Hvordan går supercharged raceryachter så hurtigt? En ingeniør forklarer

Sejlads blev tidligere betragtet som et temmelig beroliget tidsfordriv. Men i de sidste par år, verden af ​​yacht racing er blevet revolutioneret ved ankomsten af ​​hydrofoil-understøttede katamaraner, kendt som "folier". Disse fartøjer, mere beslægtet med højtydende fly end lystbåde, kombinere love for aerodynamik og hydrodynamik til at skabe fartøjer, der kan køre op til 50 knob, hvilket er langt hurtigere end vinden driver dem.

En F50 katamaran, der forberedte sig på Sail GP -serien, har for nylig selv brudt denne barriere, når en utrolig hastighed på 50,22 knob (57,8 mph) rent drevet af vinden. Dette blev opnået i en vind på kun 19,3 knob (22,2 mph). F50'erne er 15 meter lange, 8,8 meter brede hydrofoil katamaraner drevet af stive sejl og i stand til så forbløffende hastigheder, at Sail GP er blevet kaldt "Formula One of sailing". Hvordan kan disse lystbåde gå så hurtigt? Svaret ligger i nogle enkle væskedynamikker.

Når et fartøjs skrog bevæger sig gennem vandet, der er to primære fysiske mekanismer, der skaber træk og bremser fartøjet ned. For at bygge en hurtigere båd skal du finde måder at overvinde trækkraften på.

Den første mekanisme er friktion. Når vandet flyder forbi skroget, et mikroskopisk lag vand er effektivt fastgjort til skroget og trækkes sammen med yachten. Et andet lag vand fastgøres derefter til det første lag, og glidningen eller forskydningen mellem dem skaber friktion.

På ydersiden af ​​dette er et tredje lag, der glider over de indre lag og skaber mere friktion, og så videre. Sammen, disse lag er kendt som grænselaget - og det er forskydningen af ​​grænselagets molekyler mod hinanden, der skaber friktionsmotstand.

En yacht laver også bølger, når den skubber vandet rundt og under skroget fra stævnen (foran) til akterens (bagside) af båden. Bølgerne danner to markante mønstre omkring yachten (et i hver ende), kendt som Kelvin Wave -mønstre.

Disse bølger, der bevæger sig med samme hastighed som yachten, er meget energiske. Dette skaber træk på båden kendt som det bølgefremstillende træk, som er ansvarlig for omkring 90% af det samlede træk. Da yachten accelererer til hurtigere hastigheder (tæt på "skroghastigheden", forklaret senere), disse bølger bliver højere og længere.

Disse to effekter kombinerer til at producere et fænomen kendt som "skroghastighed", som er den hurtigste båden kan rejse-og i konventionelle enkeltskrogede lystbåde er den meget langsom. En enkeltskrog yacht af samme størrelse som F50 har en skroghastighed på omkring 12 mph.

Hydrofoil

Imidlertid, det er muligt at reducere både friktions- og bølgedannende træk og overvinde denne skroghastighedsgrænse ved at bygge en yacht med hydrofoils. Hydrofoiler er små, undervandsvinger. Disse fungerer på samme måde som en flyvinge, skabe en løftekraft, der virker mod tyngdekraften, løfte vores yacht opad, så skroget er frit for vandet.

Mens et flys vinger er meget store, den høje densitet af vand i forhold til luft betyder, at vi kun har brug for meget små hydrofoiler til at producere meget af den vigtige løftekraft. En hydrofoil på størrelse med tre A3 -ark papir, når du bevæger dig med kun 10 km / t, kan producere nok lift til at hente en stor person.

Dette reducerer overfladearealet og mængden af ​​båden, der er under vand, betydeligt som skærer friktionsmotstanden og det bølgedannende træk, henholdsvis. Den kombinerede effekt er en reduktion i det samlede træk til en brøkdel af dens oprindelige mængde, så yachten er i stand til at sejle meget hurtigere end den kunne uden hydrofoil.

Den anden innovation, der hjælper med at øge hastigheden på raceryachter, er brugen af ​​stive sejl. Den tilgængelige kraft fra traditionelle sejl til at drive båden frem er relativt lille, begrænset af, at sejlets styrker skal virke i ligevægt med en række andre kræfter, og at stofsejl ikke giver en ideel form til at skabe kraft. Stive sejl, som i design meget ligner en flyvinge, danne en meget mere effektiv form end traditionelle sejl, effektivt giver yachten en større motor og mere effekt.

Da yachten accelererer fra disse sejls drivkraft, den oplever det, der er kendt som "tilsyneladende vind". Forestil dig en helt rolig dag, uden vind. Når du går, du oplever en brise i dit ansigt med samme hastighed, som du går. Hvis der også blæste en vind, du ville føle en blanding af den virkelige (eller "sande" vind) og den brise, du har genereret.

De to danner tilsammen den tilsyneladende vind, som kan være hurtigere end den sande vind. Hvis der er tilstrækkelig sand vind kombineret med denne tilsyneladende vind, så kan der genereres betydelig kraft og kraft fra sejlet til at drive yachten, så den let kan sejle hurtigere end selve vindhastigheden.

Den kombinerede effekt af at reducere træk og øge drivkraften resulterer i en yacht, der er langt hurtigere end for nogle få år siden. Men alt dette ville ikke være muligt uden et yderligere forskud:materialer. For at kunne "flyve", yachten skal have en lav masse, og selve hydrofoil skal være meget stærk. For at opnå den nødvendige masse, styrke og stivhed ved hjælp af traditionelle bådbygningsmaterialer som træ eller aluminium ville være meget vanskelig.

Det er her moderne avancerede kompositmaterialer såsom kulfiber kommer ind. Produktionsteknikker, der optimerer vægten, stivhed og styrke tillader produktion af strukturer, der er stærke og lette nok til at producere utrolige lystbåde som F50.

De ingeniører, der designer disse højtydende både (kendt som søarkitekter), søger altid at bruge nye materialer og videnskab for at få et optimalt design. I teorien, the F50 should be able to go even faster.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Read the original article.