder voortstuwt!

Belangrijkst is echter dat we de kiel anders gaan zien, vergelijkbaar met het zeil en net zo belangrijk voor optimaal kunnen varen.

By Wilmar de Lange | This entry was posted in Zeilen and tagged . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published.