Plachty

Zde najdete vysvětlení všech fyzikálních principů a zákonů, které využívají plachty ke své funkci. Z originálu „HOW DO SAILS WORK?“ jež Paule Bogataj vytvořil pro společnost North Sails přeložil a uptavil Šimon Seidl

Plachty – Simon Seidl, 2010

Tento materiál poskytuji českým yachtařům a trenérům pro osvěžení a doplnění znalostí týkajících se fyzikálních principů na nichž loď funguje..I když se jedná pouze o pracovní verzi- nebo právě proto, byl bych velice rád kdyby jste respektovali autorská práva jak moje, tak dalších lidí z jejihž prací jsem částečně vycházel a používali tento materiál pouze v jeho dosavadní internetové podobě. Pro ty kterým se moje práce bude líbit tu brzy čeká její kompletní rozšířené 3jazyčné vydání..a pro ty kterým se něco nezamlouvalo v této předběžné verzi bych měl velikou prosbu aby mi posílali svoje veškeré připomínky na e-mail: simonseidl@seznam.cz aby pak finální verze byla co nejlepší.
Děkuji a doufám že se vám práce jež jsem roku 2009 vypracoval za velikého přispění materiálů firmy Northsails a mnohaleté práce trenérů bude líbit 🙂

Šimon SEIDL

PLACHTY

AUTOR:Paul Bogataj pro Northsails, PŘEKLAD: Šimon SEIDL, ÚPRAVY A DOPLNĚNÍ: Šimon SEIDL

Plachty fungují na principu křídla…tato publikace vám přiblíží základní principy jejich ovládání a nastavení.
O VÝVOJI PLACHET

Plachty jsou z flexibilních materiálů, díky čemuž je možné přizpůsonit je aktuálním podmínkám…a také tomu, že plachta musí být schopna fungovat ,,oboustranně“(kvůli nutným obratům) ,což znemožňuje vyrábět některé formy používané pro křídlo. Další překážkou je že plachta musí ,,nést sama sebe“ což vede k typickému trojúhelníkovému tvaru- díky lepším materiálům a spírám je však tento ,,nedostatek“ potlačována a typický trojúhelník je postupně nahrazován účinnějšími tvary a tak se moderní plachty více podobají ,,křídlu“.

NĚCO Z FYZIKY

(poděkování mojí profesorce z fyziky ,i když se jedná o běžnou nálň jejího učiva..)

Pro funkci plachet se uplatňuje zejména tzv. Hydrodynamický paradox- pro naše potřeby pozměněný na Aerodynamický paradox(kapaliny a plyny se v tomto směru chovají obdobně). Při tomto jevu dochází ve zůženém místě k POKLESU TLAKU..:

…K OBRÁZKU: S1,S2- průměry trubice(S1>S2); v1,v2-vektory rychlosti kapaliny(v2>v1); h1,h2-rozdílné výšky hladin v horizontálních odbočkách z trubice, jež nám ukazají rozdílný tlak v části s větším a menším průměrem (S1>S2 => v1<v2 => p1>p2 => h1>h2)

..poté co jsme si vysvětlili závislost tlaku na ,,prostoru“ jímž daná kapalina/plyn proudí, můžeme se podívat jaká je konečná souvislost s plachtou..

..závěrem fyzikální vyjádření působících sil..:

(RYCHLOST A TLAK…vypuštěno z překladu, obsah totožný s předchozím textem)

…obrázek s vyznačenými vektory sil působících na povrch křídla/plachty:

ZAKŘIVENÍ (camber)

Zanedbáme li tloušťku křídla, dostaneme zekřivenou linku…její tvar určuje velikost aerodynamické
síly-,,liftu“- vznikající při daném úhlu nastavení. Jelikož plachta má minimální tloušťku, existuje prakticky právě jako tato zakřivená linka(resp. Plocha). Vzduch proudící přez vydutou (,,závětrnou“)plochu vyvíjí podtlak, vzduch proudící kolem vduté(,,návětrné“) přetlak. Tyto rozdílné tlaky udržují zakřivený tvar plachty a vyvíjí sílu, jež žene loď.

UPWASH(viz obr. -není český název tak se zapište do historie tím, že nějaký vymyslíte)

Nízký tlak na vyduté straně způsobuje stočení proudu vzduchu tak, že ,,nasává“ vzduch, jenž by měl procházet kolem vpuklé strany plachty, tomuto zakřivení proudění se říká ,,upwash“(viz. Obr.). ..jeho následkem očividně je, že vypuklé části plachty se dostává podstatně více větru, než kdyby upwash neexistoval a navíc se výhodně mění ůhel proudu vzduchu.

