2024.02.22. - Hírek
Fotó: STI
Dömel Vilmos hajótervező mérnök cikke
A vitorlázaton ébredő eredőerő mindig okoz egy kis oldalgást (a teljes hátszél és a hajóközépre szimmetrikus keresztvitorlázat esetének kivételével), azaz a hajó nem a hossztengelyének irányában halad, hanem egy attól kicsit eltérő irányban. E miatt a néhány fokos eltérés (az oldalgás szöge) miatt a hajótest bemerült részével szembetalálkozó vízáram ugyanilyen szög alatt éri a test vízalatti részét (amelynek vízszintes metszetei szintén szárnyszelvény-jellegűek). A hajótesten létrejövő víznyomás-eloszlás egy hidrodinamikai eredőerőt hoz létre, amely az oldalgással ellentétes szélfelőli oldalra, felfelé-hátrafelé mutat. Mindkét eredőerőt két-két összetevőre célszerű felbontani. A vitorlán ébredő eredőerő egy a haladás irányába eső Pe előrehajtó erőre, továbbá egy erre merőleges Po erőre bontható, ez utóbbi okozza a hajó oldalgását és dőlését. A hajótesten ébredő eredőerő viszont egy a haladás irányával ellentétes E erőre (a hajó haladását fékező vízellenállásra), valamint az erre merőleges F erőre bontható, ez utóbbi gátolja az oldalgást, és a vitorlán ébredő döntőerő párjaként szintén részt vesz a hajót billentő nyomaték létrehozásában. Hogy miért nem billen fel mégis a vitorlás, annak az állékonyság (stabilitás) az oka, amelyet a hajó súlya és a vízalatti térfogat felhajtóereje által kiváltott visszaállító (stabilizáló) nyomaték biztosít.
A jól megtervezett és ideális körülmények között haladó hajón az oldalgás szöge olyan kicsi, hogy néhány elméleti forrásmunka el is hanyagolja, és a Pe – E erőpárt a hajó szimmetriasíkjával (a hajóközépsíkkal, röviden HK-síkkal) párhuzamosan, a Po – F erőpárt pedig a HK-síkra merőlegesen ábrázolja. Ez azonban csak akkor igaz, ha a laterálfelületet (a hajótest bemerült részének oldalnézeti vetületét) adó vízalatti részek (maga a bemerült test, a tőkesúly, uszony, kormány és szkeg) vízszintes metszetei megközelítik az ideális szárnymetszetet, a laterálfelület elég nagy, és a hajó megfelelő sebességgel halad (a hajótesten keletkező erők a laterálfelülettel és a vízáramlás sebességének négyzetével, a vitorlán keletkező erők a vitorlafelülettel és a látszólagos szél sebességének négyzetével arányosak). Arra is ügyelni kell, hogy a Pe – E erőpár és a Po – F erőpár nyomatéka azonos legyen, különben a hajó elfordul a haladási iránytól („leegierig” vagy „luvgierig” lesz).
Mint látjuk, a vitorlázás hajóelméleti része a fizika szempontjából jól megmagyarázható és számítógépes programokkal jól modellezhető. Az utóbbi időben ezért a vitorlák számítógépes tervezése került előtérbe. Ennek két fő feladata van: egyrészt, meg kell találni azt az ideális vitorlaformát, amely az adott körülményeknek (hajógeometriai jellemzőknek, vízkiszorításnak, szél- és tengerjárási viszonyoknak, nem utolsósorban pedig a felmérési és versenyszabályok követelményeinek) figyelembe vételével a lehető legnagyobb teljesítményt biztosítja a hajónak. Ez sporthajóknál egyértelműen a legnagyobb biztonságosan elérhető sebességet jelenti; az utóbbi időben (legnagyobb örömömre) gombamód szaporodó iskolahajóknál, túra- és chartervitorlásoknál, valamint a közeljövőben reményeim szerint újból megjelenő vitorlás teherhajóknál azonban a sebesség mellett a lehető legkisebb dőlés is szempont, hiszen ki szereti, ha megcsúszik a rakomány (vagy ami még súlyosabb probléma, leesik a teli martinispohár az asztalról)? Nos, a vitorlázat optimalizálását ebből a szempontból eddig biztosító szélcsatorna-kísérletek mellett egyre nagyobb teret kap a CFD (Computational Fluid Dynamics, áramló közegek dinamikájának számítógépes módszere). Az áramló folyadékok és gázok dinamikájának parciális differenciálegyenlet-rendszereit már a XVIII. század óta ismerik és alkalmazzák, de a rendkívül munkaigényes és bonyolult számításokat csak az 1980-as évek fejlett számítógépei tették igazán elérhetővé. A CFD-módszert a repülőgépiparban, turbinák tervezésénél, versenyautók kifejlesztésénél és egy sor egyéb területen már sikerrel alkalmazzák, és a fentebb vázolt nehézségek ellenére már kezd betörni a vitorlatervezésbe is a szélcsatorna-kísérletek mellé, amelyeknél pontosabb, gyorsabb, olcsóbb és szélesebb körű vizsgálatokat tesz lehetővé. A számítógépes modellezésnél nincs szükség a szélcsatornában tesztelendő vitorla-modellek elkészítésére, nem is beszélve az eredeti 1:1 nagyságú vitorlákról, amelyeknek készítése nagy pénzt és hosszú időt igényelt, eldobásuk pedig (ha nem bizonyultak sikeresnek) enyhén szólva jelentős bosszúságot és kárt okozott.
A számítógépes vitorlatervezés másik nagy feladata az igénybevételnek legjobban megfelelő anyagok és vitorlakészítési módszerek (varrás, laminálás, 3D-módszer), valamint a vitorlavastagság, rétegterv és a szilárdsági elemek méretezése és elhelyezésének megállapítása. Erre már léteznek szilárdságtani programok, amelyek figyelembe veszik a várható igénybevételeket és a vitorla anyagának jellemzőit.
A számítógépes tervezésben tehát óriási lehetőségek rejlenek, amelyeket a vitorlakészítő cégek és a számítógépekkel felszerelt hajótervező- és kutatóintézetek egyre jobban ki is használnak. Persze, a megfelelő pontosságú szoftver kidolgozása óriási munkát jelent és így természetesen óriási pénzekbe kerül, de a nagy versenyek költségvetésébe ez belefér, és reméljük, hogy idővel a „mezei” vitorlások szárnyainak tervezői számára is hozzáférhetővé válik.
Az óceán szárnyai – a vitorlák – a XXI. század technikájának segítségével remélhetőleg folytatják a múlt század utolsó negyedében megkezdett intenzív visszatérésüket a világ hajózásába, és tovább járják jól megérdemelt diadalútjukat.
