Pozorny paradoks

Przyjrzyjmy się statecznikom wiatrowym o pionowej osi obrotu. Chcemy aby nasz samoster z jak największą siłę działał na ster. Często bywa tak, że powierzchnia statecznika jest powiększana a samoster nadal działa słabo.  Może nawet przestać działać.

Aby samoster działał na ster z dużą siłą potrzebujemy największego momentu siły względem osi obrotu. 

Ilość miejsca jakie może zająć obracająca się płetwa jest zawsze ograniczona. Załóżmy, że na naszym jachcie mamy możliwość zamontowania samosteru o wymiarze L. Wysokość taka sama we wszystkich przypadkach.

An apparent paradox

    Let's look at wind fins with a vertical axis of rotation. We want our wind vane to provide the greatest possible force acting on the rudder. It often happens that the surface of the fin is increased and the wind vane continues to work poorly. It may even stop working.

In order for the wind vane to act on the rudder with great force, we need the greatest moment of force relative to the axis of rotation.

The amount of space that a rotating fin can take up is always limited. Let's assume that on our sailboat we have the possibility of installing a wind vane with dimension L. The height is the same in all cases.

Popatrzmy na rysunek 1. Tu powierzchnia statecznika jest największa. To jednak nic nie daje. Część płetwy przed osią obrotu nie zwiększa momentu siły lecz go zmniejsza. Taki samoster wytworzy bardzo małą siłę działającą na ster. Jeżeli nadal powierzchnia przed osią obrotu będzie zwiększana to dojdziemy do całkowitego zrównoważenia statecznika. Wówczas siła wytwarzana przez samoster będzie wynosiła zero.

    Let's look at Figure 1. Here the fin surface is the largest. However, this does nothing. The part of the fin in front of the axis of rotation does not increase the moment of force but reduces it. Such a wind vane will generate a very small force acting on the rudder. If the surface in front of the axis of rotation is still increased, we will achieve complete balance of the stabilizer. Then the force generated by the wind vane will be zero.

Popatrzmy na rysunek 2. Krawędź statecznika wiatrowego pokrywa się z osią obrotu. Ramię siły jest większe niż w przykładzie nr 1. Samoster działa, ale może działać lepiej.

    Let's look at Figure 2. The edge of the fin coincides with the axis of rotation. The arm of the force is larger than in example no. 1. The self-steering works, but it could work better. 

Popatrzmy na rysunek 3. Podzieliliśmy L na połowy. Zmniejszyliśmy powierzchnię statecznika wiatrowego dwukrotnie a siła  samosteru nie zmniejszyła się. Jest o 25% większa niż w przykładzie nr 2. To jest optymalny podział. Moment siły jest największy. Dodatkową zaletą małej płetwy jest jej większa odporność na silny wiatr. 

    Let's look at figure 3. We divided L in half. We reduced the fin area by two and the self-steering force did not decrease. It is 25% larger than in example no. 2. This is the optimal division. The moment of force is the largest. An additional advantage of a small fin is its greater resistance to strong winds.

 Jak używać płetw rufowych na Setce i Globe 5.80

1. Montować czy nie montować?

rys. 1

       Jeżeli macie samoster wiatrowy z własną pomocniczą płetwą sterową (rys. 1) to nie musicie montować płetw rufowych. Wystarczy zablokować ster główny i pozostawić sterowanie samosterowi i sterowi pomocniczemu. Łódka z zablokowanym sterem głównym jest silnie ustateczniona kursowo. Teraz zablokowany ster pełni rolę płetw rufowych.

rys. 2

    Jeżeli wasz samoster wiatrowy steruje łodzią za pomocą steru głównego (rys. 2) to zamontujcie płetwy rufowe. Nie ma znaczenia jaki to jest typ samosteru. Płetwy pomogą samosterowi i pozwolą dłużej nieść duże żagle. Jacht będzie lepiej trzymał kurs. Najważniejsze, w czasie żeglowania z wiatrem i dużą falą płetwy zminimalizują ryzyko ustawienia łodzi burtą do fali. 

