Teoria żeglowania

Żeglowanie to sztuka wykorzystywania energii wiatru do napędu jachtu. Poznanie zasad aerodynamiki i hydrodynamiki pozwoli lepiej zrozumieć zachowanie jachtu i świadomie nim kierować.

Wiatr – podstawowe pojęcia

Wiatr rzeczywisty a pozorny

Wiatr rzeczywisty (True Wind, TW) – wiatr odczuwany przez nieruchomego obserwatora na lądzie lub na kotwicy. Opisywany przez: - kierunek – skąd wieje (np. północ = 000°) - prędkość – w węzłach (kn) lub m/s

Wiatr pozorny (Apparent Wind, AW) – wiatr odczuwany na poruszającym się jachcie. Jest wypadkową wiatru rzeczywistego i wiatru wynikającego z ruchu jachtu (tzw. „wiatr z prędkości").

Przy kursach ostrych: wiatr pozorny jest silniejszy i bardziej z przodu niż rzeczywisty
Przy kursach pełnych: wiatr pozorny jest słabszy i bardziej z tyłu niż rzeczywisty
Na fordewindzie przy dużej prędkości: możliwe, że wiatr pozorny wieje z przodu mimo że rzeczywisty wieje z tyłu (jachty wyścigowe, deska)

Busola wiatrów: - Wiatr opisuje się wg strony, z której wieje (północny = wieje z północy) - Prądy morskie opisuje się przez stronę, w którą płyną

Siła wiatru – skala Beauforta

Stopień Bf	Nazwa	Prędkość (węzły)	Opis morza
0	Cisza	0	Zwierciadlana tafla
1	Powiew	1–3	Zmarszczki bez piany
2	Lekka bryza	4–6	Małe fale bez piany
3	Lekki wiatr	7–10	Małe fale, kilka grzywi
4	Umiarkowany wiatr	11–16	Niewysokie fale, grzywacze
5	Świeży wiatr	17–21	Fale umiarkowane, piana
6	Silny wiatr	22–27	Duże fale, grzbiety pianą
7	Bardzo silny wiatr	28–33	Morze wzburzone
8	Sztorm	34–40	Duże, długie fale
9	Silny sztorm	41–47	Wysokie fale, widoczność ograniczona
10	Pełny sztorm	48–55	Bardzo wysokie fale
11	Gwałtowny sztorm	56–63	Wyjątkowo wysokie fale
12	Huragan	≥64	Powietrze pełne piany i mgły

Praktyczna wskazówka: Na śródlądziu i w żegludze rekreacyjnej warunki bezpieczne to zazwyczaj do 4–5°Bf dla początkujących i do 6°Bf dla doświadczonych.

Kursy względem wiatru

Kurs jachtu to kierunek, w którym płynie jego dziób, wyrażony w stopniach (0°–360°) lub jako kąt od wiatru rzeczywistego (lub pozornego).

Pełny obraz kursów (według wiatru rzeczywistego)

          WIATR
            ↓
         0° / 360°
   ← POLE MARTWE (ok. 45° po obu stronach)
  30–45°    BAJDEWIND OSTRY (close-hauled)
  60–70°    BAJDEWIND PEŁNY (close reach)
  90°        PÓŁWIATR (beam reach)
  130–150°  BAKSZTAG (broad reach)
  170–180°  FORDEWIND (running/dead downwind)

Opis poszczególnych kursów

Pole martwe (no-go zone)

Kąt ok. 30–45° po obu stronach od linii wiatru (zależy od jachtu)
Jacht nie może żeglować pod wiatr – żagle trzepoczą i nie pracują
Aby wejść w tę strefę, należy użyć silnika lub wykonać serię zwrotów przez sztag

Bajdewind ostry (close-hauled)

Kąt ok. 30–45° od wiatru
Żagle maksymalnie wybrane (ciasno)
Największy opór boczny, miecz/kil pracuje intensywnie
Jacht przechylony, woda w kociołku

Bajdewind pełny (close reach)

Kąt ok. 60–70° od wiatru
Żagle nieco luzowane, szybki i przyjemny kurs
Mniejszy przechył niż na ostrym bajdewindzie

Półwiatr (beam reach)

Kąt ok. 90° od wiatru – wiatr wieje dokładnie z boku
Zazwyczaj najszybszy kurs dla większości jachtów
Żagle w połowie luzowane

Baksztag (broad reach)

Kąt ok. 120–150° od wiatru
Żagle wyraźnie poluzowane, bom na boku
Możliwość postawienia spinakera lub genakera
Prędkość duża, kurs bezpieczny i wygodny

Fordewind (running downwind)

Kąt ok. 170–180° – wiatr prosto od rufy
Żagle na trawersie (bom prostopadle do osi jachtu)
Możliwy grot na jednej burcie, fok na drugiej (butterfly)
Uwaga: ryzyko niezamierzonego zwrotu przez rufę (gybe)!

