@Απόδοση ιστιοπλοΐας

Για να υπολογίσουμε την απόδοση ενός ιστιοφόρου, ενός ιστιοσανίδας ή ενός χαρταετού, πρέπει να κοιτάξουμε τις δυνάμεις και τις στιγμές δράσης και να βρούμε τις συνθήκες όπου όλες οι δυνάμεις και οι στιγμές βρίσκονται σε ισορροπία (Νόμος του Νεύτωνα). Αυτή η κατάσταση είναι η λεγόμενη σταθερή κατάσταση του συστήματος που μας επιτρέπει να αναγνωρίσουμε την ταχύτητα.

Δυνάμεις

Τα βασικά στοιχεία της αεροδυναμικής και της υδροδυναμικής μας επιτρέπουν να υπολογίζουμε τις δυνάμεις δράσης και τις στιγμές υπό συνθήκες ανέμου, οι οποίες είναι γνωστές από τη θεωρία και την πρακτική έρευνα για ιστιοφόρα και σκάφη για πολλά χρόνια.

Ψάχνετε για ένα σύστημα windsurf έχουμε την αεροδυναμική δύναμη πανί που δημιουργεί ροπή κλίσης που εξισορροπείται από το βάρος τους ναυτικούς ( Εικ. 1) . Το συνολικό ιστιοφόρο μεταφέρεται μέσω των ποδιών των ναυτικών στο ταμπλό. Το συνολικό ιστιοφόρο θα μπορούσε να χωριστεί σε ένα μέρος που κατευθύνεται προς την κατεύθυνση ιστιοπλοΐας (πορεία), την κινητήρια δύναμη ή την ώθηση του πανιού. Στη συνέχεια, σε μια δύναμη κάθετη προς την ώθηση, η πλευρική δύναμη που πρέπει να ισορροπεί από το πτερύγιο. Από την άλλη πλευρά έχουμε την υδροδυναμική δύναμη έλξης της σανίδας και το πτερύγιο που βρίσκονται σε αντίθεση με την ώθηση. Όταν και οι δύο είναι ίσες, επιτυγχάνεται η μέγιστη ταχύτητα,  Εικ. 2.

Περιορισμοί Sailforce

Λόγω του σωματικού βάρους

Ένα σημαντικό αποτέλεσμα είναι ότι η μέγιστη δύναμη ιστιοπλοΐας περιορίζεται απολύτως από το βάρος του ναύτη, το οποίο παράγει τη στιγμή με κλίση προς εξισορρόπηση της ροπής.

Λαμβάνοντας υπόψη τις τυπικές γεωμετρίες αμαξώματος, προκύπτει ότι το μέγιστο ιστιοφόρο είναι περίπου 35-40% του βάρους του ναυτικού.

Αυτό σημαίνει ότι κάτω από όλες τις συνθήκες ταχύτητας, αντοχής και μεγέθους ιστού το μέγιστο ιστιοφόρο δεν θα μπορούσε ποτέ να είναι μεγαλύτερο, είναι απλά σταθερό. Διαφορετικά, ο ναύτης θα καταπέσει.

Λόγω φαινομενικής γωνίας ανέμου 

Γνωστό είναι ότι όταν ταξιδεύετε σε μια συγκεκριμένη πορεία και μια δεδομένη ποσότητα ανέμου ότι η φαινόμενη γωνία ανέμου θα μειωθεί με την αύξηση της ταχύτητας πλεύσης,  Εικ. 4.  Αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να αντισταθμιστεί σε κάποια ποσότητα αυξάνοντας τη γωνία πορείας (προς τα κάτω) και πλέοντας κάτω από ισχυρότερες συνθήκες ανέμου, κάτι που θα αυξήσει την φαινομενική γωνία ανέμου με δεδομένη ταχύτητα πλεύσης.

Το συστατικό δύναμης στο πανί στην κατεύθυνση πλεύσης (ώθηση) εξαρτάται άμεσα από την φαινομενική γωνία ανέμου.

Η φαινόμενη γωνία ανέμου είναι συνάρτηση της αναλογίας ταχύτητας (Vs) προς ανέμου (Vt) και της γωνίας πορείας.