2. Kiedy podnosimy płetwy w do góry.

a. Gdy sterujemy ręcznie i nie mamy z tym problemu.

b. Podczas żeglowania z małymi prędkościami (to w regatach, turyści mogą mieć płetwy opuszczone zawsze gdy żeglują z wiatrem).

c. Podczas żeglowania pod wiatr można nie używać płetw lub opuszczać w dół płetwę zawietrzną częściowo lub całą.

d. Gdy będziemy wykonywali ciasne manewry. Płetwy przeszkadzają w manewrach. Powodują, że promień cyrkulacji wyraźnie się zwiększa. Na przykład gdy wchodzimy do portu płetwy powinny byc podniesione.

3. Kiedy opuszczamy płetwy w dół.

a. Gdy żeglujemy z umiarkowanym lub silnym wiatrem prowadzeni przez samoster wiatrowy. Płetwy pomogą trzymać kurs. To ważne gdy chcemy nieść duże żagle.

b. Gdy fala jest wysoka i grozi ustawienie jachtu burtą do nadchodzącego grzywacza. Płetwy zapobiegają zejściu z kursu. W sztormie mogą was uratować przed zrolowaniem jachtu.

c. Gdy długo sterujemy ręcznie i jesteśmy zmęczeni. Płetwy pomogą trzymać kurs.

Jeżeli chcecie zobaczyć jak działa ustatecznienie kursowe to możecie przeprowadzić proste doświadczenie. 

Weźcie motorówkę lub jacht z dużym silnikiem. Zaczepcie na długim holu małą łódź mieczową (np. Optimist). Miecz i ster podnieście. 

Gdy będziecie płynęli z małą prędkością np.  dwa węzły to holowana łódeczka równo płynie za wami. Gdy zwiększacie prędkość łódeczka zaczyna esować. Raz w lewo, raz w prawo.  Gdy dalej przyspieszacie łódeczka szaleje. Holujecie ją za dziób a ona ustawia się prostopadle do liny holującej. 

Teraz drugie holowanie. 

Miecz nadal podniesiony. Ster założony, opuszczony w dół i zamocowany sztywno w osi łódeczki. 

Holujemy z małą prędkością - łódeczka płynie prosto za wami. Zwiększamy prędkość - to samo. Łódeczka płynie jak po szynach. Zablokowany ster pełni rolę płetwy ustateczniającej kursowo.

Tak działa ustatecznienie kursowe. Jest korzystne i skuteczne. im większa prędkość tym bardziej jest potrzebne.

Więcej o stateczności kursowej możecie przeczytać na tym blogu, wpis z 27 lutego 2013.

 Kilka słów o ciężarach.

Jeszcze niedawno żeglowano na jachtach poszytych drewnianymi klepkami. Klepki były dobrze spasowane. Połączenie uszczelniała bawełniana nić. Gęsto rozmieszczone delikatne gięte wręgi wiązały planki poszycia. Mocniejsze, wycinane lub klejone wręgi usztywniały kadłub. Drewniane denniki wiązały stępkę i balast. Na spokojnej wodzie jacht był szczelny. Gdy zaczynał pracować na fali  trzeba było pompować. Ilość ruchów pompą zenzową wpisywano do dziennika. Dwadzieścia podczas czterogodzinnej wachty. W sztormie więcej. Czasami ponad sto. Jacht był najważniejszy. Dawał wolność i przygodę. Dla bezpieczeństwa wszystko było podporządkowane wymaganiom jachtu nie kaprysom człowieka. Akceptacja praw fizyki była oczywista. Woda, akumulatory i wszystko co ciężkie umieszczone było nisko. Wyposażenie osobiste też starano się umieścić nisko pod kojami. Jaskółki nad kojami miały fronty z mahoniowej deseczki o grubości osiem milimetrów a dna szafek było zrobione z czteromilimetrowej sklejki. Wystarczająco mocno i bardzo, bardzo lekko. Żeglarze chcieli żeglować. Akceptowali warunki. Tęsknili do nich. Wszyscy wiedzieli, że tak jak przeciążony samolot nie wystartuje tak przeciążony jacht będzie źle żeglował. Wolniej, bardziej mokro i mniej bezpiecznie. Mijały lata i jachty się zmieniły. Skonstruowano wiele nowych urządzeń ułatwiających żeglowanie i zwiększających bezpieczeństwo. Nie zmieniły się tylko zasady. Nadal gdy przeciążymy jacht to będzie gorzej żeglował. Nadal gdy podniesiemy środek ciężkości to zmniejszy się zakres stateczności. Te zmiany będą tym mocniej odczuwalne im mniejszą mamy łódkę. Spróbujmy porównać możliwości pięciometrowej "Setki" i dwa razy dłuższej "Dziesiątki".

