Όρτσα τα πανιά: Τα βασικά της υδροδυναμικής και αεροδυναμικής του ιστιοφόρου σκάφους

Του Μάκη Ματιάτου

Πριν από μερικά Χρόνια έτυχε να πέσει στα χέρια μας ένα μικρό φυλλάδιο που αφορούσε στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση των μικρών Βρετανών μαθητών, κάτι σαν τη γνωστή μας «οικοκυρική» στο σχολείο. Το φυλλάδιο αυτό εξηγούσε με αναλύσεις και λεπτομέρειες γιατί ένα σκάφος από σίδερα, για παράδειγμα, πλέει στο νερό και δεν βουλιάζει αφού είναι βαρύτερο, πώς ένα ιστιοφόρο μπορεί να ταξιδέψει κόντρα στον αέρα και άλλα ναυτικά θέματα. Εμείς εδώ θα μείνουμε στο τελευταίο, γιατί θεωρούμε πως η γνώση και η εξοικείωση με τη θάλασσα επιβάλλει να το ξέρουμε, άσχετα αν ασχολούμαστε ή όχι με την ιστιοπλοΐα.



Υπάρχουν πολλές παράμετροι που παίζουν το δικό τους ρόλο στην κίνηση, στις επιδόσεις, αλλά κυρίως στην ομαλή πλεύση ενός σκάφους που κινείται με τα πανιά του. Για οιονδήποτε άνθρωπο το ιστιοφόρο είναι άλλο ένα σκάφος με τα μόνη διαφορά πως η κινητήρια δύναμη είναι τα ιστία. Στην πράξη δεν είναι ακριβώς έτσι. Το ιστιοφόρο είναι ένα πολύπλοκο ναυπήγημα, ειδικά γιατί πέρα από τη γάστρα η μελέτη πρόωσης περιλαμβάνει και τα πανιά.



Όταν ένα ιστιοφόρο ταξιδεύει, βασίζεται κυρίως σε δύο παράγοντες, στην αεροδυναμική των πανιών του και στην υδροδυναμική της γάστρας του, σε αντίθεση με το μηχανοκίνητο όπου η υδροδυναμική της γάστρας είναι το μοναδικό στοιχείο πρόωσης. Η αεροδυναμική της ιστιοφορίας του είναι υπεύθυνη για την αποτελεσματικότητα της πλεύσης και της προωστήριας δύναμης που αναπτύσσεται, η δε υδροδυναμική της γάστρας του για την ισορροπία των δυνάμεων που χαρίζουν στο σκάφος την ευστάθεια και τις επιδόσεις. Ας δούμε γιατί. Το σχήμα 1 δείχνει τις χαρακτηριστικές αεροδυναμικές δυνάμεις που εξασκούνται στα πανιά του ιστιοφόρου, σε συνδυασμό με τις υδροδυναμικές δυνάμεις της γάστρας του. Ας τις παρακολουθήσουμε αναλύοντάς τες σε μία κάτοψη, που μας δίνει μια σαφέστατη εικόνα των οριζόντιων δυνάμεων και πώς ισορροπούν.



Όταν το σκάφος ταξιδεύει, δημιουργείται κάποια αντίσταση από το νερό. Κάτω από συνθήκη ισορροπίας και καθώς το σκάφος ταξιδεύει με σταθερή ταχύτατα, σε κάποια ορισμένη πορεία, η αντίσταση πρέπει να ισορροπηθεί και να ξεπεραστεί από κάποια άλλη δύναμη, την προωστήρια δύναμη που δημιουργείται από τα πανιά. Δυστυχώς η προωστήρια αυτά δύναμη (αεροδυναμικά δύναμη πρόωσης), δεν μπορεί να δημιουργηθεί χωρίς την ύπαρξη κάποιας πλάγιας δύναμης (πλάγια αεροδυναμικά δύναμη), που θα πρέπει στη συνέχεια να εξισορροπηθεί από μια άλλα πλάγια υδροδυναμική δύναμη. Η τελευταία δημιουργείται από τη γάστρα του σκάφους, όταν αυτή σχίζει το νερό με κάποια μικρή απόκλιση από τη φαινόμενη πορεία. Καθώς οι ροπές των αεροδυναμικών και υδροδυναμικών δυνάμεων που σχηματίζονται, πρέπει να εξισορροπούνται για να ταξιδέψουμε, οι αντίστοιχες αεροδυναμικές και υδροδυναμικές δυνάμεις που δημιουργούνται στο οριζόντιο επίπεδο που εξετάζουμε, θα πρέπει να εφαρμόζονται στην ίδια ευθεία. Ας δούμε όμως τις δυνάμεις που εξασκούνται στο επίπεδο της παρατήρησής μας.