Γι 'αυτό για υψηλή ταχύτητα απαιτείται πολύς άνεμος. Όσο ισχυρότερος είναι ο άνεμος τόσο μεγαλύτερη είναι η φαινομενική γωνία ανέμου και τόσο μεγαλύτερη είναι η ώση. Όμως, η μείωση της ώσης με την ταχύτητα είναι ένα αναπόφευκτο φυσικό αποτέλεσμα που δεν θα μπορούσε να αλλάξει και ισχύει για όλα τα σκάφη που κινούνται υπό συνθήκες ανέμου στο νερό, στο έδαφος, στο χιόνι ή στον πάγο.

Η ώση και η πλευρική δύναμη έναντι της ταχύτητας για μια σταθερή δύναμη ιστιοπλοΐας παρουσιάζεται στο  Σχ. 5.  Η ώθηση μειώνεται με την ταχύτητα ενώ η πλευρική δύναμη αυξάνεται με την ταχύτητα.

Υδροδυναμική έλξη του πίνακα

Το πλάνισμα έχει συμπεριφορά έλξης που είναι σχεδόν  σταθερή  έναντι ταχύτητας Το drag drag είναι κατ 'αρχήν ανάλογο του συνολικού βάρους του συστήματος windsurf και της γωνίας επίθεσης του σκάφους ανεξάρτητα από την ταχύτητα και τη βρεγμένη περιοχή. Δεύτερον, πρέπει να προσθέσουμε κάποια τριβή και σπρέι έλξης ανάλογη με την βρεγμένη επιφάνεια που είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας. Λόγω του γεγονότος ότι με την αύξηση της ταχύτητας, η σανίδα ανυψώνεται, η βρεγμένη επιφάνεια μειώνεται αυτόματα με τέτοιο τρόπο ώστε να ισορροπεί μόνο το συνολικό βάρος. Με αυτό, η ελάχιστη μεταφορά παρέχεται αυτόματα ανά πάσα στιγμή.

Η μέγιστη ταχύτητα επιτυγχάνεται όταν η ώθηση του πανιού και η έλξη του σκάφους είναι ίσες. Αυτό δίνεται στο σταυροειδές σημείο και των δύο καμπυλών όπως φαίνεται στο  Σχ. 6 . Το σχήμα καθιστά προφανές ότι οι υψηλότερες ταχύτητες είναι δυνατές όταν η ώθηση * αυξάνεται (καμπύλη μετατόπιση προς τα πάνω) και ή η οπισθέλκηση μειώνεται (η καμπύλη μεταφοράς μετατοπίζεται προς τα κάτω). Η διαφορά μεταξύ της δύναμης ώθησης και της δύναμης έλξης διαιρούμενη με τη μάζα του συστήματος αντιπροσωπεύει την επιτάχυνση που είναι φυσικά μηδέν όταν επιτυγχάνεται η κατάσταση σταθερής ταχύτητας. Επιπλέον, φαίνεται ότι στα περίπου 66 kts η ώθηση έγινε μηδέν.

Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα πλεύσης αρχικά περιορίζεται από τον περιορισμό της συνολικής δύναμης ιστιοπλοΐας λόγω του βάρους των ναυτικών  και δεύτερον από την φαινομενική γωνία ανέμου (συνάρτηση της ταχύτητας, δύναμη του ανέμου και πορεία), η οποία μειώνει την ώθηση με την αύξηση της ταχύτητας.

Όλα αυτά θα μπορούσαν να υπολογιστούν σχετικά εύκολα και βγαίνει ότι το σημερινό παγκόσμιο ρεκόρ περίπου 52 kts είναι ακριβώς αυτό που μπορούμε να λάβουμε υπόψη το τυπικό βάρος του ναυτικού, το μέγεθος του πανιού, το μέγεθος του πτερυγίου και τις συνθήκες του ανέμου.

Το Σχ. 7  δείχνει τον υπολογισμό του πόσο γρήγορα μπορούμε να πάμε (Vs) σε μια διαδρομή 140 βαθμών. προς τα κάτω ως συνάρτηση της ταχύτητας ανέμου (Vt).

