Zeilen werd vroeger beschouwd als een vrij rustig tijdverdrijf. Maar de afgelopen jaren is de wereld van de jachtraces heeft een revolutie teweeggebracht door de komst van door draagvleugelboten ondersteunde catamarans, bekend als "foilers". Deze schepen, meer verwant aan high-performance vliegtuigen dan jachten, de wetten van aerodynamica en hydrodynamica combineren om schepen te creëren die snelheden tot 50 knopen kunnen halen, die veel sneller is dan de wind die hen voortstuwt.

Een F50-catamaran die zich voorbereidde op de Sail GP-serie, doorbrak onlangs zelfs deze barrière, het bereiken van een ongelooflijke snelheid van 50,22 knopen (57,8 mph), puur aangedreven door de wind. Dit werd bereikt bij een wind van slechts 19,3 knopen (22,2 mph). F50's zijn 15 meter lang, 8,8 meter brede draagvleugelcatamarans, voortgestuwd door starre zeilen en in staat tot zulke verbazingwekkende snelheden dat Sail GP de "Formule Een van het zeilen" wordt genoemd. Hoe kunnen deze jachten zo snel gaan? Het antwoord ligt in een simpele vloeistofdynamica.

Als de romp van een schip door het water beweegt, er zijn twee primaire fysieke mechanismen die weerstand creëren en het vaartuig vertragen. Om een ​​snellere boot te bouwen, moet je manieren vinden om de weerstand te overwinnen.

Het eerste mechanisme is wrijving. Terwijl het water langs de romp stroomt, een microscopisch laagje water hecht zich effectief aan de romp en wordt met het jacht meegetrokken. Een tweede laag water hecht zich dan aan de eerste laag, en het schuiven of schuiven ertussen zorgt voor wrijving.

Aan de buitenkant hiervan zit een derde laag, die over de binnenste lagen glijdt en meer wrijving creëert, enzovoort. Samen, deze lagen staan ​​bekend als de grenslaag - en het is het afschuiven van de moleculen van de grenslaag tegen elkaar die wrijvingsweerstand veroorzaakt.

Een jacht maakt ook golven als het het water rond en onder de romp duwt van de boeg (voorzijde) naar de achtersteven (achterzijde) van de boot. De golven vormen twee kenmerkende patronen rond het jacht (één aan elk uiteinde), bekend als Kelvin Wave-patronen.

Deze golven, die met dezelfde snelheid bewegen als het jacht, zijn erg energiek. Dit creëert weerstand op de boot die bekend staat als de golfvormende weerstand, die verantwoordelijk is voor ongeveer 90% van de totale luchtweerstand. Naarmate het jacht naar hogere snelheden accelereert (dicht bij de "rompsnelheid", later uitgelegd), deze golven worden hoger en langer.

Deze twee effecten vormen samen een fenomeen dat bekend staat als "rompsnelheid", wat de snelste is die de boot kan varen - en in conventionele enkelwandige jachten is het erg traag. Een enkelwandig jacht van dezelfde grootte als de F50 heeft een rompsnelheid van ongeveer 20 mph.

draagvleugelboten

Echter, het is mogelijk om zowel de wrijvings- als de golfvormende weerstand te verminderen en deze rompsnelheidslimiet te overwinnen door een jacht met draagvleugels te bouwen. Draagvleugelboten zijn klein, onderwater vleugels. Deze werken op dezelfde manier als een vliegtuigvleugel, het creëren van een liftkracht die tegen de zwaartekracht in werkt, het optillen van ons jacht zodat de romp vrij is van het water.

Hoewel de vleugels van een vliegtuig erg groot zijn, de hoge dichtheid van water in vergelijking met lucht betekent dat we slechts zeer kleine draagvleugelboten nodig hebben om veel van de belangrijke liftkracht te produceren. Een draagvleugelboot ter grootte van drie A3-vellen, bij het rijden met slechts 10 mph, kan voldoende lift produceren om een ​​groot persoon op te tillen.

Dit vermindert aanzienlijk het oppervlak en het volume van de boot die onder water is, die de wrijvingsweerstand en de golfvormende weerstand vermindert, respectievelijk. Het gecombineerde effect is een vermindering van de algehele weerstand tot een fractie van de oorspronkelijke hoeveelheid, zodat het jacht veel sneller kan varen dan zonder draagvleugels.

De andere innovatie die de snelheid van racejachten helpt verhogen, is het gebruik van stijve zeilen. Het beschikbare vermogen van traditionele zeilen om de boot vooruit te drijven is relatief klein, beperkt door het feit dat de krachten van het zeil in evenwicht moeten werken met een reeks andere krachten, en dat stoffen zeilen geen ideale vorm hebben om kracht te creëren. stijve zeilen, die qua ontwerp sterk lijken op een vliegtuigvleugel, vormen een veel efficiëntere vorm dan traditionele zeilen, waardoor het jacht effectief een grotere motor en meer vermogen krijgt.

Terwijl het jacht accelereert door de drijvende kracht van deze zeilen, het ervaart wat bekend staat als "schijnbare wind". Stel je een volkomen rustige dag voor, zonder wind. Als je loopt, je ervaart een briesje in je gezicht met dezelfde snelheid als je loopt. Als er ook een wind waait, je zou een mengsel voelen van de echte (of "echte" wind) en de bries die je hebt gegenereerd.

De twee vormen samen de schijnbare wind, die sneller kan zijn dan de ware wind. Als er voldoende ware wind is in combinatie met deze schijnbare wind, dan kan er aanzienlijke kracht en kracht uit het zeil worden gegenereerd om het jacht voort te stuwen, dus het kan gemakkelijk sneller zeilen dan de windsnelheid zelf.

Het gecombineerde effect van het verminderen van de weerstand en het vergroten van het aandrijfvermogen resulteert in een jacht dat veel sneller is dan die van zelfs maar een paar jaar geleden. Maar dit alles zou niet mogelijk zijn zonder nog een stap verder:materialen. Om te kunnen "vliegen", het jacht moet een lage massa hebben, en de draagvleugelboot zelf moet erg sterk zijn. Om de vereiste massa te bereiken, sterkte en stijfheid met traditionele bouwmaterialen voor boten zoals hout of aluminium zou erg moeilijk zijn.

Hier komen moderne geavanceerde composietmaterialen zoals koolstofvezel om de hoek kijken. Productietechnieken die het gewicht optimaliseren, stijfheid en sterkte maken de productie mogelijk van constructies die sterk en licht genoeg zijn om ongelooflijke jachten zoals de F50 te produceren.

De ingenieurs die deze hoogwaardige boten ontwerpen (bekend als scheepsarchitecten) zijn altijd op zoek naar nieuwe materialen en wetenschap om een ​​optimaal ontwerp te krijgen. In theorie, the F50 should be able to go even faster.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.