Halsy

Hals określa, z której burty wieje wiatr.

Hals prawy (starboard tack) – wiatr od prawej burty; grot po lewej; jacht ma pierwszeństwo
Hals lewy (port tack) – wiatr od lewej burty; grot po prawej; jacht ustępuje drogi

Zmiana halsu odbywa się przez: - Zwrot przez sztag (tacking) – dziób przechodzi przez linię wiatru - Zwrot przez rufę (gybeing) – rufa przechodzi przez linię wiatru

Siły aerodynamiczne działające na żagiel

Jak żagiel generuje siłę?

Żagiel to skrzydło samolotu postawione pionowo. Wiatr opływający wypukłą stronę żagla przyspiesza (linia prądu się zagęszcza – efekt Venturiego), co powoduje spadek ciśnienia po zawietrznej stronie żagla. Wyższe ciśnienie od nawietrznej pcha żagiel do przodu i w bok. Różnica ciśnień generuje siłę aerodynamiczną.

Rozkład sił

Wypadkowa siła aerodynamiczna (F_a) działa prostopadle do cięciwy żagla. Rozkładamy ją na: - Siłę ciągu (F_t) – napędza jacht do przodu - Siłę dryfu (F_d) – popycha jacht w bok (zawietrzno)

Im bardziej ostry kurs (bajdewind), tym: - większy udział siły dryfu - mniejszy udział siły ciągu - większy przechył boczny

Pojęcie „fill and fly" i kąt natarcia

Optymalna praca żagla to „napełniony" żagiel – wiatr sprawnie opływa obie powierzchnie bez turbulencji. Przy zbyt małym kącie natarcia (luff/trzepotanie) żagiel nie pracuje. Przy zbyt dużym (stall) przepływ odryw, spada siła. Regulacja żaglem (wybieranie/luzowanie) to szukanie optymalnego kąta.

Siły hydrodynamiczne

Opór i napęd

Kadłub płynący przez wodę stawia opór hydrodynamiczny. Jego składowe: - Opór kształtu – wynikający z kształtu kadłuba (falotwórczy + tarcia) - Opór falotwórczy – energia tracona na tworzenie fal; rośnie bardzo szybko przy prędkości granicznej - Opór tarcia – tarcie powierzchni kadłuba o wodę; zależy od obszaru i chropowatości

Prędkość graniczna (hull speed)

Jachty o wypornościowym kadłubie nie mogą przekroczyć prędkości granicznej:

V_max ≈ 1,34 × √LWL (prędkość w węzłach, LWL w stopach)

lub

V_max ≈ 2,43 × √LWL (prędkość w węzłach, LWL w metrach)

Jachty ślizgowe (planing hull) mogą „wejść na ślizg" i znacznie przekroczyć tę prędkość.

Miecz i kil – siła boczna

Miecz i kil wytwarzają siłę hydrodynamiczną (przypominającą siłę nośną skrzydła) przeciwdziałającą dryftowi bocznemu. Na kursach ostrych, gdy dryf jest duży, kil/miecz pracuje intensywnie i generuje znaczną siłę oporu.

Zrównoważenie jachtu

Środek ożaglowania (CE) i środek bocznego oporu (CLR)

CE (Centre of Effort) – punkt, przez który przechodzi wypadkowa sił aerodynamicznych żagli
CLR (Centre of Lateral Resistance) – punkt, przez który przechodzi wypadkowa sił hydrodynamicznych

Projektanci celowo przesuwają CE nieco do przodu CLR, tworząc nawietrzność jachtu – tendencję do samoczynnego skręcania w wiatr. Jest to pożądane ze względów bezpieczeństwa (samoczynne zbliżanie do wiatru przy niekontrolowanym stanie).

Nawietrzność i zawietrzność

Jacht nawietrzny – sam skręca w wiatr; sternik musi korygować (rumpel od wiatru)
Jacht zawietrzny – sam odchodzi od wiatru; sternik koryguje (rumpel w stronę wiatru)
Jacht zrównoważony – płynie prosto bez ingerencji sternika; ideał trudny do osiągnięcia

Wpływ przechyłu na równowagę

Duży przechył zazwyczaj zwiększa nawietrzność jachtu, bo: - zanurzona część kadłuba (asymetryczna przy przechyle) zmienia CLR - CE zmienia się przy odkształceniu żagli

Aby zmniejszyć przechył: luzujemy grocie lub refujemy.

Stateczność jachtu

Stateczność poprzeczna

Definiuje opór jachtu na przechył boczny.

Moment prostujący GZ – ramię siły prostującej: - Wzrasta do pewnego kąta przechyłu (maksimum ok. 45–60° dla jachtów cruiserowych) - Potem maleje do zera (kąt znikającej stateczności) - Ujemny GZ = jacht przewrócony jest w stanie stabilnym

Kąt znikającej stateczności powinien wynosić co najmniej 90° (przechył na bok). Dobry jacht morski – >120°.

