Weerstand

Wrijvingsweerstand.

Dit is de kracht door wrijving van het water langs de romp.
Deze weerstand is afhankelijk van de grootte van het oppervlak, de ruwheid van het oppervlak, en de vorm van de grenslaag en natuurlijk de snelheid.
Door deze weerstand ontstaat de grenslaag. Het is dus eigenlijk de kracht welke nodig is om water vlak langs een oppervlakte mee te sleuren.

Het is vrij makkelijk voor te stellen hoe de wandruwheid hier invloed op heeft.
Hoe ruwer de wand hoe meer water wordt meegesleurd.

Ook de invloed van de grootte van het oppervlak is makkelijk te voorspellen: Hoe groter het oppervlak hoe groter de wrijvingsweerstand.

De vorm van de grenslaag is wat complexer. Globaal zijn er twee type grenslagen, de laminaire en de turbulente grenslaag.
Een laminaire grenslaag is een mooie, vloeiend verlopende grenslaag:
plaatje. Deze grenslaag geeft maar weinig wrijving. Hij is echter vrij makkelijk te verstoren zodat hij overgaat naar de turbulente stroming.

Een turbulente grenslaag is veel "woester". De snelheidsverdeling is niet zo geleidelijk en niet constant. De snelheidsverdeling is globaal veel anders. Vlak bij het oppervlakte is de snelheid heel laag, waarna er een vrij dik gebied is waarin de grenslaag bijna de omringende snelheid heeft.
De turbulente grenslaag heeft een grote weerstand in verhouding tot een laminaire grenslaag.
Een turbulente grenslaag heeft vergeleken met een laminaire grenslaag maar voor een heel klein gedeelte een lage snelheid, en voor een groot gedeelte een snelheid welke net iets langzamer gaat als het ongestoorde water.


Wat je typisch ziet is dat aan de voorkant van het schip de grenslaag laminair is, en verder naar achter omslaat in een turbulente grenslaag. Hoe ruwer je romp en hoe harder je vaart hoe eerder de grenslaag omslaat.

Dikte van de grenslaag is wel sterk overdreven voor deze lengte.
Als je een mooie schone romp hebt en het waait eigenlijk nauwelijks en het water is als een spiegel dan kan de grenslaag helemaal laminair zijn.
Ben je vet in planee met een aangegroeide romp en zijn er veel golven dan is de grenslaag bijna meteen turbulent.
Natuurlijk wordt de grenslaag naar achter ook steeds dikker, Je remt tenslotte steeds meer water af.

Bij een zeilboot kun je deze weerstand dus verminderen door een hele mooie vlakke en schone romp te kiezen, zo min mogelijk oppervlak in het water te hebben, en niet te stampen omdat dan de grenslaag omslaat van laminair naar turbulent (zeker niet bij weinig wind).

Er zijn ook nog wat andere trucjes om de wrijvingsweerstand/grenslaag te beïnvloeden, maar deze gaan wat ver voor bij een zeilboot in mijn ogen.
Dit zijn:
-Afzuigen van de grenslaag. Je boort een boel kleine gaatjes in het oppervlak, en daar zuig je aan. Dan zuig je de grenslaag weg, Als gevolg heb je dus bijna geen grenslaag en dus bijna geen wrijvingweerstand.
-Aanblazen van de grenslaag. Je boort een boel gaatjes in de richting schuin naar achter en laat daar het met hoge snelheid uitkomen. Je versnelt daarmee je grenslaag weer, met als gevolg bijna geen grenslaag, en dus bijna geen wrijvingsweerstand.
Deze worden redelijk vaak gecombineerd, als je iets afzuigt moet je het ook ergens laten en omgekeerd.
Het grote nadeel van deze twee technieken is dat kleine gaatjes/spleetjes kunnen verstoppen, en je dus uit praktische overwegingen met grotere spleten/gaten moet werken

-Bewegen van de wand. Laat je de wand meebewegen met de stroming dan is er geen snelheidsverschil en daarmee geen wrijving.

-Versnellen van de moleculen vlak bij de wand door statische elctriciteit gecombineerd met ionisatie/plasma. Zie voor meer informatie bijvoorbeeld: JLN lab

-Ter plaatse van je grenslaag iets laten stromen wat minder visceus is. Dit kan betekenen dat je een minimaal visceuze vloeistof aan de voorkant van je schip laat sijpelen, of bijvoorbeeld lucht perst onder je schip, of bijvoorbeeld de romp opwarmt. (warm water is minder visceus)

-De wervels in de grenslaag weer netjes in de lengterichting legt, met kleine langsgroefjes. De "haaie huid" bij de nieuwste zwempakken is hier een voorbeeld van. 3M heeft ook wel eens haaiefolie gemaakt voor wedstrijdroeiboten, wat direct daarna werd verboden door de roeibond.

