2024.11.29. - Érdekességek
Fotó: STI
Dömel Vilmos hajótervező mérnök cikke
A címben a vitorlákat jelentő kifejezést, megvallom, nem magam találtam ki, hanem egy még 1983-ban született könyv címéből kölcsönöztem. Ebben az időszakban, a múlt század 80-as éveinek elején lódult meg – a 70-es évek olajválságának hatására – az alternatív energiák, elsősorban a szél újbóli felhasználásának kutatása a víziközlekedésben. Ehhez óriási segítséget nyújtottak a sportvitorlázásban és sporthajóépítésben ekkorra már elért egyre jelentősebb műszaki eredmények. Mivel a számítógépek alkalmazása az optimális hajótestek tervezésében már megszokott dolognak számított, a fő feladatot a vitorlázat optimalizálása jelentette, amelyet a vitorlás sport műszakilag legfejlettebb versenyhajói, elsősorban az Amerika-kupa résztvevői már régen igényeltek. Az optimális hajótest és vitorlázat számítógépes szimulációval végzett tervezése és a hajó várható sebességének előzetes becslése, az úgynevezett VPP (Velocity Prediction Program) ugyanis összehasonlíthatatlanul olcsóbb és gyorsabb, mint a hajótest különféle kicsinyített modell-változatainak kísérleti medencében történő megvontatása és a vitorlázat modelljével végzett szélcsatorna-kísérletek. Persze ahhoz, hogy a VPP az adott hajótípus valóban optimális változatát fejlessze ki, rengeteg tapasztalati alapinformációra és az ezeket a lehető legnagyobb pontossággal figyelembe vevő matematikai modellekre van szükség, de ezeket a hajóelméleti és számítástechnikai szakemberek már a 70-es években kidolgozták.
A hajótest szimulációjával nincs is gond, hiszen annak alakja matematikailag pontosan megfogható (a vonalterv ismeretében), így a dőlés, oldalgás, a hajó harántirányú lengése (dülöngélés), hosszirányú lengése (bukdácsolás), függőleges emelkedése-süllyedése (liftezés), valamint a hullámos vízfelület hatására állandóan változó nedvesített felület matematikailag jól modellezhető, így a hajótesten ébredő hidrodinamikai erők viszonylag jól meghatározhatók. De mi legyen a vitorlázattal ?
A vitorlázatot (a nagyvitorla és orrvitorlák együttesét) a vitorlázók és a hajótervezők is rendszerint egy több elemből álló szárnyrendszernek, vagy egy réselt szárnynak tekintik. Ez cirkálásnál rendben is volna, de ha a hajó bőszeles irányban megy, a vitorlázatra ható látszólagos szélirány és a vitorlák árbocra merőleges metszeteinek húrja közötti szög (a megfúvási szög) jóval nagyobb az optimálisnál (a vitorlákat a vantnik miatt nem lehet, de nem is célszerű a hajóközépsíkra közel merőleges állásnál előrébb engedni, a szél viszont hátulról éri őket). Ilyenkor a vitorlák már nem szárnyként, hanem a hagyományos ejtőernyőhöz hasonlóan működnek, és a vitorlázat laposabb elemei (a nagyvitorla és a kreuzban használt orrvitorlák) helyett az öblös spinnakereké, gennakereké, blistereké, bloopereké (stb, stb) a szó. A pályaversenyek távjának nagyobb részét kitevő kreuzban azonban az általános vélemény szerint a madarak vagy repülőgépek szárnyának módján működnek a vitorlák. Ezek szerint úgy is kéne tervezni őket, mint a repülőgép-szárnyakat. Vagy lehet, hogy mégsem ?