PLANFORM EFFECTS

,,Planform“křídla je dán tvarem náběhové a odtokové hrany. V závislosti na ,,upwash“ (jež je způsoben nižším tlakem na vyduté straně což nutí větší množství vzduchu dát se ,,touto cestou“), přídavný ,,upwash“ nastane náležitě se změnany v ,,platform“ křídla. A to, protože tak, jak nízký tlak na horní (vypuklé) straně křídla ovlivňuje vzduch nacházející se ,,vepředu pod ním“ se pohybovat vzhůru do oblasti tohoto nízkého tlaku (viz upwash- obr.), tak tento nízký tlak zároveň ovlivňuje také vzduch na stejné úrovni (po rozpětí křídla) změnit svůj směr- to způsobuje rozdílný upwash v přilehlých oblastech po délce (= rozpětí) křídla..
..viz. Obr 1.A

PŘED/ ZÁKLON (sweep)

..je definován jako úhel, sevřený kolmicí ke směru věru (proudu) a ,,quarter-chord“ ( pomyslná čára, jež je definována jako 25% šířky křídla – pozor, pokud se křídlo zužuje, viz dále( a viz. Obr.)..tato čára je vybrána z důvodu, že přibližně v těchto místech je nevětší působiště sníženého tlaku- jak je vysvětleno v jiné sekci- a tak je quarter-chord vhodná k definování záklonu křídla)

Záklon má vliv na zvýšení upwashe ve vnějších částech křídla (ty co jsou,,dál od trupu letadla“)- jak je křídlo zakloněno, proud na vnějších částech je během průchodu oblastí nízkého tlaku ovlivněn nízkým tlakem vnitřních částí křídla, a tak se pohybuje směrem ,,dovnitř a vpřed“ a to má za následek rostoucí upwash směrem k vnějšku křídla (viz obr. 2.A a 2.B)


obr.2.A


obr.2.B

..záklonu křídla/plachty se proto úmyslně využívá pro zvýšení upwashe, jež je pro nás výhodné(viz upwash a viz. Nastavení plachet)

ZÚŽENÍ (taper)

je dáno podílem šířky u vrcholu(vnějšího konce-,,od letadla“) a šířky základu (část jež je přidělaná k letadlu/ jež je v ráhně)..pro plachty, jejihž vrchol je(téměř)špičatý je zůžení extrémní(nula.. př.: bod=0 : 160= 0)-
– typické ,,trojůhelníkovité“ plachty.

Zužující-se křídlo má mnohem kratší vrcholové části, než ty, jež jsou u jeho základu. Jak se křídlo zužuje, je síla vznikající na užších částech menší (viz. Fyzikální princip křídla) z důvodu menšího povrchu schopného tuto sílu produkovat. Vzhledem k tomu, že vnější části jsou menší, než vnitřní, jsou výrazně ovlivněny nižším tlakem těchto větších vnitřních částí. Vzduch, blížící se k vnějším částem křídla je odchýlen nižším tlakem na vrcholu větších vnitřních částech křídla jež produkuje nízký tlak jen kousek odtud. Tato blízkost nízkého tlaku vnitřních částí způsobuje, že proud je táhnut vzhůru a k vnitřním částem křídla- To způsobuje, že menší vnější části pracují s VĚTŠÍM upwashem..to zvyšuje sílu, jež vyvíjejí, avšak nenahrazuje úplně jejich menší rozměry ..pro nás jako jachtaře je to ale výhodné v tom, že síla vyvinutá těmito horními částmi směřuje více dopředu což je výhodnější….viz obr.3.A

3.A

PROUD V ZEMSKÉ MEZNÍ VRSTVĚ (boundary layer)

poznat podmínky, ve kterých plachty operují je velmi užitečné k porozumění jejich práce. Vítr vanoucí nad povrchem země má s tímto povrchem (jako ostatně každá tekutna) tření. Toto tření zpomaluje vítr, jenž se jej účastní a ten toto zpomalení zprostředkovává větru nad ním..to pokračuje až do určité vzdálenosti, kde je zpomalení tak malé, že může být zanedbáno…Tento jev je nazýván Jevem mezní vrstvy. Tento jev nastává v malé míře mezi vodou a trupem, jenž se v ní pohybuje, ale pro nás mnohem podstatněji mezi zemí, a vzduchem, jenž se pohybuje nad ní – to má za následek, že vzduch ve vyších vrstvách proudí rychleji.obr.3.B:

ZDÁNLIVÝ VÍTR

je vítr, jež má přímý vliv na naši loď- resp. Plachty..Fyzikálně se jedná o vektorový součin skutečného větru a větru, způsobeného pohybem lodi (viz. Obr. 4.A)..Jak je z obrázku patrné, zdánlivý vítr v různých částech plachty se může LIŠIT (na obrázku se tak děje na základě běžného jevu, kdy je vítr v nižších částech pomalejší, než vítr výše , což má za následek že vítr dole je stočen více zepředu..menší skutečný vítr a stejný vítr vyvolaný pohybem lodi—v tomto případě přichází skutečný vítr po celé výšce ze stejného směru, ale i to se může lišit!)

…čím větší je skutečný vítr a menší vítr vyvolaný pohybem lodi(=loď jede pomaleji), tím více zboku je zdánlivý vítr stočen(a naopak) – nezapomeň že jediný vítr, jež je po celém rozpětí plachty neměnný je právě vítr vyvolaný pohybem lodi( proto, že lod i plachty se pochopitelně pohybují vše stejnou rychlostí), naopak síla i směr skutečného a tedy i zdánlivého větru se mohou v rozílné výšce lišit!..proto je potřeba adekvátně nastavit plachty a neopomíjet to, že jejich nastavení se po každém obratu může lišit.