Επίσης, εάν υπάρχουν κάποιες αβεβαιότητες λόγω εκτιμώμενων δεδομένων, οι τάσεις ή οι σχέσεις είναι έγκυρες και μας επιτρέπει να εξαγάγουμε τα σωστά συμπεράσματα.

Αποδεικνύεται ότι η ταχύτητα σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου θα μπορούσε να είναι ένας παράγοντας 2 σε χαμηλές ταχύτητες, αλλά πλησιάζει το 1 στα περίπου 50 kts. Αυτό σημαίνει ότι για να πάμε πολύ πιο γρήγορα απαιτείται πολύ περισσότερη αιολική δύναμη. Η κλίση γίνεται πολύ επίπεδη, ώστε να μην υπάρχει μεγάλη ταχύτητα για να κερδίσετε.

Για παράδειγμα, για να αποκτήσετε ταχύτητα 60 kts απαιτείται 60 kts ανέμου.

Πού μπορούμε να βρούμε αυτές τις συνθήκες με επίπεδο νερό;

Ποιος μπορεί να χειριστεί μια σανίδα υπό τέτοιες συνθήκες;

Η αυξημένη ταχύτητα ανέμου θα τραχύσει τη θάλασσα και θα παράγει επιπλέον έλξη.

Πώς μπορούμε να πάμε πιο γρήγορα;

Αν κοιτάξουμε την κατανομή των συνιστωσών του windsurf στα 52 kts όπως φαίνεται στην  Εικ. 8,  μπορούμε να εκτιμήσουμε πόση ταχύτητα μπορούμε να κερδίσουμε αν μπορούσαμε να μειώσουμε την οπισθέλκηση σε ορισμένα στοιχεία.

Για παράδειγμα, η μείωση της οπισθέλκουσας ενός πτερυγίου κατά 10% δίνει συνολική μείωση της οπισθέλκουσας περίπου 1,1%.

1,1% μείωση ώθησης σημαίνει βελτίωση ταχύτητας 0,5%. Αυτό θα ήταν 52,26 kts αντί για 52 kts και 0,26 kts περισσότερο.

Αν μπορούσαμε να μειώσουμε την έλξη του αμαξώματος κατά 50%, μας δίνει μια συνολική οπισθέλκηση 5,5%.

Στην ταχύτητα θα κερδίζαμε 0,26%, δηλαδή 53,4 kts αντί για 52 kts.

Μόνο μια μικρή ποσότητα βελτιώσεων μπορεί να επιτευχθεί στις υπάρχουσες παρτίδες ιστιοσανίδας, αποφεύγοντας όλα τα δυσμενή στοιχεία έλξης στο πανί εξομαλύνοντας το μπροστινό άκρο του πανιού, τον βραχίονα, τις γραμμές και τον ίδιο τον ναυτικό.

Στο ταμπλό μπορεί να είναι η έλξη ψεκασμού θα μπορούσε να μειωθεί με ένα συγκεκριμένο περίγραμμα και άλλα άκρα.

Αλλά γενικά δεν είναι δυνατά μεγάλα βήματα.

Η επίδραση του σωματικού βάρους

Το σωματικό βάρος του ναύτη καθορίζει την πιθανή ώθηση. Όσο περισσότερο βάρος τόσο μεγαλύτερη ώθηση, αλλά από την άλλη πλευρά, τόσο περισσότερο βάρος τόσο περισσότερη έλξη από τον πίνακα που πρέπει να ανυψώσει το επιπλέον βάρος που συνδέεται με περισσότερη έλξη. Ως αποτέλεσμα μπορεί να υπολογιστεί ότι

100 N περισσότερο βάρος οδηγεί σε ταχύτητα περίπου 2 kts.

Το όνειρο του Antoine Albeau να πηγαίνει 50 kts με 30 kts ανέμου θα σήμαινε ότι πρέπει να αυξήσει το βάρος του κατά 1000 N και να χρησιμοποιήσει ένα πανί 8 m2.

