1.6 Vrste strujanja, kobilica i kormilo

Aerodinamičke i hidrodinamičke površine

Aerodinamičke i hidrodinamičke površine djeluju prema istom principu, s razlikom što aerodinamičke površine djeluju kroz zrak, a hidrodinamičke kroz vodu. Navedene površine pretvaraju ravnomjerno strujanje vjetra, odnosno vode, u silu nagibanja (F_H) i bočnu silu (F_S). Stvaranje ovih sila događa se zbog razdvajanja strujanja na dvjema stranama tih površina: privjetrinskoj i zavjetrinskoj strani.

Jedro. Čestice zraka koje struje preko zavjetrinske strane jedra moraju proći duži put od čestica koje struje preko privjetrinske strane. Zbog razlike u dužini puta kojeg čestice prolaze javlja se razlika u brzini strujanja i visini tlaka između privjetrinske i zavjetrinske strane jedra. Čestice koje prolaze zavjetrinskom stranom imaju veću brzinu. Zbog razlike u brzini tlak na privjetrinskoj strani jedra postaje viši, zbog čega se stvara sila nagibanja (F_H) koja djeluje prema zavjetrini i naginje jedrilicu (slika 1.23).

Kobilica. Kod kobilice je situacija obrnuta. Kako čestice vode struje, one se također razdvajaju, no čestice koje struje po privjetrinskoj strani moraju proći duži put i putovati brže. Zbog toga se niži tlak stvara na privjetrinskoj strani kobilice. Bočna sila (F_S) djeluje prema privjetrini, ispravlja jedrilicu te joj omogućava kretanje prema naprijed.  Iako se većina sile koja se stvara na kobilici pretvara bočnu silu (F_S), jedan dio se ipak gubi u različitim komponentama otpora o kojima smo govorili ovdje.

Slika 1.23 - Kada čestice zraka dođu u kontakt s upadnim (prednjim) rubom jedra, razdvajaju se. Jedan dio čestica struji po zavjetrinskoj strani jedra dok drugi dio čestica struji po privjetrinskoj strani jedra. Čestice na zavjetrinskoj strani trebaju prijeći duži put i zato putuju brže. Zbog razlike u brzini strujanja, na zavjetrinskoj strani se stvara niži tlak i sila nagibanja (F_H) koja djeluje prema zavjetrinskoj strani jedra nagibajući jedrilicu.

Vrste strujanja

Veličina sile nagibanja (F_H) i bočne sile (F_S) ovisit će o vrsti strujanja. Vrste strujanja se dijele na:

• laminarno strujanje
• turbulentno strujanje i
• separirano strujanje.

Navedene vrste strujanja očituju se u graničnom sloju aerodinamičke, odnosno hidrodinamičke površine. Granični sloj je dio kobilice ili jedra u kojima dolazi do kontakta između površine, koja se kreće u jednom smjeru, i čestica, koje se kreću u suprotnom smjeru.
Na površini kobilice, dok se kreće npr. brzinom od šest čvorova, nalaze se čestice vode koje se kreću zajedno s kobilicom istom brzinom. Dakle, njihova relativna brzina prema kobilici je nula. Na određenoj udaljenosti od tih “zalijepljenih” čestica prolaze i čestice koje nisu pod utjecajem kobilice. Njihova brzina u odnosu na kobilicu je šest čvorova. Zona između ova dva sloja ispunjena je česticama koje se, ovisno o svojoj udaljenosti od kobilice ili jedra, kreću brzinama od nula do šest čvorova. Ta zona se naziva granični sloj. Čestice u graničnom sloju mogu strujati na tri osnovna, gore navedena načina. Ako struje laminarno, tada se kreću poput listova papira koji prelaze jedan preko drugog, prateći oblik površine. Kod turbulentnog strujanja čestice i dalje prate oblik površine u svome protoku, no kreću se pomalo nepravilno. U separiranom strujanju čestice se kreću potpuno nepravilno, stvarajući vrtloge i virove, te uopće ne prate oblik površine po kojoj prolaze.
Laminarno strujanje je najučinkovitije jer stvara najmanji otpor. Turbulentno strujanje je manje učinkovito, a separirano strujanje je djelomično neučinkovito. Dakle, težimo smanjiti separirano strujanje na minimum, a povećati raspon od laminarnog do turbulentnog strujanja.
Priroda strujanja ovisi o viskozitetu medija i njegovoj brzini.
U zraku ne postoji laminarno strujanje jer ono fizički nije moguće. U vodi laminarno strujanje postoji samo na upadnom rubu kobilice i proteže se nekoliko centimetara od njega. Svo ostalo strujanje preko površine kobilice ili jedra je turbulentno.