..z toho nám také vyplývá, že sníží-li se rychlost větru (loďi vlivem setrvačnosti klesá rychlost pomaleji) tak se nám zdá, že přeostřujeme a naopak- pokud si toto budeme pamatovat, pomůže nám to využívat poryvů a nedělat zbytečné opraty při zeslabení větru (viz moje publikace)..změna během příchozivšího poryvu a získání výšky jejím využitím..obr.4.B

4.B

obr.4.A

TWIST/STOČENÍ

Jelikož pole proudu vzduchu, v němž plachty pracují je stočeno, díky pohybu lodě v Zemské mezní vrstvě, plachty potřebují získat určitý twist v závislosti s pohybem v tomto poli. Zesílení zdánlivého větru s výškou je faktorem ovlivňujícím plachtu pohybovat se (=být ustavenou) v twistované formě -kde horní část je nastavena více od středu(,,povolenější“) než horní. Dalšími faktory, udávajícími jaký twist je vhodné zvolit jsou záklon(sweep) a zůžení(taper) , jelikož mění velikost upwashe v rozpětí(=po celé ,,výšce“) plachty.

..jaký je potřeba udat plachtě twist v závislosti na měnícím se rozdílném větru a upwashi ..obr.5.A

obr.5.A

SAMOSTATNÉ PLACHTY

Samostatná hlavní plachta (cat rig) je zúžená, ale pokud je stěžeň v téměř vertikální poloze, je ve skutečnosti také zakloněná-nebo, lépe řečeno předkloněná, což je znatelné podle quarter-chord jenž nám záklon udává
(obr.6.A).. předklon má za následek částečné snížení upwashe, získaného zúžením.

obr.6.A

..Opravdová velikost upwashe nám tedy zácisí na míře zúžení, před/záklonu, a velikostním poměru plachty(délke x výška)..pomocí těchto prvků bychom měli plachtu přizpůsobit jejímu pohybu v Zemské mezní vrstvě..zvýšením záklonu stěžně tak získáváme větší upwash v horních částech plachty, vyžadující větší twist.

…Velmi zůžené a zakloněné jsou zejména kosatky a geny, což má spolu s již tak stočeným zdánlivým větrem(způs. hl. plachtou, viz. Dále) za následek význačné zvýšení upwashe směrem k jejich vrcholu

KOMBINACE PLACHET

jsou li plachty jednotlivě, je jich fungování jednodušší, než jejich kombinace (hl. plachta + kosatka..=sloop rig). Plachty pracují tak blízko sebe, že se navzájem ovlivňují. Nejvýznamějším jevem je, že tato kombinace plachty má ve výsledku větší výkon, než by byl součet výkonů samostatných plachet.

Jak jsme si již říkali, upwash je jakýmsi stočením proudícího vzduchu směrem vzhůru přez vypuklou stranu plachty. Nyní je třeba si říci, že obdobný jev se vyskytuje i tam, kde vítr plachtu opouští. Tento jev se nazývá ,,DOWNWASH“ a projevuje se stočením větru, jenž kžídlo opouští směrem dolů(=plachtu směrem do návětří..-My si jej nejspíše uvědomujeme, jako zkušenost beznadějně návětrné lodě, kdy nám závětrná loď svým ,,špatným větrem“, jenž opouštěl její plachty znemožňovala stoupat tak, jak bychom doho byli schopní, kdyby tu nebyla- a to byl právě downwash)..obr. 7.A
Hlavní plachta pracuje ve ztočeném poli downwashe, způsobeného kosatkou, což zmenšuje úhel jejího nastavení(nutí nás ji mít přitaženější/ plošší) – to však snižuje velikost síly, jež by hlavní plachta produkovala, bez účasti kosatky. Známý efekt, kdy se nám prolamuje hlavní plachta(backwinding)je zpravidla způsoben právě vlivem downwashe kosatky a dále pak blízkostí vysokého tlaku na vpuklé straně kosatky..oba tyto jevy nutí plachtu prolomit se.

 

obr.7.A

Kosatka je naopak ovlivněna upwashem hlavní plachty, což umožňuje ji nastavit povoleněji(plněji), než by tomu bylo možné, kdyby tak hlavní plachta nepůsobila.-To zvyšuje sílu (a také získáváme výhodnější směr síly) jež kosatka (gena) vyvíjí.

..Takže jak je hlavní plachta poškozována kosatkou, tak je kosatka podporována hlavní plachtou. Kolem vyduté strany kosatky prochází větší množství vzduchu, což výrazně zvyšuje její účinnost a sílu, již vyvíjí- Výsledkem je, že kombinace plachet je výkonnější, jelikož kosatka získává víc, než hlavní plachta ztácí.

Výše byl popsán efekt, kdy se loď v návětří-vzadu stane beznadějně návětrnou a je negativně ovlivněna lodí v závětří-vepředu, respektive jejím downwashem, jenž se projevuje stočením větru, nutícím nás ostřit méně, než by bylo možné kdyby tu ona loď nebyla. Nyní je třeba si říci o obdobném jevu, kdy ona závětrná-přední loď získává ,,náš“ upwash podobně jako jej získává kosatka od hlavní plachty. Není třeba nijak zdůrazňovat, že z něj má tato loď značný prospěch.

…Závěrem si můžeme vyvodit, že hlavní plachta musí být více přitažena na střed a naopak kosatka více povoplena, jak nám to ukazuje obr.7.B , kde je vyznačen upwash samostatných(modře) plachet a plachet ve zobrazené kombinaci(zelená, červená)

obr.7.B

MASTHEAD RIG-vrcholové oplachtění-kosatka/gena končí stejně jako hlavaska až na vrcholu stěžně

U vrcholového oplachtění končí obě plachty na vrcholu stěžně a jsou(zpravidla) silně zúžené. To má za následek podobné vzájemné ovlivňování-se těchto plachet, po celé jejich výšce..Hlavní plachta je tak po celé výšce trimována přitaženěji a kosatka/gena povoleněji (viz také kombinace plachet a obr.8.A).