1. Wyposażenie noszone na topie masztu

Ciężary na topie masztu działają na najdłuższym ramieniu i tu powinniśmy mieć jak najmniej obciążeń bez względu na wielkość jachtu. Podczas pracy na fali wszystko co jest zamocowane na topie podlega silnym przeciążeniom i może zostać wykatapultowane daleko za burtę. To jeszcze jeden powód by umieszczać tam tylko rzeczy lekkie i bardzo porządnie mocować je do masztu.

"Setka" -  dopuszczalne byłoby zamocowanie na topie tylko lekkiego, białego światła LED 360 stopni. Puszczony w maszcie lekki kabel zasilający 2x1mm2 wystarczy z nadmiarem. Maszt wypełniony pianką nienasiąkliwą. 

 "Dziesiątka" - tu możemy sobie pozwolić na więcej. Trójkolorowa i biała latarnia nawigacyjna, czujnik wiatru i antena nie będą odczuwalne dla stateczności. Pamiętajcie o kablach, powinny być jak najlżejsze.

2. Bramka rufowa

"Setka" - solidna bramka i mocowanie na niej wyposażenia na tak niewielkej łodzi byłoby nierozsądne.

"Dziesiątka" - to już niemały jacht i lekka bramka nie zmniejszy bezpieczeństwa. Bramkę możemy wykonać z rurek fi 25 o grubości ścianki 1,5mm. Są lekkie i wystarczająco mocne. Wysokość bramki nie powinna być zbyt duża i dobrze by była dostosowana do wzrostu załogi, np. 180 cm od dna kokpitu. Taka bramka będzie ważyła około 15 kg. Należy się wystrzegać wysokich "pancernych" konstrukcji.

3. Silnik przyczepny

Mocowanie silnika do pontonu na koszu rufowym jest praktyczne i stało się elementem żeglarskiego stylu. 

"Setka" - tu mówimy o silniku podstawowym. Gdy już wyjdziemy z portu na dłuższy przelot silnik należy schować nisko we wnętrzu jachtu. Noszenie silnika ponad pawężą istotnie zmniejsza stateczność. To trochę tak jakbyście od swojego stukilogramowego ołowianego bulba odjęli ciężar silnika. Żeby w ten sposób żeglować trzeba mieć niemało szczęścia.

"Dziesiątka" - noszenie lekkiego silnika na koszu rufowym jest dopuszczalne.

4. Wyposażenie pokładu

Co się stanie gdy podniesiemy śrrodek ciężkości na przykład przeciążając pokład? Na początku, gdy stoimy na spokojnej wodzie może się wydawać, że to był dobry pomysł. Jacht jest cięższy, głębiej się zanurzył i stanął na szerszej wodnicy. Stateczność początkowa mogła nawet wzrosnąć. Zmniejszył się zakres stateczności ale tego na razie nie odczuwamy. Jeszcze dokładamy na pokładzie ciężarów. Stać nas, niech w klubie widzą. Jacht przewraca się przy wodowaniu. 

"Setka" - wyposażenie ograniczone do minimum i jak najlżejsze. Pokład najlepiej pomalować farbą antypoślizgową.