Czynniki wpływające na stateczność

Balast – im niżej i cięższy, tym lepsza stateczność wagowa
Szerokość kadłuba – szerokie jachty mają dużą stateczność kształtową przy małych przechyłach, ale gwałtownie ją tracą przy dużych
Wolna burta – wyższy pokład = większa objętość kadłuba ponad wodą
Masa na maszcie – podnosi środek ciężkości, zmniejsza stateczność

Stateczność podłużna

Opór jachtu na zanurczanie dziobu lub rufy. Ważna przy mocnym wietrze i dużych falach (ryzyko przystania).

Trymowanie żagli

Cel trymowania

Trymowanie (regulacja) żagli to dostosowanie ich kształtu i kąta do aktualnego wiatru i kursu, aby uzyskać maksymalną siłę napędową przy minimalnym dryfie i przechyle.

Wskaźniki pracy żagla

Telltale (wstążki) – małe wstążki przyczepizone do żagli; wskazują charakter przepływu powietrza. Gdy obie wstążki (od nawietrznej i zawietrznej) lecą poziomo – żagiel optymalnie trymowany
Luff (trzepotanie liku przedniego) – żagiel za bardzo luzowany lub kurs zbyt ostry
Stall (brak trzepotania, ale brak prędkości) – żagiel za mocno wybrany

Regulacja kształtu grota

Parametr	Efekt przy wybieraniu
Cunningham	Napina liko przednie – przesuwa draft do przodu
Outhaul	Napina dolny lik – spłaszcza dolną część
Backstay (regulowany)	Ugina maszt do tyłu – spłaszcza cały grot
Vang/kicker	Zgina maszt do przodu u dołu – reguluje twist

Twist żagla

Twist to skręcenie żagla – górna część bardziej luzna niż dolna. Pewien twist jest pożądany, bo wiatr obraca się z wysokością (wiatr na maszcie jest silniejszy i z nieco innej strony). Zbyt duży twist = brak siły na górze; zbyt mały twist = przeciążenie masztu.

Trymowanie grota na różnych kursach

Bajdewind – grot maksymalnie wybrany, traveler przy osi lub windward
Półwiatr – grot w połowie luzowany
Baksztag – grot mocno luzowany, bom szeroko
Fordewind – grot prostopadle do osi, boom vang napięty, ryzyko gyby

Trymowanie foka/genuyi

Kareta foka (fairlead position) – przesuwa punkt wybierania szotu; w przód = napina lik dolny i luzuje górę; w tył = odwrotnie
Na bajdewindzie: kareta jak najdalej do przodu i do środka
Na kursach pełnych: kareta do tyłu i na zewnątrz

Dryft i leeway

Dryft (leeway) – kąt między dziobem jachtu a jego rzeczywistym torem ruchu. Wynika z bocznego zepchnięcia przez wiatr i prąd.

Typowe wartości dryfu: - Bajdewind ostry: 5–10° - Półwiatr: 3–5° - Baksztag: 1–3° - Fordewind: ~0°

Przy nawigacji na bajdewindzie należy uwzględnić dryft, żeby nie zleźć za mielizny lub przeszkody.

Stopy i prędkość

Prędkość przez wodę (STW) i prędkość nad dnem (SOG)

STW (Speed Through Water) – prędkość mierzona przez prędkościomierz (log)
SOG (Speed Over Ground) – prędkość rzeczywista nad dnem; uwzględnia prądy i wiatr
Różnica SOG–STW = prędkość prądu działającego na jacht

Optymalizacja VMG

VMG (Velocity Made Good) – skuteczna prędkość w żądanym kierunku (np. pod wiatr). Dla kursów pod wiatr VMG jest zawsze mniejszy od STW. Optymalny kąt bajdewindu to taki, który daje maksymalne VMG, a nie maksymalną prędkość jachtu.

Efekt Venturiego i aerodynamika żagli

Dwa żagle razem

Gdy jacht płynie na bajdewindzie z fokiem i grotem, między żaglami tworzy się „szczelina" (slot). Fok kieruje przyspieszony strumień powietrza przez tę szczelinę na zawietrzną stronę grota, co przyspiesza opływ i zwiększa siłę obu żagli. To efekt slot effect.

Zbyt wąska szczelina (fok za bardzo wybrany) blokuje przepływ; zbyt szeroka (fok za luźny) – nie przyspiesza.

Camber (ugięcie żagla)

Camber to stopień wypuklości żagla. Głębszy camber = większa siła, ale też większy opór. Płaski żagiel = mniejsza siła, mniej oporu, lepszy w silnym wietrze. Regulacja przez cunningham, outhaul i backstay.