FRACTIONAL RIG- kosatka upevněna níže, než hlavní plachta (obr. 8.A)

..jeho fungování je složitější, jelikož vrchol kosatky se nachází níže, než vrchol hlavní plachty. Z toho vyplývá, že vrchol kosatky je blízko hlavní plachty v místech, kde má hlavní plachta poměrně velkou plochu. Jak se kosatka k hlavní plachtě přibližuje, roste pochopitelně také upwash, kvůli větší blízkosti nízkého tlaku na vyduté straně hlavní plachty jež upwash způsobuje. To udává horním částem kosatky potřebu být trimována více twistovaně, nežli u vrcholového oplachtění (vzhledem k vyššímu upwashi).

Zdánlivý vítr části hlavní plachty, jež se nachází nad kosatkou není ovlivněn downwashem kosatky a tak přichází podstatně více ze strany (nežli tam, kde se působení kosatky projevuje), proto je možné trimovat hlavní plachtu povoleněji a plněji což má za následek že horní partie hlavní plachty produkují mnohem více síly než dolní partie ovlivněné kosatkou(resp. jejím downwashem). Tato změna směru zdánlivého větru -a tedy i natavení hlavní plachty je u fractional rigu poměrně dramatická a vede k trimování s více twistovanou

hlavní plachtou, nežli u vrcholového oplachtění.
Obr.8.A (rozsílný=rozdílný)

ÚHLY PROUDU (flow angles)

Zhodnocením všech činitelů, majících vliv na plachty se vyjevuje, že u obou plachet se s rostoucí výškou zvyšuje i úhel proudu větru- resp. jejich nastavení. Kosatka pracuje v twistovaném proudu zdánlivého větru, s upwashem způsobeným jejim zakloněním a zůžením a také s upwashem jejž vyvíjí hlavní plachta. Hlavní plachta pracuje v twistovaném zdánlivém větru, s upwashem zvýšeným jejím zúžením, ale poněkud sníženým jejím předklonem (je li stěžeň kolmo, je plachta ve skutečnosti předkloněna..viz před/záklon). Navíc se hlavní plachta nachází v působení downwashe kosatky, který je však stočený úměrně s twistem kosatky- což je u fractional rigu obvzláště výrazné.

TVAR PLACHTY (sail shape)

Když jsme si stanovili vlastnosti (směry) proudu, bylo by vhodné probrat možnosti tvaru plachty. Nejprve je třeba si připomenout, že plachta existuje v podstatě jen jako linka(na rozdíl od křídla je plochá). Nyní je třeba probrat jednotlivé možnosti zakřivení a říci si, které jsou pro dané podmínky nejvhodnější.

Jelikož je plachta vyrobena z ohebných materiálů, je zakřivení jejího tvaru podporováno tlakovými rozdíly, jež vyvíjí. Z toho je patrné, že NÁBĚHOVÝ ÚHEL PLACHTY MUSÍ BÝT PŘIZPŮSOBEN ÚHLU PŘICHÁZEJÍCÍHO PROUDU.(obr.9.A) ..Je li úhel plachty moc velký(= je povolená/plná v přední části) pak plachta začne fletrovat (prolamovat se), a pokud je naopak úhel příliš malý (přitažené/ vyploštěná plachta) pak bude plachta ztrácet, jelikož proud bude nucen se stáčet v nedosažitelném úhlu kolem přední části plachty. Také je zřejmé, že náběhový úhel by měl růst s rostoucí výškou adekvátně se změnami v twistovaném větrném poli. Dále se nám objevují další dva problémy..Kde by měl být zadní lem plachty, což udává úhel nastavení a tedy i twist? Jak toho dosáhnout a jaké by mělo být specifické zakřivení plachty?

Závislost polohy náběhové a odtokové hrany( předního a zadního lemu) stanovuje úhel nastavení(náběhu) jednotlivých částí plachty. Lift (tedy síla, již plachty vyvíjí) roste úměrně s úhlem nastavení(resp. s úhlem, pod nímž vítr plachtu obtéká) -tudíž pokud se plachetnice snaží, aby plachty vyvinuly maximum síly (dokud nedojde k ,,přetížení“- kdy se loď naklání/převrací v důsledku příliš velké síly, vyvinuté plachtami, již není možné dále vyvážit), pak je třeba aby se zadní lem nacházel co nejblíže středu lodi-tím dosáhneme největšího úhlu natavení(=úhlu náběhu) a tudíž největšího liftu, i když je bohužel nemožné trimovat plachtu na neomezený úhel (pak dochází k odtržení proudnic, viz. Dále)

Někteří závodníci naopak preferují jízdu s povolenějšími plachtami, jež sice orientuje sílu výhoději více ve směru lodi, ovšem škodlivě zvětšuje sílu v zadní části plachty, jež má nevhodný směr( týká se například některých polských závodníků)…obr.9.B

Obr.9.A

Obr.9.B

ODTRŽENÍ A ZTRÁCENÍ (SEPARATION A STALL)

Při určitých úhlech náběhu dochází k tomu, že plachta/ její část začne ztrácet..to nastane v případě, kdy se proud vzduchu, putující po vyduté straně plachty již dále není schopen na tomto povrchu udržet a odtrhává se, což má za následek ztrátu produkované síly. V závislosti na tvvaru plachty ztrácení nastává náhle v důsledku malého zvýšení náběhového úhlu, nebo postupně, kdy se proud nejprve odtrhává pouze na určitých místech. Odhalit tento škodlivý jev je možné pomocí špionků, které, dojde li k odtržní proudu (a tedy ztrácení) začnou plandat(nebo se třepat), namísto aby vlály(směrem vzad v přibližně vodorovné poloze).