Slika 1.24 - Kada čestice vode dođu do upadnog (prednjeg) ruba kobilice, razdvajaju se. Jedan dio čestica prolazi po zavjetrinskoj strani kobilice dok drugi dio čestica prolazi po privjetrinskoj strani kobilice. Za razliku od jedra, duži put trebaju proći čestice koje se kreću po privjetrinskoj strani kobilice. Zbog toga čestice koje se kreću po privjetrinskoj strani kobilice imaju i veću brzinu što uvjetuje stvaranje nižeg tlaka u odnosu zavjetrinsku stranu kobilice. Rezultat procesa je stvaranje bočne sile (F_S) čiji smjer vidimo na slici.

Kobilica

Kobilica ima dvije osnovne funkcije: povećava moment stabiliteta i stvara bočnu silu (F_S) koja je suprotana sili nagibanja (F_H) nastaloj u težištu jedara (CE).
Teoretski gledano, sile koje djeluju na kobilicu mogu se podijeliti u dvije osnovne komponente: bočnu silu (F_S) i silu otpora (R).
Bočna sila se može opisati kao komponenta koja se suprotstavlja sili nastaloj u jedrima te pokreće jedrilicu prema naprijed. Sila otpora je komponenta koja ima smjer suprotan smjeru gibanja jedrilice (slika 1.11, str. 18.). Učinkovitost kobilice određuje se odnosom komponenti bočne sile i sile otpora.
O samom hidrodinamičkom otporu govorili smo ovdje.

Slika 1.25 - Kako čestice vode dolaze do ruba kobilice, postoji tendencija da čestice sa strane višeg tlaka prelaze na stranu s nižim tlakom. Tijekom prelaska dolazi do pojave prestrujavanja te smanjenja bočne sile. No, prestrujavanje, a time i smanjenje bočne sile, bit će manje što je veća zakrivljenost površine koju čestice na rubovima moraju prijeći.

Učinkovitost kobilice

Poprečna površina. Kada se zbroje poprečne površine trupa, kormila i kobilice, njihova ukupna površina treba biti dovoljna za stvaranje potrebne bočne sile u različitim uvjetima u kojima će jedrilica jedriti.
Uz poprečnu površinu sustava kobilica, trup i kormilo usko su vezani i pojmovi stabilnost kursa i upravljivost. Što je veća poprečna površina ovog sustava, to je veća stabilnost kursa i upravljivost. Jedrilica će se okretati pravilnije (s manje zanošenja), ali i puno sporije. Danas, moderne kobilice imaju manju poprečnu površinu. Time se smanjuje stabilnost kursa, ali se zato povećava mogućnost brzog manevriranja. Upravo je to razlog zbog kojeg su kobilice s manjom poprečnom površinom učinkovitije za današnji način jedrenja.

Forma. Ukratko, to je oblik ili zakrivljenost površine kobilice. Forma kobilice utječe na način strujanja čestica vode preko površine.

Koeficijent vitkosti. To je odnos između forme i poprečne površine kobilice, ili jednostavnije rečeno, to je odnos između dubine i širine kobilice (pogledajte sliku 1.10). Što je veći koeficijent vitkosti, to je veća i učinkovitost kobilice.
No povećanjem koeficijenta vitkosti iznad određene kritične vrijednosti naglo se smanjuje učinkovitost kobilice zbog povećanja sile posrtanja i pojave separiranog strujanja.