"Dziesiątka" - jak zawsze dbamy o ciężary ale tu już możemy zastosować wykładziny antypoślizgowe. Możemy swobodnie dobierać właściwej wielkości osprzęt pokładowy. Jednak nie kładziemy grubej klepki teakowej. Dodatkowe trzysta kilogramów na pokładzie zrobiłoby dużą różnicę.

5. Ciężki kadłub

Doszliśmy do błędu który czasami zdarza się tym którzy wszystko chcą wzmacniać. Pogrubiają poszycie i elementy zładu, grubo, bardzo grubo laminują. Chcą by ich jacht był wyjątkowo bezpieczny. Uzyskują efekt odwrotny. Środek ciężkości kadłuba na jednokadłubowych jachtach balastowych jest wyraźnie powyżej środka ciężkości całego jachtu. Gdy zwiększamy ciężar kadłuba to środek ciężkości całego jachtu wędruje do góry. To powoduje zmniejszenie zakresu stateczności. Jacht nie wstanie z tak głębokich przechyłów jak ten którego kadłub nie był przeciążony. 

Ten problem dotyczy w jednakowym stopniu jachtów dużych jak i małych.

6. Woda słodka na pokładzie

Kanistry z wodą mocowane na pokładzie są dziś tym czym kiedyś była broda i fajka. Od razu widzimy, że mamy przed sobą wilka oceanicznego który byle gdzie nie płynie. To ciekawa moda. Trochę podobna do noszenia zimą dziurawych spodni.

To było zaledwie kilka słów o ciężarach. Który z błędów jest najgorszy? Największy błąd to często suma wszystkich małych błędów. 

  Setka A z podnoszonym kilem

Część 4 - montaż

Poniżej pokazano zamontowanie skrzyni, podnoszonego kila i steru na Setce A "Atom". Prace i fotografie wykonał Piotr Czarniecki. Odkręcony został stały kil. Otwory po mocujących go śrubach zostały zaszpachlowane epoksydem i z zewnątrz zalaminowane. W wycięte otwory w dnie i pokładzie wsunięta, wklejona i przykręcona została skrzynka kilowa. Skrzynka została wsunięta od dołu kadłuba. Ponieważ wnętrze Atoma było zabudowane i ta zabudowa miała pozostać przecięto jej elementy i powiązano ze skrzynką. Podczas montowania skrzynki bardzo ważne jest by nie została skręcona. Powierzchnie wewnętrzne mają pozostać płaskie. 

Zmieniono ster i zawiasy steru

Odkręcanie stałego kila

Trasowanie otworu pod skrzynkę kilową

Otwory w dnie i pokładzie wycięte

Wsuwanie skrzyni

Stały kil usunięty, skrzynka kilowa wklejona i przykręcona

Naddatek skrzyni został obcięty. Skrzynię przylaminowano do pokładu a laminowanie zakryto sklejkowymi nakładkami. 

Sklejkowe podkładki gotowe do przykręcenia okucia podmasztowego. Teflonowe ślizgi wstawione w przetłoczenia.

Płetwa kila wsunięta od strony pokładu

Zamontowano okucie podmasztowe. Uwaga, tu nietypowy szczegół. Na na nowym okuciu podmasztowym nie wykonano gniazda masztu. Wykorzystano stare okucie podmasztowe przykręcając je na nowym. Prace wykonywano z dala od warsztatów spawalniczych a dzięki takiemu rozwiązaniu była pewność, że wszystko będzie pasowało. Maszt skrócono o wysokość nowego okucia podmasztowego.

Do wystającej płetwy kila przykręcono bulb zdjęty z kila stałego. Szczelina między połówkami bulba została zaszpachlowana.

 Wystającą krawędź kołnierza płetwy dobrze jest oprofilować szpachlówką epoksydową, zwłaszcza krawędź przednią

Skrzynka kilowa wlaminowana w kadłub. Dodatkowo w tej łódce przylaminowana do poprzecznej grodzi przez którą przechodzi oraz do półek kambuza.  