Odtržení nastává proto, že je příliš velký tlakový rozdíl, kterého by proud musel dosáhnout. Lift(síla plachet) vzniká díky snížení tlaku v důsledku zrychlení vzduchu přez vydutou stranu plachty- jak se vítr blíží ke konci plachty, musí jeho tlak znovu nabýt přibližně původní hodnoty (na vyduté straně vzrůst, na vpuklé poklesnout)a to stejné platí pro rychlost, jelikož se pak dostává do oblasti, kde již není plachta, jež by na něj měla vliv. Tento jev se nazává tlakové vyrovnání. Další možností, jak o tomto jevu přemýšlet je že jak vítr z vyduté a vduté strany plachty putují směrem k jejímu konci, musí znovu nabýt původní tlaku, jako by mezi nimi předtím nebyla žádná plachta, ovlivňující jejich tlak. Neznamená to, že tentýž vzduch, jež byl na počátku plachtou rozdělen se na konci znovu setká (i když se to tak často vysvětluje zejména začínajícím mladým jachtařům pro snažší pochopení). Znamená to zkrátka, že velikost tlaku vzduchu na vyduté a vduté straně se na konci plachty musí vyrovnat, jelikož poté, co se sem dostanou jsou totožné. Tento tlak je prakticky shodný s tlakem, jenž byl před narušením proudu vzduchu plachtou.

Jak jme si řekli výše, zrychlený vzduch na vyduté straně plachty musí směrem k jejímu konci zpomalit, aby tak bylo dosaženo požadovaného vyrovnání tlaku. Vzduch vyduté strany plachty však stále putuje mnohem vyšší rychlostí, než ten na vduté straně.

Když proud na vyduté straně plachty zpomaluje ze svého zrychlení, vynáší značný nárůst tlaku úměrně s blížícím se koncem plachty(z velmi nízkého tlaku umožňujícího vzik požadované síly do původního poměrně vyššího tlaku). Velikost(prudkost) tohoto tlakového rozdílu je dána počátečním zrychlením (jež závisí na úhlu náběhu a tvaru plachty) a délce oblasti tlakového vyrovnání (oblast od nejhlubšího profilu dozadu). Pokud je tento tlakový rozíl příliš velký, proud již není schopen putovat po povrchu plachty a odtrhává se v důsledku vysokého tlaku a nastává ztrácení, jež pochopitelně snižuje sílu, již plahta produkuje. To nastane tehdy, když je příliš velký náběhový úhel(viz náběhový úhel) a/nebo je příliš velké zakřivení plachty (je příliš plná) což sice vyvíjí velkou rychlost proudu, ale vyžaduje příliš extrémní zpomalení proudu se kterým souvisí nárůst tlaku způsobující odtržení. Proto je vhodné proud zpomalovat pozvolna pomocí dlouhého, postupného zakřivení zamezujícího prudký nárůst tlaku.(obr.10.A, B a 11.A) Toho lze nejlépe dosáhnout pomocí dlouhého rovného tvaru zadní části plachty, postrádajícího zakřivení, jež by mohlo umožňovat zvýšení rychlosti proudu.

Obr.10.A-změna tlaku v jednotlivých částech profilu

Obr.10.B -c)odtržení proudnic v důsledku příkrého vzestupu tlaku, d) flatrování v důsledku přílišné plnnosti

obr.11.A

DISTRIBUCE TLAKU A ZAKŘIVENÍ

Jak vzduch prodí kolem každé strany plachty, mění se jeho tlak v závislosti na jejím zakřivení v daném místě. Poté, co jsme si definovali nastavení úhlu předního lemu dle směru přicházejícího proudu a úhel nastavení plachty tak aby se zamezilo ztrácení, nám stále zbývá mnoho možných nastavení tvaru plachty.

Jelikož účelem plachty je vyvinout sílu pohánějící loď dopředným směrem, mělo by být nejefektivnější, aby plachta operovala s co největším možným tlakovým rozdílem. Cestou, jak tohoto dosáhnout je, zrychlit proud rychle(= na krátkém úseku plachty) kolem vydutého předního lemu, aby tak bylo dosaženo nízkého tlaku v přední části vyduté strany a pak jej udržovat po značnou část plachty. Toho je dosaženo udělením vysokého zakřivení přední části plachty. Jak je proud jednou zrychlen, je možné redukovat zakřivení a proud bude nadále rychle pokračovat kolem vyduté strany plachty. Zadní část musí být plochá, aby se zamezilo rychlému zpomalení jež by vedlo ke ztrácení(jak je řečeno výše). Tyto detaily jsou základními faktory, určujícími zakřivení úhlu přední části plachty jež poskytuje vepředu položenou pozici maximální hloubky profilu a plochý zbytek plachty, jež jsou osvědčenými znaky typického profilu plachty.-obr.10.A/b)