Poprečni presjek. Oblik poprečnog presjeka kobilice je prilično limitiran zahtjevom za simetrijom, kako bi kobilica omogućila stvaranje bočne sile i na desnim i na lijevim uzdama. Za razliku od npr. avionskog krila koje treba omogućiti stvaranje podtlaka samo na jednoj (gornjoj) strani krila. Ako gledamo prednji rub kobilice, što je poprečni presjek prednjeg ruba manji (tanji upadni rub), čestice vode će se razdvajati pod manjim kutom. Time se stvara manji otpor, a kobilica je učinkovitija. No veći poprečni presjek prednjeg ruba kobilice (deblji upadni rub) je učinkovitiji kada je zanašenje najveće, tj. u uvjetima valovitog mora ili kod čestih letanja.
Povećanjem poprečnog presjeka sredine kobilice, naravno do određenih granica, omogućava se generiranje veće bočne sile. No povećanjem poprečnog presjeka otvara se i više prostora za stvaranje sile otpora. Dok veći poprečni presjek stvara veću bočnu silu uz vjetar, kada jedrimo niz vjetar, upravo veći poprečni presjek povećava silu otpora. Općenito gledajući, kobilica će imati najveći učinak ako ima najveći poprečni presjek na oko 30 - 35% udaljenosti od prednjeg ruba.

Oblici donjeg ruba. Oblici donjeg ruba kobilice mogu biti različiti. Izrađuju se kako bi se smanjili gubici nastali prelaskom čestica vode sa zavjetrinske na privjetrinsku stranu kobilice (prestrujavanje). Donji rub kobilice najčešće je oblika torpeda, jer se torpedo pokazao kao najučinkovitija “brana” za čestice koje pokušavaju prijeći na privjetrinsku stranu. Torpedo ima hidrodinamički oblik, koji najčešće nosi određenu težinu, i time omogućava da površina kobilice bude manja za isti moment stabiliteta (slika 1.25).

Uzdužni položaj kobilice. Točka iz koje sustav kobilica, kormilo i trup djeluju, kako bi neutralizirali moment nagiba koji se stvara u težištu jedara (CE), naziva se uzdužno težište sustava (CLR). Kako bi navedeni sustav, bio u ravnoteži sa jedrima prilikom plovidbe, uzdužno težište sustava (CLR) treba biti smješteno neznatno ispred težišta jedara (CE).
Pravilan uzdužni položaj kobilice i uzdužnog težište sustava (CLR) je određen projektom jedrilice i ne može se mijenjati kada je trup završen. No promjenom trima jedara može se djelovati na promjenu položaja težišta jedara (CE). Time se direktno utječe na učinkovitost, kako kobilice tako i čitavog sustava koji osim kobilice uključuje i kormilo te trup jedrilice.

Glatkoća površine kobilice. Glatkoća površine kobilice, je važnija od glatkoće trupa zbog toga što kobilica, najvećim dijelom, stvara bočnu silu. Glatka površina omogućava pravilnije strujanje vode, čime se smanjuje trenje (komponenta sile otpora) i povećava učinkovitost kobilice.

Kakav oblik kobilice je najučinkovitiji?

Odgovor na to pitanje ovisi o tome kakve uvjete kobilica treba zadovoljiti.
Kobilice se mogu izrađivati prema vremenskim uvjetima u kojima ćemo jedriti, prema premjeru, prema tome želimo li da jedrilica bude brža uz vjetar ili niz vjetar, itd. Primjerice, jedrilice za Volvo Ocean Race, tzv. VOR 60, imaju vrlo malu površinu kobilice s velikim poprečnim presjekom jer većinu vremena jedre s vjetrom u bok ili niz vjetar. Upravo takve kobilice imaju najveći učinak za navedene uvjete. No te jedrilice su sporije nakon letanja i imaju slabiji učinak uz vjetar. Jedrilice za America’s Cup (AC class) imaju potpuno drugu logiku. AC Class jedrilice trebaju biti podjednako brze kako nakon letanja tako i nakon kruženja, trebaju stvarati maksimalnu bočnu silu po svim vjetrovima i u svim kursovima jedrenja. Zbog toga čak imaju i dodatak na kobilici (trim tab) koji im omogućava stvaranje dodatne bočne sile kada je to neophodno.

