Sejlbådes hastighed

[harbst]

Tænk på forsøget med pladen i vindtunnelen,som Morten så udmærket beskrev.
pladen (sejlet) påvirkes af en kraft, som på kompliseret måde hænger sammen med pladens stillign i forhold til vindens retning.
Kraften er ikke bare i vindens retning. En del af kraften kan forklares ved at luften skubbed til siden og pladen får en reaktionskraft modsat den retning luften skubbes til.
Men det er ikke den fulde forklaring.

Den samlede kraft på sejlet kan så deles i en i bådens sejlretning og en på tværs.
Den på tværs klarer man ved vandets modsatte kraft på skrog,køl og ror. Den på langs giver bådens evne til at sejlle frem mod vandets modstand. bådens hastighed bliver næppe hurtigere end vindens dirrigeren bagud af sejlet. Men det kan godt blive med større fart (nummerisk hastighed) end vindens fart

[B Mønnike]

Kære Harbst

Tag nu og læs det link fra NASA jeg henviste dig til. Det er ikke så kompliceret som du vil gøre det til.

Det man skal interessere sig for ved et sejl er fuldt ud det samme, som man skal interessere sig for ved en vinge....indfaldsvinklen. 

For en vinge og et sejl gælder der, at jo større indfaldsvinkel jo større opdrift, men bliver indfaldsvinklen for stor, staller båder sejl og vinge.

Normalt befinder angrebspunktet for opdriften sig mellem 25 og 30 % fra forkanten, men bevæger sig frem mod mod forkanten ved forøgelsen af indfaldsvinklen, indtil stall, hvor angrebspunktet bevæger sig pludseligt bagud, med opdriftstab som følge.

Skibsudtryk.

Læns .....medvind
Agten på tværs .....vind skråt bag fra
Halvvind....sidevind
bidevind......skråt forfra


Hvis man forestiller sig opdriften som en vektor, der virker vinkelret på vindens retning, vil man se at, at den mest optimale vindretning normalt er halvvind.

Det kræver, at man opløser opdriftsvektoren i en fremad rettet komposant, der trækker skibet  og en komposant på tværs der krænger skibet. Uheldigvis er de komposanter som opdriften deles i ,ikke lige
store den trækkende er størst ved langsom sejlads og mindst ved hurtig sejlads, hvor den tværgående vektor er størst og krænger skibet.

( det problem har vindmøller også da den kraft der trækker møllen rundt  er meget mindre end den der belaster tårnet bagud).

[Rasmus Møller]

Et andet godt link, synes jeg:

http://www.physclips.unsw.edu.au/jw/sailing.html

ellers prøv at se det sådan her: med mindre man sejler præcis i vindens retning, kan vind-vektoren opløses i en komposant i sejlretningen og en komposant vinkelret på sejlretningen. Den sidste er konstant og kan give fremdrift hvis du kan afbøje den bagud. Du vil derfor accelerere indtil fremdriften er lige så stor som modstanden (drag). Både vand og vind giver drag, som vokser ulineært med hastigheden. Men med tilstrækkelig stort L/D (Lift to drag) koefficient kan man sejle op til to-tre gange (hvile)vindhastigheden.

F.eks. kan man starte med en (hvile)vind 30 grader agten for tværs. Man holder kursen og accelererer indtil den tilsyneladende vind er flyttet 120 grader, så den kommer 30 grader forfra. Det sker ved en bådhastighed i forhold til vandet på sqrt(3) = 1.73 gange vindhastigheden.

I praksis kan den slags tricks bedst lade sig gøre for både, som løfter sig op på hydrofoils for at mindske drag, såsom Moths og WindRider Rave og Hobie Trifoiler.

Isbåde og både på hjul har næsten kun aerodynamisk drag og kan derfor opnå 8-10 gange vindhastigheden ved let vind.

http://yoavraz.googlepages.com/sailingboatspeedvs.windspeed
http://www.nalsa.org/Articles/Cetus/Iceboat%20Sailing%20Performance-Cetus.pdf

[PeterK]

Hvis der nu også er vandstrømme, må det vel også påvirke hastigheden (det kender jeg i hvert fald fra min egen båd)

[Morten Jødal]

Det er oplagt!

I den hidtidige tråd har vi mest diskuteret klassisk hydrodynamik - som i princippet er ens for luft og vand, blot med forskellige konstanter i formlerne.
Dette skyldes måske bl.a., at et par af debattørerne ved mere om flyvning end om sejlads.

Men skal vi tale både og sejlads, er der nogle afgørende forskelle:
1. Fremdriften og modstanden foregår i to forskellige faser (hhv. luft og vand).
2. Overfladebølgerne på grænsefladen betyder meget for vandmodstanden.
3. Farten er næsten altid højere end bølgernes udbredelseshastighed, så man konstant sejler i en chokbølge (svarende til "overlydshastighed" i et fly).
4. Den høje viskositet af vandet betyder, at dette mediums egenbevægelser har meget betydelig indflydelse på bådens bevægelse (din observation).

Men det oprindelige spørgsmål gik på, hvorfor det er muligt at sejle hurtigere end vindhastigheden - og svarene handlede derfor meget om kræfterne på sejlene.

[harbst]

Jeg forstår ikke hvad du mener Rasmus . Specielt når du taler om komposanten på tværs, som kan bøjes bagud.

Så er den da ikke på tværs !!
Komplet uforståeligt .

[B Mønnike]

Enig harbst

Jeg forstod det heller ikke før end jeg så det demonstreret i en sejlbåd.

Men siden har det ikke voldt besvær.

For det samme gælder faktisk også for fly der ønsker at nå et bestemt mål.