Je zřejmé, že profily s více vzadu položeným zakřivením udržují proud déle zrychlený, což sice produkuje více celkové síly díky většímu poli sníženého tlaku, ale síla zadní části plachty je orientována nevhodným směrem(příliš vzad) což snižuje požadovanou dopřednou sílu a naopalk zvyšuje boční síly naklánějící a vychylující loď. Navíc tvar s tímto vzadu položením zakřivením má kratší dráhu pro vyrovnání tlaku, jež snadno vede k odtržení proudu a ztrácení.-obr.12.A

Dalším faktorem, jejž je třeba vzít v úvahu je, že zakřivenější přední lík nebo hlubší profil sice produkují větší sílu, avšk na účet toho, že je třeba mít větší náběhový úhel, jenž požaduje větší úhel zdánlivého větru aby plachty nefletrovaly(obr.10.Bd) ). To má za následek, že loď není schopna plout tak ostře proti větru (k větru) čímž se nám vysvětluje, proč mohou spinakry být tak plné ale není je možné použít při příliš ostrých kurzech. Proto je vždy třeba důkladně uvážit možnosti vyššího výkonu či vyšší stoupavosti. To vyžaduje vhodný kompromis mezi plným zakřiveným předním lemem razantně zrychlujícím proud a plošším, mírněji zakřiveným lemem, jenž sice neposkytuje takovou hnací sílu, ale umožňuje jízdu ostřeji k větru. RYCHLÉ lodě s VELKOU plochou plahet upředostňují plošší plachty, POMALEJŠÍ lodě s MENŠÍ plochou plachet potřebují plnější plachty, jež jsou schopny vyvolat větší hnací sílu.

Obr.12.A

INDUCED DRAG (indukovaný tah)

Dalším faktorem, jenž je třeba vzít v úvahu je induced drag. Je to drag(,,tah?“) jejž křídlo vyvíjí, když produkuje lift. Křídlo izoluje po většinu své délky nízký tlak vyduté strany od vysokého tlaku vpuklé strany svou fyzickou přítomností. Ovšem na konci křídla neexistuje nic, co by vzduchu zabránilo přecházet z oblasti vyššího, do oblasti nižšího tlaku(pochopitelně se z fyzikálních důvodů tyto tlaky snaží vyrovnat, jakmile je to možné). To vede k typickému víření jež se projevuje viditelným stáčením konců křídel letadel. Pokud si však prou zvolí tuto alternativní cestu kolem konce, místo přez povrch křídla, je vydávána energie, jež nezpůsobuje lift, ale drag(tah). Tento jev se nazývá induced drag a roste úměrně s liftem. Takže křídlo -a stejně i plachta jež poskytuje značný lift vyvíjí také více induced dragu naopak křídlo s menším liftem vyvolává dragu méně. obr.13.A

Nejefektivnější cestou, jak minimalizovat induced drag je zvýšit rozpětí křídla(logicky se zvýší plocha plachty-tedy i její výkon, ale tah vzroste jen minimálně), jelikož induced drag je nepřímo úměrný rozpětí nadruhou (rozpětí x rozpětí) . Právě proto mají vysoce účinná letadla, jako jsou větroně, velmi velké rozpětí. Snížení induced dragu lze kromě zvýšení rozpětí také dosáhnout pomocí křidélek (na konci křídel, zabraňují přecházení vzduchu svou vyzickou přítomností, setkáme se s nimi, jako s malým křidélkem kolmým na křídlo, připevněným na jeho koci u dopravních letadel)- ta se využívají pokud je dáno umělé omezení velikosti rozpětí. Obr13.B

obr.13.B

obr.13.A

SPANLOAD (rozložení sil v jednotl.částech plachty)

Kromě úzké závislosti na velikosti liftu je induced drag také závislý na tom, jak je lift produkován. Už bylo vysvětleno, jaký mají zůžení a záklon vliv na upwash po rozpětí (výšce) plachty, což způsobuje rozdílný lift jednotlivých částí plachty. Dále má na produkci liftu v různých částech plachty nepochybně vliv velikost zakřivení a náběhový úhel.–toto rozložení liftu(jež je dáno aktuálním nastavením plachty) po celé její délce se nazývá spanload.

Bylo zjištěno, že pro izolované křídlo, v netwistovaném proudu vzduchu má ideální rozložení liftu eliptický tvar- Toho je dosaženo na netwistovaném, nezakloněném křídle eliptické plochy….not translated..

Spanload může být změněn několika způsoby

Zužování křídla způsobuje snižování liftu na vnějších(koncových) částech, protože-i přes větší upwash a tím i zvýšený výkon mají výkon podstatně zmenšený kvůli malé ploše. ZAKLÁNĚNÍ dozadu zvyšuje upwash a tím i lift a tedy výkon vnějších částí křídla,protože roste náběhový úhel za zachované velikosti. TWISTOVÁNÍ vnějších částí křídla do většího/menšího úhlu zvyšuje/snižuje lift. Zvýšením ZAKŘIVENÍ vnějších částí křídla také zvyšuje lift jenž křídlo vyvíjí.obr.14.A,B,C

Všechny tyto rysy nám umožňují měnit spanload což vede k různým spanloadům poskytujícím rúzný induced drag za stejného liftu. To se děje, protože induced drag je…not translated..Konec křídla nedokáže vyvíjet lift, jelikož není schopen podpořit tlakový rozdíl -hodnota liftu na úplném konci křídla tedy musí být nulová. Vnitřní části křídla produkují značný lift, který však musí směrem ke konci křídla klesat až na nulu na jeho konci. Způsob, jakým se lift mění (zpr. Klesá) směrem ke konci křídla udává tvar spanloadu a stanovuje také distribuci liftu na níž závisí induced drag.