Kormilo

Kormilo je hidrodinamička površina koja zajedno sa ekvivalentnom kobilicom (pogledajte sliku 1.9) generira bočnu silu (F_skor) i silu otpora (R_kor). No s jednom razlikom, kormilo nije fiksno poput kobilice, već se okreće oko jedne fiksne osi. Zbog toga kormila trebaju biti što učinkovitija u širokom spektru kutova djelovanja.

Slika 1.26 - Kada je jedrilica uravnotežena u težištima, trupa i jedrilja, te kada je kormilo pod određenim kutom u odnosu na strujanje vode, ono doprinosi stvaranju bočne sile (FSkor) i momenta stabiliteta (gornji dio slike). Kod promjene kuta otklona, kormilo stvara okretni moment koji mijenja kurs jedrilice ovisno o smjeru i kutu otklona (donji dio slike).

• Kut λ predstavlja zanašanje

• F_H je sila nagibanja

• F_S je bočna sila kobilice

• F_Skor je bočna sila kormila

Princip rada kormila

Dok jedrilica plovi pravo, kormilo, zajedno s kobilicom i trupom, uspostavlja ravnotežu i suprotstavlja se momentu nagiba uzrokovanom momentom u težištu jedara (CE). No kormilo, kako bi bilo učinkovito, treba biti pod malim kutom u odnosu na smjer strujanje vode. Taj kut otklona kormila naziva se privjetrinsko kormilo. Dva su osnovna razloga povoljnog utjecaja privjetrinskog kormila.

• Prvi je; vrlo je teško dobro kormilariti uz vjetar ako je kormilo neutralno, tj. ako kormilo ne pruža nikakav otpor dok ga kormilar drži.
• Drugi i puno važniji razlog je; kada čestice vode ulaze pod kutom na površinu kormila, generira se bočna sila kormila (F_skor) koja doprinosi ukupnoj bočnoj sili (F_S).

U suprotnom, ako nema privjetrinskog kormila, osim ako ne okreće jedrilicu, kormilo generira jedino otpor jer ga “vučemo” kroz vodu. Na slici 1.26 možemo vidjeti da je pramac jedrilice usmjeren u jednom pravcu, ali da je kurs jedrilice otklonjen od tog pravca za kut zanašanja (λ). Zbog ovog razloga čestice vode dolaze u kontakt s površinom kormila upravo pod kutom zanašanja (λ) generirajući bočnu silu kormila (F_skor).

Okretanje

Postoji nekoliko faktora koji utječu na moment okretanja kormila. To su:

• brzina jedrilice
• kut otklona kormila
• površina kormila
• učinkovitost kormila
• oblik kormila
• udaljenost kormila od uzdužnog težišta sustava (CLR)
• podvodni oblik trupa jedrilice
• trim jedara i promjena položaja posade

Brzina jedrilice. Brzina jedrilice je iznimno važna za ukupnu bočnu silu kormila (F_skor). Iznos ukupne bočne sile kormila (F_skor) povezan je s kvadratom brzine strujanja vode preko njegove površine. To znači, ako se brzina jedrilice poveća s dva čvora na četiri čvora, bočna sila kormila (F_skor) se učetverostručuje. Zbog ovog razloga brze jedrilice imaju malu površinu kormila.

Kut otklona kormila. Kut otklona proporcionalan je sa momentom okretanja kojeg kormilo stvara sve do trenutka kada je toliko otklonjeno da se čestice vode više ne mogu “hvatati” za njegovu zavjetrinsku stranu. Ako se kormilo otkloni preko 35° prekida se pravilno strujanje, dolazi do vrtloženja i brzina jedrilice opada. Optimalni kut otklona tijekom manevra ovisit će o obliku i poprečnom presjeku kormila.