De må holde en kurs der ville føre dem til et helt andet sted i det tilfælde der var vindstille

[Rasmus Møller]

Jeg beklager mit mudrede sprog - vektorer er nemmere med en tavle. Men det er ikke komplicerede vektorer.

Forestil jer som tankeeksperiment en togvogn på uendelig lange skinner. For eksemplets skyld er hjulene friktionsløse. På togvognen er der placeret en lodret vinge. Vognen kan for eksemplets skyld ikke vælte.

Vinkelret på skinnerne blæser en vind med hastigheden V.

Vingens plan er til at begynde også med vinkelret på skinnerne, og vognen er i hvile (sejlet er helt slækket - som en fane).

Hvis vi nu drejer vingen om sin egen akse ("hiver ind i storsejlsskødet), så vingeplanet har indfaldsvinklen 45 grader i forhold til vinden, så vil vingen virke som et sejl, der skubber vinden i den ene retning og dermed togvognen i den modsatte retning.

Når togvognen netop har nået vindhastigheden V, er der ikke længere nogen fremdrift fra vinge/sejlet da vindens indfaldsvinkel på vinge/sejlet nu er 0 grader på grund af fartvindens vektor (som lægges til vindvektoren). Nu er der ligevægt, og vi kører (sejler) lige så hurtigt som vinden.

Havde vi valgt en indfaldsvinkel <45 grader (hevet knap så meget ind i sejlet) opnår vi ligevægt ved en vognhastighed < V. Havde vi valgt en indfaldsvinkel > 45 grader (hevet endnu mere ind i sejlet) opnår vi ligevægt  ved en vognhastighed > V.

Ligevægtshastigheden for togvognen ved dette tankeeksperiment vil være V*tan(alfa) hvor alfa er vinge/sejlets indfaldsvinkel i hvile. Hvis vinklen går mod 90 grader, går ligevægthastigheden mod uendelig.

En rigtig sejlbåd er meget mindre ideel, idet kølen har mindre godt fat i vandet end den ideelle togvogn har i sine skinner. Desuden er der mange slags vind- og vandmodstand, som vokser kraftigt med hastigheden i 2., 3. og 4. potens.

Men det hele kan koges sammen til en koefficient L/D (lift over drag) ligesom for flyvinger. Et svævefly med L/D på 10 flyver 10 gange hurtigere fremad end den synker. Tilsvarende sejler en båd med L/D større end 1 hurtigere end (side)vinden.

[eigilw]

Det er efterhånden en gammel tråd, og mit spørgsmål er lidt udenfor, men alligevel: Hvordan kan det lade sig gøre at man kan krydse med en kitesurfer? Og er der nogen der kender makshastigheder for surfere og kitesurfere?

[B Mønnike]

Eigil

Tag dig ikke af at Rasmus sludrer. Han laver en fin beskrivelse men forstå den tilsyneladende ikke selv. Han glemmer at tage højde for den komposant der kaldes togets fart de efter hånden får vinden "til at se ud som" at den kommer mere og mere forfra jo hurtigere toget kommer til at køre.

Tegn en pil vinkelret på skinnerne  der lige så mange millimetre som vindens hastighed er og tegn en pil fremad i skinnernes retningmed samme målestok, men dobbelt så lang. Fra den sidste pils spids tegnes en pil der ligesom vindpilen er vinkelret på skinnerne men peger modsat vinden....hvis man fra denne sidste pilespids tegner en pil tilbage til fartpilens begyndelse så får man den retning vinden opleves af sejlet og den meget større hastighed den opleves med. 
Princippet er det man kalder kræfternes parallellogram


http://pub.uvm.dk/2006/eudnaturfag/pdf/eksp_eks7.pdf

[eigilw]

Bjarke.
Tak for svaret, men jeg var mere interesseret i, hvordan kraften bliver overført til kølen på en kitesurfer, for at den kan krydse. der er jo ingen mast som på en almindelig sejlbåd og surfbræt. Og nogle absolutte tal for mulige hastigheder af forskellige typer vinddrevne fartøjer

[B Mønnike]

For at forstå svaret skal du tænke rummeligt.

En drage til kitesurfing er styrbar og den flyves således at dens indfalds vinkler dels holder den flyvende og dels at den præsterer et træk i styresnorene .

Hvis man satte dragen op med vinden i ryggen og så lod den trække surfbrædtet afsted i vindens retning så ville man kunne op max vindens hastighed. Men kun et øjeblik for dragen ville når man opnåede vindens hastighed opfatte situationen som vindstille og derfor lande.

Så derfor sætter man sin drage op og sejler så meget på tværs/skå af vinden at der både bliver fremdrift på brædtet og opdrift på dragen.
Dragen styres selvfølgeligt i den retning man ønsker at sejle.

Et Kite bord anvendes lige som et snowbord. Det kantes og  man hælder sig bagud for at modvirke og udbalancere trækket fra dragen.

Jo mere lige på tværs af vinden jo mere træk og tilbagelæning skal der til, men jo større fart kan man også opnå. Ja man kan sågar krydse op mod vinden ved at zig zagge altså krydse som skibene gør det

[Kobbernagel]

Det er efterhånden en gammel tråd, og mit spørgsmål er lidt udenfor, men alligevel: Hvordan kan det lade sig gøre at man kan krydse med en kitesurfer? Og er der nogen der kender makshastigheder for surfere og kitesurfere?

Den stående fartrekort for windsurfere er 50,57 knob, målt som gennemsnitshastighed over 500m.

Se evt. mere på: http://www.speedworldcup.com/outright-world-records.html

Jakob Kobbernagel