Tvar spanloadu pro plachty-jež se pohybují v twistovaném poli proudu- se v některých ohledech liší od jednoduchého eliptického spanloadu. Jelikož je větrné pole stočeno způsobem, jenž orientuje lift horních částí plachty více dopředným směrem než lift spodních částí (neboť lift je orientován ve směru kolmém na směr proudu v daném bodě), tak je zřejmé, že ideální spanload v podmínkách tohoto twistovaného proudu bude třeba zvýšit směrem ke konci křídla (na rozdíl od optimálního eliptického pro netwistovaný proud). Extrémě zúžený tvar většiny plachet vynáší směrem ke kionci podstatně méně liftu než má ideální elyptický spanload-tedy lift menší než optimální. Kosatky a geny, jež jsou značně zakloněny, mají dále velmi malou plochu plachty v horních částech jež produkuje jen malé nožství liftu. Nezakloněná hlavní plachta, zvláště pak u fractional rigu kde se její horní část nachází nad oblastí vlivu kosatky, neprodukuje ve svých vrcholových částech dostatek liftu, aby bylo dosaženo eliptického spanloadu. Rozšíření horních částí plachty (jak to můžeme vidět u moderních závodních lodí) je efektivní cestou, jak zvýšit lift horních částí plachty a tak dosáhnout téměř optimálního spanloadu.- Za tímto účelem jsou používány celospírové plachty (= plachty jejihž spíry jsou přez celou šířku profilu), jež však nejsou u nboha lodních tříd povoleny. Další možností, jak zvýšit lift horních částí plachty je dát jim větší zakřivení, jež zvýší velikost liftu. Zvětšením náběhováho úhlu při zachování/zmenšení twistu(= plná plachta s dotaženějším kikingem)také dosáhneme požadovaného zvýšení spanloadu na vrcholu plachty, ale nesmíme přitom zapomínat na určitý limit, po jehož překonání začne plachta ztrácet- a proto je třeba z důvodu twistovaného pole proudu ponechat plachtě stále určitý twist. Z výše uvedených možností jak měnit produkci liftu a tedy spanload vyplývá, že dosažení ideálního spanloadu je s typickými plachtamy téměř nemožné.

Obr.14.A

Obr.14.B,C

NASTAVENÍ PLACHTY

Je jasné, že hlavním účelem plachty je vytvořit maximální sílu pro pohyb lodi, to je však často omezeno vahou kýlu/ posádky, která při určitém výkonu plachet již není schopná loď dále vyvážit (-takovým způsobem, abychom kvůli náklonu neztráceli) a tudíž není vždy nejvýhodnější produkujím li plachty maximum síly.

Za slabšího větru, kdy se snažíme dosáhnout maximálního výkonu plachet pro co možná nejvyšší rychlost, by plachta měla být nastavena tak, aby každá část plachty po celé její výšce produkovala maximální možný lift, obvzláště horní část, aby se zredukoval induced drag. Pokud však vítr přesáhne sílu, kdy je možné loď vyvážit, je třeba tyto charakteristiky plachty pozměnit, k čemuž máme několik možností..

Zmenšováním zakřivení plachty, úměrně snižuje vyvíjený lift a tedy i sílu, již plachta vyvíjí, jelikož snižuje úhel pod nímž vítr proudí. Zavedení takovéhoto nastavení však nemusí vždy být nejvýhodnějším řešením pro jízdu v silném větru. Velikost síly je sice snížena, ale stejnou měrou na celé plachtě a tak její centrum (těžiště) zůstává stále ve stejné výšce.Tak sice dosáhneme snížení náklonu lodi, ovšem často za cenu přílišného zpomalení.

Další možností je snižovat lift produkovaný vrcholovými částmi plachty. Snížením zakřivení a/nebo úhlu, pod nímž vítr horní partie plachty obtéká, zároveň s přidáním twistu dosáhneme přesunutí centra síly pohánějící-a naklánějící loď níže -což vede díky menší páce k snažšímu vyvážení a spodní části plachty navíc stále produkují dotatečnou sílu pro rychlý pohyb lodi, na rozdíl od předchozího rovnoměrného snížení výkonu plachty, jenž vedl k mírnému snížení klopné síly a razantnímu snížení rychlosti. Nevýhodou tohoto nastavení naopak je větší odchylka od ideálního eliptického spanloadu, jenž směrem k vrcholu plachty rychle klesá, což vede k nárůstu induced dragu. Tak se nám naskytuje otázka, zdali je zbývající síla horních čátí plachty schopná vyrovnat složku induced dragu.obr15.A
Obdobná situace nastává u letadel, která nejsou designována pro let s ideálním spanloadem, jenž by vyvíjel minimální induced drag, jelikož vyšší lift a tedy spanload vnějších částí křídel by vyžadoval znatelně pevnější-a tedy i těžší- konstrukci, jež by jej byla schopna unést. A tak se malé zvýšení induced dragu připouští. Jedná se o stejný kompromis, jako u plachetnice neschopné vyvážit náklon za silného větru, kdy se odkloníme od ideálního spanloadu za účelem dosažení vyššího výkonu.