Površina kormila. Površina kormila ovisi o sili koja je potrebna kako bi se jedrilica dovoljno brzo okretala. Površina kormila ne smije biti prevelika jer se povećanjem površine kormila povećava i sila otpora (R_kor).

Učinkovitost kormila. Kormilo treba biti učinkovito za široki raspon kutova otklona. Drugim riječima, kormilo je učinkovito sve dok strujanje oko njegove površine ne postane separirano. Najčešće, strujanje postaje separirano kada se kormilo zakrene preko 35°.

Slika 1.27 - Kada se kormilo otkloni preko 35° prekida se pravilno strujanje, dolazi do vrtloženja i brzina jedrilice pada. Najoptimalniji kut otklona kormila tijekom manevara ovisit će o njegovom obliku i poprečnom presjeku.

Oblik. Koeficijent vitkosti i poprečni presjek kormila su vrlo slični onima od kobilice, jer prate iste hidrodinamičke principe. Ipak, postoje određene razlike. Kormilo ima malo veći poprečni presjek, jer se većim poprečnim presjekom omogućava povećanje raspona kutova otklona uz zadržavanje učinkovitosti kormila, ali i promjer osovine na kojoj leži treba biti dovoljnog promjera kako bi kormilo izdržalo nastale sile i momente. Koeficijent vitkosti je umjerene vrijednosti jer duboko i tanko kormilo (veliki koeficijent vitkosti) proizvodi veliku bočnu silu (F_skor) pri malim upadnim kutovima, no pri većima kutovima duboko i tanko kormilo vrlo rano zaustavlja strujanje i postaje neučinkovito.

Udaljenost kormila od uzdužnog težišta sustava (CLR). Udaljenost kormila od uzdužnog težišta sustava (CLR) ima veliki upliv na učinkovito okretanje jedrilice jer je okretni moment jednak umnošku bočne sile kormila (F_skor) s udaljenošću od uzdužnog težišta sustava (CLR). Znači, što je kormilo dalje od uzdužnog težišta sustava (CLR), njegova površina može biti manja za stvaranje istog okretnog momenta.

Podvodni oblik trupa jedrilice. Podvodni oblik trupa utječe na brzinu okretanja jedrilice, stabilnost kursa i upravljivost. Jedrilica s plitkim trupom te dubokom kobilicom i kormilom će imati manju stabilnost kursa, ali će se zato brže okretati od jedrilice s dubokim trupom te istom takvom kobilicom i kormilom. Jedrilica s dubokim trupom će imati puno veću stabilnost kursa od jedrilice s plitkim trupom.

Trim jedara i promjena položaja posade. Trim jedara i promjena položaja posade imaju značajan utjecaj na brzinu okretanja jedrilice. Svi do sada navedeni faktori su definitivni kada je jedrilica završena; ne možemo ih više mijenjati tijekom samog jedrenja. No pravilnim trimom jedara i promjenom položaja posade može se utjecati na brzinu okretanja jedrilice, pod uvjetom da tijekom manevra podjednako sudjeluju kormilar, trimeri jedara i svi ostali članovi posade.
Ako želimo brzo otpasti (npr. nakon privjetrinske oznake), trimer genove neće popuštati škotu genove, već će trimer glavnog jedra potpuno popustiti škotu glavnog jedra. Posada će ostati na privjetrinskom boku jedrilice. Potpunim popuštanjem škote glavnog jedra, dok je škota genove pritegnuta, težište jedara (CE) se premješta prema naprijed što olakšava i ubrzava otpadanje. Težina posade, koja je na privjetrinskom boku, povećava moment stabiliteta jedrilice što dodatno olakšava otpadanje.

iz knjige "Biti brži"

ing. pom. Ova e-mail adresa je zaštićena od spambota. Potrebno je omogućiti JavaScript da je vidite.