Αεροδυναμικές δυνάμεις
Η δύναμη F είναι η ολική αεροδυναμική δύναμη, δηλαδή η συνισταμένη των F1 που είναι η δύναμη πρόωσης και F2 που είναι η πλάγια αεροδυναμική δύναμη.

Υδροδυναμικές δυνάμεις
Η δύναμη FΆ είναι η ολική υδροδυναμική δύναμη, δηλαδή η συνισταμένη των F1Ά που είναι η αντίσταση της γάστρας στο νερό και F2Ά που είναι η πλάγια υδροδυναμική δύναμη. Η γωνία α είναι η γωνία έκπτωσης και η γωνία β, η γωνία της πορείας μας με το φαινόμενο άνεμο.





Ας φύγουμε όμως από το επίπεδο της παρατήρησής μας και ας περάσουμε σε ένα άλλο κατά τη διεύθυνση της κίνησης του σκάφους, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Εκείνο που μπορούμε να παρατηρήσουμε αμέσως είναι πως οι συνισταμένες των αεροδυναμικών και υδροδυναμικών δυνάμεων εφαρμόζονται κάθετα στο επίπεδο του καταρτιού. Αυτό βέβαια δεν είναι απαραίτητα σωστό, αλλά είναι μια διαδικασία προσέγγισης που χρησιμοποιείται πάντα στη θεωρία της αεροδυναμικής και υδροδυναμικής του ιστιοφόρου για να γίνει το θέμα περισσότερο κατανοητό. Ας εξετάσουμε τώρα τις δυνάμεις που εξασκούνται στο επίπεδο της παρατήρησής μας.

Στο ιστιοφόρο έχουμε δύο βασικά κέντρα, το κέντρο πρόσπτωσης και το κέντρο πλευρικής αντίστασης (σχήμα 5). Το κέντρο πρόσπτωσης είναι αυτό στο οποίο εξασκείται θεωρητικά η ολική αεροδυναμικό δύναμη (Center of Effort CE) και το κέντρο πλευρικής αντίστασης, εκείνο στο οποίο εξασκείται h ολική υδροδυναμική δύναμη (Center of Lateral Resistance CLR). Όσο μεγαλύτερη (κατακόρυφα) είναι η απόσταση μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερο είναι το κουπαστάρισμα. Στο οριζόντιο επίπεδο τώρα, η απόσταση μεταξύ των δύο σημείων λέγεται Lead. Επειδή στην ελληνική γλώσσα δεν υπάρχει κάποια αντίστοιχη λέξη, θα μπορούσαμε να την αποδώσουμε σαν «προώθηση». Το κέντρο πρόσπτωσης είναι και πρέπει πάντα να είναι πιο πλώρα από το κέντρο πλευρικής αντίστασης. Αυτό κάνει το σκάφος πάντα να ορτσάρει λίγο ακόμα και σε λεπτό καιρό. Αν το ιστιοφόρο δεν ορτσάρει λίγο, η σχεδίαση της γάστρας ή της ιστιοφορίας δεν είναι σωστή, ή καλύτερα, το σκάφος δεν είναι ιστιοφόρο. Η «προώθηση» αυτή είναι και υπεύθυνη για τη μικρή παρέκκλιση από την ευθεία του τιμονιού ή της λαγουδέρας που παρατηρείται στο ιστιοφόρο. Το βαρύ τιμόνι είναι συνάρτηση του lead, δηλαδή της ροπής των αεροδυναμικών και υδροδυναμικών δυνάμεων στο σκάφος.

Σε επόμενη επικοινωνία μας θα έχουμε την ευκαιρία να αναφερθούμε στα επιμέρους θέματα του ιστιοφόρου σκάφους, που πρέπει να γνωρίζουμε όλοι, άσχετα αν είμαστε φίλοι του ή όχι. ?λλωστε, κάτι που το μαθαίνουν οι μαθητές στη Μεγάλη Βρετανία, δεν είναι δυνατόν να μην το κατέχουμε εμείς οι Έλληνες με τη μεγάλη ναυτική ιστορία και την πλούσια εμπειρία στο σκάφος αναψυχής.

Close