Obr15.A

POINTING()

Se všemi výše uvedenými recepty na nastavení plachty je stále třeba brát v úvahu úhel, pod nímž je loď schopna plout vzhledem k větru. Je li snížen náběhový úhel plachty, pak její značná část může flatrovat nebo vyvíjet sílu nevhodným směrem, což loď spomaluje v důsledku nedostatku vyvíjené síly. To je následek základního omezení- že je plachta měkká(ohebná,..). Pochopitelně je možné loď stočit více po větru, aby došlo k naplnění plachet(=obnovení správného obtékání), to však způsobuje (za silného věru) že je plachta více zatížena a dochází k přílišnému naklánění lodi, což z této možnosti tvoří méně schůdnou variantu ( kromě využití za účelem jízdy méně přímo proti vlnám). Dále je třeba vzít v úvahu důležitost rychlosti lodě (při jízdě proti větru), když zvažujeme různé možnosti kurzu. Twistováním, či vyplošťováním horních částí plachty zůstane zachováno nastavení spodních částí, a jejich náběhového úhlu, což vynáší dostatek síly a zároveň umožňuje lodi jet dostatečně ostře k větru.

Správné řešení tkví ve vhodné volbě kombinace různých nastavení a neustále se mění s povětrnostními podmínkami a charakterem hladiny(vlny,..). Je také závislé na lodi a jejím vybavení(takeláži) a možných způsobech nastavení trimu (a možná ještě na časových intervalech v nihž se mění síla větru, jelikož některé úpravy jsou snáze a rychleji proveditelné, než jiné). Doufejme, že yachtař znalý funkce plachet a způsobu, jímž je vyvíjen lift a také toho jak s nimi pracovat dokáže nepřetržitě měnit jejich nastavení v závislosti na požadovaném nastavení jejich maximální účinnosti(síly v požadované orientace a velikosti).

SHRNUTÍ

Je evidentí, že plachty jsou přizpůsobivá křídla, pracující ve stočeném větrném poli a v případě jejich kombinace také ve vzájemné blízkosti. Produkují sílu díky zrychlení proudu na vyduté straně, způsobující snížení tlaku vyvolávající sílu ženoucí loď. Zakřivení a náběhový úhel-resp. Úhel pod nímž je plachta obtékána proudem je možné nastavit po celé ploše plachty způsobem umožňujícím mnoho různých variant produkce liftu- některé vždy výhodnější, než jiné. Ztrácení a flatrování definuje maximální a minimální náběhový úhel. Zúžení a před/záklon ovlivňují upwash proudu blížícího se k plachtě pod vlivem ztočeného zdánlivého větru způsobeného pohybem lodi v Zemské hraniční vrstvě.

PODĚKOVÁNÍ:

PAUL BOGATAJ

-jenž mi svou prací poskytl materiály na přípravu jedinečné práce o funkci a ovládání plachet

..je leteckým inženýrem, specializujícím se na užení pro plachetnice. Zasloužil se o vývoj plachet a kýlů pro mnoho známých závodů, kdy vycházel ze svých jedinečných znalostí aerodynamiky. Pracoval pro Boeing a nyní pracuje pro North Sails One Design.

..jeho nesmírné skušenosti mu umožnily vyhrát mnoho mistrovství několika lodních tříd, a své zkušenosti pak dále přenesl právě do výroby plachet.

TRENÉŘI

-chtěl bych poděkovat všem svým trenérům a kormidelníkům, jež kdy měli možnost mne učit, zejména pak Romanovi Vašíkovi, za jaho mnohaletou odhodlanost něco mi nacpat do mé zabedněné palice

UČITELÉ

-zde patří mé poděkování zejména paní profesorce Miluši Barákové za její zasvědcení mne do oblasti fyziky a výpomoc při porozumění některých principů, dále pak Phillovi Watsonovi za překlad odborných názvů.

DALŠÍ

-všichni ostatní lidi, rodina , přátelé-zvláště pak ti z Velké Británie, jež mi také několikrát pomohli s překladem

-státní zaměstnanci za to, že mě snad nezažalují za neoprávněné kopírování

ZÁVĚREM

v této publikaci se seznámíte s překladem, rozšířením a vysvětlením díla HOW DO SAILS WORK? od Paule Bogataje jenž je sepsal pro společnost North Sails. Dále přikládám různá rozšíření v podobě mých mnohaletých zkušeností jež mi mimojiné předávali mnozí trenéři a nespočet kormidelníků..Doufám, že vám tato práce umožní pochopit principy plachet a jejich nastavení a tak zlepšit vaše yachtařské dovednosti. Pokud se vám tato poblikace líbila, tak se jistě můžete těšit na již téměř dokončenou ,,CREW TUNNING GUIDE“ jež znovu pojednává o plachtách ale nyní mimojiné i o tréninku, souhře posádky, nejčastějších chybách a jak se, nebo spíše svého kosatníka, efektivně a rychle naučit jezdit na plachetnici 🙂

CITACE A BIBLIOGRAFIE:

Paul Bogataj – How do sails work?, Miluše Baráková – Fyzika-Maturitní okruhy, ..a všechny ostatní, co ani nevím, že jsem je četl

 


,

Trackbacks/Pingbacks

  1. Jak pracují plachty | Marinanet.cz - 29.10.2012

    […] článek zde: http://www.anv-yachting.cz/2012/01/31/plachty/ This entry was posted in Užitečné informace. Bookmark the permalink. ← Rozhovor: […]

Napsat komentář