Przylaminowanie do pokładu

Przylaminowanie do dna

 Setka A z podnoszonym kilem

Część 3 - ster

Wycinamy kształt płetwy.

Zaznaczamy profilowanie

Profilujemy płetwę za pomocą szlifierki kątowej

Oprofilowana płetwa

Laminujemy płetwę

Szpachlujemy płetwę żywicą epoksydową zagęszczoną mokrobalonami

Szlifujemy szpachlówkę

Malujemy płetwę

Jarzmo wykonujemy ze stali AISI316. Aby uzyskać sztywność końce cienkiej blachy są wygięte na zewnątrz. Na dolnych łukach dospawano paski blachy. W górnej części jarzma wspawano pasek blachy o szerokości 40mm. Zawiasy przyspawane do jarzma.

Zawiasy. Widać zaokrąglone krawędzie otworów prowadzących kontrafał.

Płetwa pasuje do jarzma

Teraz czas na wywiercenie otworów i wykonanie rumpla.

Wykonanie płetwy i fotografie Piotr Czarniecki

 Setka A z podnoszonym kilem

Część 2 - stalowa płetwa kila.

Płetwa z blachy stalowej, ocynkowana, zaokrąglona na krawędzi natarcia i zaostrzona na krawędzi spływu w części podwodnej poza końcówką do której przykręcony będzie bulb

Prowadnica teflonowa

Śruby mocujące prowadnice

Widok na prowadnicę i miejsce wspawania policzków rolek. Płetwę cynkujemy po wspawaniu policzków. Osie rolek ze stali kwasoodpornej (AISI316) wspawujemy w oczyszczone z cynku w miejscu spawania otwory za pomocą elektrody ze stali 308. Spawy z zewnątrz szlifujemy i zabezpieczamy antykorozyjną farbą epoksydową zawierającą pył cynkowy.

Rolki służące do podnoszenia kila. Widać miejsce wspawania policzków rolek.

Wszystkie fotografie Piotr Czarniecki

 Setka A z podnoszonym kilem

Część 1 - wykonanie skrzyni kilowej.

Pierwszy egzemplarz podnoszonego kila do Setki A wykonał Piotr Czarniecki dla Atoma. Tego samego Atoma na którym startował w SpA 2016.

Skrzynię kilową wykonujemy z laminatu poliestrowo - szklanego na wewnętrznej formie jednorazowej.

Budowa formy z płyty grubosci 20mm

Nakładki na formie służą do uzyskania przetłoczeń pod teflonowe ślizgi.

Poszpachlowane krawędzie nakładek formujących

Płyta która pozwoli odformować kołnierz denny

Po pierwszym woskowaniu

Po piątym woskowaniu

Metalowe wzmocnienie przedniej krawędzi

Wzmocnienie gotowe do zalaminowania

Ten sam widok z większej odległosci

Nakładamy dwie warstwy żelkotu

Pierwsze warstwy laminatu, tu 4 x mata 300

Ścianki skrzyni są cienkie

Na razie nie laminujemy dalej

Rozcinamy skrzynię wzdłuż przedniej krawędzi i wyjmujemy formę wewnętrzną

Zlaminowujemy rozcięcie. Do gładkiego wnętrza skrzyni wstawiamy listwy sklejkowe o grubości 20 mm. Listwy zapobiegną odkształcaniu skrzyni podczas dalszego laminowania. Laminujemy następne warstwy do osiągnięcia gramatury zgodnej z projektem. Aby skrzynia nie odkształcała się w czasie laminowania należy jednorazowo nakładać nie więcej warstw niż łącznie 1000G/m2. Teraz należy zrobić kilkunastogodzinną przerwę, potem przeszlifować powierzchnię i nałożyć następne warstwy (np. 3 x M300) i tak do uzyskania przewidzianej gramatury zbrojenia. Nałożenie całej przewidzianej ilosci warstw w jednym procesie mogłoby spowodować wyraźne odkształcenia.

Wszystkie fotografie Piotr Czarniecki