Biztos szél alatti pozíció


Még mindig nagyon sok vitorlázót hoz zavarba a vitorlák közötti kölcsönhatás, ezért nem meglepő a tanácstalanság, amikor két különböző hajón lévő vitorla kölcsönhatását vizsgáljuk, és az egyik hajó biztos szél alatti pozícióban (safe leeward position) van. A régi elmélet szerint az orrvitorla felgyorsítja a levegő áramlását a két vitorla közötti résben, ami nagyobb szívást, tehát nagyobb felhajtóerőt hoz létre a grószon. Amikor azonban a vitorlák két különböző hajón vannak, akkor a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó biztosan veri a szél felöli oldalon hátrébb lévő másik hajót. Ebben az esetben a gyakorlat látványosan cáfolja a régi elméletet, hiszen itt a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó nem segíti, hanem egyenesen reménytelen pozícióba (hopeless position) hozza a grósz helyén lévő másik hajót. Arvel Gentry a vitorlák e kölcsönhatására is megfelelő magyarázatot ad.

A vitorlák között valóságos kölcsönhatás abban az esetben is érvényes, amikor az egymással kölcsönhatásban lévő vitorlák két különböző hajón vannak. Az 1. ábrán egy magában álló hajó körül kialakuló áramlási mező látható. A pontozott vonalak a hajó körüli áramvonalakat jelzik. A számpárok közül a felső a látszólagos szél csomókban kifejezett sebességét adja meg az adott pontban. A számpár alsó tagja a helyi áramlás szöge, ahol a plusz szám a zavartalan szélhez viszonyított feláramlást (upwash), a negatív pedig a helyi leáramlást (downwash) jelöli. A példában a zavartalan áramlás sebessége 10 csomó, az áramlás szöge nulla. Ezek az értékek több hajóhosszal a hajó előtt mérhetők, mivel a hajó körül az áramlás jelentős távolságban zavart minden irányban. A zavarás a hajó közelében a legerősebb, és attól távolodva csökken.


1. ábra

Az ábrán az előnyös, biztos szél alatti pozíció helyét az A betű jelzi az áramkép jobb felső sarkában. Ebben a pozícióban a szél sebessége 11 csomó, az áramlás szöge +5,7 fok. Tehát, itt a szél sebessége nagyobb, mint a zavartalan áramlásban, az iránya pedig úgy fordul el, hogy a vitorla kedvezőbb irányból kapja a szelet. Ezt az állapotot az A pont szél felöli oldalán lévő hajó idézi elő. Ugyanez a hajó egy leáramlási mezőt is létrehoz maga mögött, amely élesebb és kisebb sebességű szelet jelent a B pontban (ez a reménytelen pozíció). Itt a szél sebessége csak 8,8 csomó, iránya pedig -4,7 fok. A két hajó körüli teljes áramkép a 2. ábrán látható. Mindkét hajó azonos szögben vitorlázik a zavartalan áramláshoz képest, így jól látható a két hajó vitorláinak a kölcsönhatása.


2. ábra

A magában álló hajó áramképét (1. ábra) a két hajó körüli áramképpel összehasonlítva (2. ábra) látható, hogy a szél felöli hajó (W) előtti feláramlás szöge sokkal kisebb, mint az 1. ábrán. Ezt a változást a szél alatti (L) hajó okozta. A szél felöli hajó mögötti áramvonalak alakja nem sokat változott, a szél alatti hajó előtti feláramlás szöge azonban jelentősen megnőtt az 1. ábrához viszonyítva. Ezt a W hajó idézte elő.

A 3. ábrán azt láthatjuk, hogy az áramlási mező fenti változásai milyen hatással vannak a szél felöli (W) hajó vitorlái mentén kialakuló nyomáseloszlára. A szaggatott vonallal rajzolt görbék az egyedül vitorlázó szél felöli oldalon lévő hajóra vonatkoznak, míg a folytonos vonallal rajzolt görbék a mindkét hajó jelenlétében kialakuló nyomásokra vonatkoznak.


3. ábra Nyomáseloszlás a hátul lévő szél felöli hajó vitorláin

A negatív nyomásegyütthatók azt jelentik, hogy a nyomás kisebb, mint zavartalan áramlásban, azaz szívás van. Minél nagyobb a szám, annál nagyobb a szívás a vitorla szél alatti oldalán, és ezért annál nagyobb a felhajtóerő is. A biztos szél alatti pozícióban lévő hajó jelenlétében a hátul lévő, szél felöli hajó vitorláinak a szél alatti oldalán sokkal kisebbek a szívások, és ezért kisebb a felhajtóerő is. Látható, hogy a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó nagyon hátrányosan befolyásolja a szelet a szél felöli hajó mindkét vitorlája számára.