Sajnos, a vitorlák tervezésekor sokkal több dolgot kell figyelembe venni, mint a szárnyak tervezésénél. A madarak vagy repülőgépek szárnyát gyakorlatilag teljes hosszában ugyanakkora megfúvási szög alatt éri a velük szembe áramló levegő, míg a vitorlákra ható látszólagos szél sebessége és megfúvási szöge a vízfeletti magasság függvényében a baumtól az árboccsúcsig folyamatosan változik. Mint tudjuk, a vitorlára ható látszólagos szél a valódi szélnek és a hajó haladási sebességével azonos sebességű, de ellentétes irányú menetszélnek a vektoriális összege. A menetszél a vitorla teljes magasságában azonos sebességű és irányú, hiszen az árboc talpa és csúcsa is ugyanabban az irányban, azonos sebességgel halad. A valódi szél azonban a vízfelület súrlódása és a hullámok miatt a víz szintjén jóval kisebb, mint a víz feletti nagyobb magasságokban. Így aztán a látszólagos szél sebessége és iránya a különböző magasságokban erősen eltérő: a baum magasságában jóval gyengébb, és jóval kisebb szög alatt éri a vitorlát (előrébbről fúj), mint például a legfelső lattni magasságában, ahol a látszólagos szél jóval erősebb, és jóval nagyobb a megfúvási szöge (oldalabbról fúj). Ezért a vitorlaprofil nem állandó állásszögű (mint a repülőgépszárny), hanem csavarodik, a metszeteinek a hajóközépsíkkal bezárt szöge felfelé haladva egyre nő (ennek a jelenségnek a nemzetközi szóhasználatban „twist” a neve). A megfúvási szög változása a vízfeletti magasságon kívül erősen függ a szélerőtől, a vízfelület minőségétől, valamint a bukdácsoló, dülöngélő és liftező hajó vitorlázatának mozgásától, ezért pontos meghatározása igen nehéz.
A twist az oka annak, hogy a merev szárnyakat igen ritkán alkalmazzák a vitorlások hajtására. Ezek csak akkor működnének jól, ha a látszólagos szél iránya nem változna a vízfeletti magassággal; ekkor a merev szárny, amelynek minden metszete azonos állásszögű, optimálisan lenne beállítható. Ilyen eset azonban csak akkor fordul elő, ha a hajó áll (nincs menetszél), vagy ha olyan óriási sebességgel halad, hogy a menetszél sebessége jóval meghaladja a valódi szélét, azaz szinte „elnyomja” a valódi szelet; ilyenkor a látszólagos szél ereje és iránya a magassággal alig változik. Ez azonban a gyakorlatban csak a jégszánok esetében lehetséges, amelyeknek menetellenállása a hajókéhoz képest elhanyagolható, és menetszelük sebessége gyakran sokszorosa a valódi szél sebességének, így ezek mindig kreuzolnak (még valódi raumban is). A vitorlás vízijárművekre esetleg felszerelt merev szárnyat azonban még a nagysebességű többtestű hajók (katamaránok és trimaránok) esetében is több részre kell osztani, amelyek a különböző magasságokban különböző állásszögre állíthatók be az ottani látszólagos széliránynak megfelelően (ennek a célnak remekül megfeleltek a merev gyékény-vitorlázatú dzsunkák, amelyeknek bambuszrúd vitorlamerevítőit külön-külön kötéllel lehetett a fedélzetről beállítani a megfelelő állásszögre).
A másik problémakör, ami a repülőgépek merev szárnyának tervezésénél jóval nehezebbé teszi a vitorlák tervezését, az a vitorlaanyag szilárdságának (terhelés alatti alaktartó képességének) és felületi minőségének, valamint a rudazat hajlékonyságának kérdése. Az ipar ma már képes igen alaktartó és egyenletes felületű vitorlaanyagok előállítására, de olyan rudazatot létrehozni, amely minden terhelési esetben teljesen merev és alakját sosem változtatja, gyakorlatilag lehetetlen (de nem is volna célszerű, hiszen a hajlékony rudazat a vitorla-alak formálásának hatékony eszköze). A rudazat hajlékonysága miatt viszont a vitorla alakja a terheléstől (a rá ható szélnyomástól) változik, így változik rajta a nyomáseloszlás is, ami a rudazat újabb deformációját váltja ki, és ez a folyamat a vitorlázás során folyamatosan ismétlődik. Persze, a rudazat és vitorlázat alakját a tapasztalt legénység az álló- és mozgókötélzettel szükség szerint folyamatosan módosíthatja, és ennek a szubjektív tényezőnek figyelembevétele a számítógépes szimuláció során szintén csaknem lehetetlen.
A vitorlák tervezésénél azt is figyelembe kell venni, hogy ezek szilárd alap helyett olyan hajótestre vannak felszerelve, amelyen minden pillanatban változik a hidrodinamikai és aerodinamikai erők bonyolult egyensúlya. A vitorlákat körüláramló levegő nyomáseloszlása a megdőlt hajó vitorlázatának nyomásközéppontjában egy aerodinamikai eredőerőt hoz létre, amely a szélalatti oldalra, lefelé-előrefelé mutat. Ezt az aerodinamikában általában két összetevőre szokták bontani (a megfúvás irányába eső ellenállásra és az erre merőleges felhajtóerőre), a vitorlák esetében azonban kicsit bonyolultabb a helyzet.