Αυτό φυσικά δεν είναι ρεαλιστικό…

Αλλά μπορούμε να προχωρήσουμε γρηγορότερα όταν αφήνουμε τη διαμόρφωση του windsurf και χρησιμοποιούμε μια διαμόρφωση όπως πραγματοποιείται στο Sailrocket II, όπου η ροπή κλίσης δεν ισορροπείται από τον ναύτη αλλά πλήρως ισορροπημένη με υδροδυναμικά (αλουμινόχαρτα) και αεροδυναμικά μέσα (οριζόντια πτέρυγα) έτσι ώστε το συνολικό ιστιοφόρο θα μπορούσε να αυξηθεί σε πολύ υψηλές τιμές χωρίς προβλήματα σταθερότητας.

Μια παρόμοια λύση (Εικ. 9) θα μπορούσε να είναι ένας ακροδέκτης στερεωμένος στον ιστό με μια συσκευή πλάνης ή ένα φύλλο κάτω από το νερό για να παρέχει μια στιγμή που αντισταθμίζει τουλάχιστον ένα μέρος της ροπής. Σε αυτήν την περίπτωση θα μπορούσε να εφαρμοστεί πολύ περισσότερη ώθηση και θα μπορούσαν να επιτευχθούν πολύ υψηλότερες ταχύτητες.

Τι γίνεται με τα ιπτάμενα δελφίνια;

Η ελπίδα να χρησιμοποιείς ιπτάμενα δελφίνια για να έχεις υψηλότερες ταχύτητες δεν είναι πολύ ρεαλιστική.

Χρησιμοποιώντας ένα ιπτάμενο δελφίνι, η αντίσταση του φύλλου αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας. Αυτό είναι ένα μεγάλο μειονέκτημα σε σύγκριση με μια επίπεδη επιφάνεια όπου η έλξη είναι σχεδόν ανεξάρτητη από την ταχύτητα. Αυτό το αποτέλεσμα περιορίζει την εφαρμογή των φύλλων για ιστιοσανίδα υψηλής ταχύτητας είτε τα κάνουμε πολύ μικρά. Για υψηλή ταχύτητα, η περιοχή του φύλλου πρέπει να βελτιστοποιηθεί για την απαιτούμενη ταχύτητα, για 50 kts, π.χ. σημαίνει περίπου 100 cm2 στην περιοχή. Αλλά πώς μπορείτε να ανυψώσετε με μια τόσο μικρή περιοχή με χαμηλότερες ταχύτητες; Περαιτέρω, το στήριγμα για το φύλλο πρέπει να είναι πραγματικά παχύ για να παρέχει την απαραίτητη σταθερότητα που δίνει μεγάλη έλξη.

Ο έλεγχος ενός ιπτάμενου δελτίου είναι πολύ δύσκολος, ειδικά ο έλεγχος υψομέτρου είναι πραγματικά ένα μεγάλο πρόβλημα που χρειάζεται μια αυτόματη συσκευή για να τη διατηρεί σταθερή και για να αποφευχθεί ότι η σανίδα αγγίζει την επιφάνεια του νερού. Θα ήταν καταστροφικό.

Τέλος, δεν μπορείτε να πλεύσετε σε ρηχά νερά.

Ποιος είναι πρόθυμος και ικανός να ισορροπήσει σε ένα ασταθές ιπτάμενο δελφίνι πάνω από 50 kts;

Ως αποτέλεσμα για τις υπάρχουσες σανίδες ιστιοσανίδας, δεν μπορούσε να επιτευχθεί πολύ περισσότερη ταχύτητα λόγω φυσικών περιορισμών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Είναι δυνατές μόνο λίγες βελτιώσεις σε καλύτερες συνθήκες: περισσότερος άνεμος, πιο επίπεδο νερό.

Ποιος μπορεί να βρει και να πλεύσει θα είναι ο νέος κάτοχος παγκόσμιου ρεκόρ.

Όλα αυτά που αναφέρθηκαν παραπάνω ισχύουν επίσης για έναν χαρταετό. Ένα κιτ μπορεί να κρατήσει πολύ περισσότερη δύναμη, επειδή οι βραχίονες της στιγμής της πτέρνας είναι διαφορετικοί, αλλά η αεροδυναμική απόδοση ενός χαρταετού είναι πολύ χειρότερη (περισσότερη έλξη) από εκείνη ενός ιστιοσανίδας.

Γι 'αυτό το ρεκόρ χαρταετού είναι λίγο πιο γρήγορο από το ρεκόρ windsurfing.