A hátul lévő, szél felöli hajó ugyanilyen jelentős mértékben, de kedvezően befolyásolja a szelet a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó vitorlái szempontjából. A hátul lévő hajó nagyobb szélsebességet és kedvezőbb feláramlási szöget hoz létre az elöl lévő hajó számára. Az is igaz ugyan, hogy ez a nagyobb szélsebesség egy kicsivel csökkenti a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó vitorláinak a szél felöli oldalán a nyomást, ezért egy kicsit csökken a vitorlák hajtóereje is ahhoz képest, mintha a hajó csak magában vitorlázna. Ennek ellenére a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó mégis maga mögött tudja tartani a hátul lévő, szél alatti hajót. Ennak az a magyarázata, hogy a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó fővitorlájának hátsó éle abban a nagysebességű áramlási tartományban van, amelyet a hátul lévő, szél felöli hajó idéz elő. Ez azt jelenti, hogy vitorla szél alatti oldalán kialakuló sebességeknek nem a zavartalan áramlás sebességére csökkenniük, mire elérik a hátsó élt, hogy a vitorla két oldalán közel azonos legyen a nyomás a vitorla hátsó élénél Kutta-feltétel) (a grósz ugyanilyen hatással van az orvitorlára). Így a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó fővitorlájának a szél alatti oldalán, a nagyobb sebességnek köszönhetően, nagyobb szívás jön létre, mint amikor nem lenne jelen a szél felöli hajó. Ez a nagyobb szívás bőven ellensúlyozza a vitorla szél felöli oldalán bekövetkező nyomáscsökkenésből származó hajtóerőcsökkenést. Ezt az ún. "utánhúzási" hatás ("bootstrap" effect). Ha a biztos szél alatti pozícióban lévő hajón a grósz mellet az orrvitorla is fel van húzva, akkor megduplázódik ez az utánhúzási hatás. A hátul lévő, szél felöli hajó segíti a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó grószát, ami - hasonló módon - tovább fokozza az orrvitorla hatásosságát. Ez látható a 4. ábrán.


4. ábra Nyomáseloszlás a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó vitorláin

A szaggatott vonallal rajzolt görbék annak az állapotnak felelnek meg, amely akkor alakul ki, amikor a biztos szél alatti pozícióban lévő hajó magában van, míg a folytonos vonallal rajzolt görbék a hátul lévő, szél alatti hajó jelenlétében kilakuló állapotra vonatkoznak.

A diagramon látható, hogy a két hajó jelenlétében a biztos szél alatti pozícióban lévő hajón nagyobb szívások jönnek létre mindkét vitorla mentén, így a hátsó éleknél is. Ez a jelentősen nagyobb szívás, bőven ellensúlyozza a szél felöli oldalon bekövetkező kisebb nyomás hatását.

Ennek az áramlási állapotnak a következő hatásai vannak a két hajóra.
  • A hátul lévő, szél felöli hajónál kisebb lesz a szél sebessége, mint a biztos szél alatti helyzetben lévő hajónál, és a szél is élesebben fog fújni. Ennek eredményeképpen lassabb lesz a másik hajónál és a korábbi állásszög tartásához, még ejteni is kell a hajót, ami viszont csökkenti a térnyerési sebességet (vmg).
  • A biztos szél alatti pozícióban lévő hajó számára nagyobb lesz a szél sebessége és a feláramlás szöge, ezért élesebben és gyorsabban tud vitorlázni, mint a hátul lévő, szél alatti hajó, de ahhoz képest is, mint akkor, ha nem lenne ott a szél felöli hajó.
A hajókra gyakorolt fenti hatások akkor használhatók ki, ha a vitorlák beállítása optimális a vitorlázott irányhoz, és nem válik le az áramlás a vitorlákról.

Az 1. ábrán lévő áramképen látható, hogy a vitorla körüli áramlás sebességeiben és irányaiban jelentős eltérések vannak, de rövid távon nincsenek hirtelen változások. A gyakorlatban viszont mégis az tapasztaljuk, hogy a szél sebessége és iránya hirtelen megváltozik, amikor elmegyünk keresztben egy másik hajó mögött. Ennek az lehet az egyik magyarázata, hogy a másik hajó mögött egy széles, instabil örvényzóna van, amit a levált áramlás hoz létre. Ez különösen akkor figyelhető meg, amikor egy félszélben vitorlázó hajó mellett megyünk el. Ezen túlmenően, a vitorla végeinél (a vitorla alsó élénél és a csúcsánál) is megjelenik ugyanaz a végörvény-jelenség, amit a repülésben szárnyvégörvénynek neveznek. Ennek látható egy nagyon leegyszerűsített képe az 5. ábrán.


5. ábra Végörvény a vitorla alsó élénél és csúcsánál

A vitorla csúcsáról és alsó éléről egy-egy kavargó légörvényt szakad le. Minden egyes vitorlának megvan a saját "vitorlavégörvény"-rendszere. Az orrvitorláé köncsönhatásba kerül, és valószínűleg összekeveredik a grószéval. Ez az örvényrendszer azért alakul ki, mert vitorla két oldala közötti nyomáskülönbség hatására a levegő, a vitorla csúcsánál és az alsó élénél, a vitorlát megkerülve, a nagyobb nyomású szél felöli oldalról a kisebb nyomású szél alatti oldalra áramlik át. Ez a jelenség megtalálható a vitorla hátsó élénél is, ott azonban a nagyon kis nyomáskülönbség miatt nincs jelentős hatása. Érdekes módon, ezek az örvényrendszerek a vitorla középső részén nem nagyon befolyásolják az áramlási sebességet és áramlás szögét.