Drukweerstand

Loopt de stroom mooi om het voorwerp heen dan is de weerstand laag.
Wordt de stroom beinvloed dan is de vormweerstand hoog.
Deze weerstand wordt ook wel vormweerstand genoemd.
Deze is afhankelijk van de vorm van de stroomlijnen.
Als je weet hoe de stroomlijn loopt weet je ook de drukweerstand.
Bekijk eens onderstaande tekening met de theorieën van hoe werkt een zeil in gedachte:
Je kunt op twee manieren zien dat de driehoek meer drukweerstand heeft als de cirkel: een manier is dat bij de driehoek de stroomlijnen na de driehoek anders liggen. er is dus iets verplaatst, en de kracht voor die verplaatsing is de druk weerstand.
Andere redenering is dat bij de driehoek kracht C, welke naar gedeeltelijk naar voren is gericht ontbreekt

De route van de stroomlijn is echter volgens de coanda theorie mede afhankelijk van de grenslaag. Zou de cirkel veel grenslaag hebben dan zou de stroomlijn er ook zo uit kunnen zien.

In de praktijk is gebleken dat een turbulente laag door zijn snelheidsverdeling waarbij maar weinig echt heel langzaan gaat, de stroming beter blijft aanliggen.
Voor de drukweerstand is een turbulente grenslaag daardoor beter als een laminaire grenslaag.
Vandaar dat bij top schaatsers strippen op de pakken worden geplakt om ervoor te zorgen dat de stroming turbulent wordt, en daardoor de schaatser een een lagere drukweerstand krijgt. Hetzelfde trucje verklaart de putjes van de golfbal.

Dit zijn leuke truuken, maar helaas niet toepasbaar op een scheepsromp, daar is de stroming na ca. een meter toch al turbulent. Strippen opplakken maakt de grenslaag dan alleen maar dikker, en dus een snellere loslating en dus de drukweerstand hoger. De romp moet dus gewoon zo gestroomlijnd mogelijk zijn.
Opvallend is dat bij veel schepen de drukweerstand lager is als ze achteruitvaren, of onder een grote helling lager is. Dit zie je ook vaak bij autos terug.
Meest gehoorde verklaring hiervoor is dat er voor een groot gedeelte op gevoel wordt ontworpen, en het gevoel zegt toch dat een driehoek met de punt naar voren minder druk opmaakt als andersom. Terwijl de werkelijkheid andersom zegt.
Ook bij druk weerstand geld net zoals bij een zeil dat de achterkant het belangrijkst is omdat daar onderdruk heerst en daar dus de hoogste snelheden zijn.

Golf makende weerstand.

Een schip maakt golven als zij vaart. In die golven zit energie. Die energie is de golfweerstand.
golf ontstaat door de scheepsronding, want die geeft een drukverschil, die zich nu behalve in een snelheids verandering ook uit in een niveau verschil.
Hoe sneller en hoe meer het water de bocht om moet, hoe hoger het nivoverschil.
Een hoge druk uit zich natuurlijk in een niveau verschil omhoog, zoals bij de boeg, waar het water door de boeg van de hartlijn van het schip wordt afgebogen, dus wordt weggedrukt. Dit noem ik nu even boeg berg.

Een lage druk uit zich natuurlijk in een nivo verschil omlaag, zoals op de grootste breedte van het schip, waar het water juist weer naar binnen wordt afgebogen, dus weer richting romp wordt getrokken.
Dit noem ik nu even schouderdal
bij de kont wordt het richting hartlijn stromende water weer naar buiten afgebogen, het wordt door het water wat van de andere kant komt weggedrukt, dus nivoverhoging bij de kont. Dit noem ik nu even achterberg


Nu heeft water de eigenschap dat een nivoverhoging graag geegaliseerd wil worden, vandaar dat je sluizen enzo nodig hebt en het water niet gewoon met een graafmachine kunt ophogen.
Het bergje valt dus als het ware naar beneden door de zwaartekracht, en schiet zelfs door als het het niveau van het omringende water heeft bereikt. De golftop wordt dus na een tijdje een golfdal, en even later weer een golftop

In dat tijdje heb je wel een stukje gevaren. Heb je in het tijdje dat je boegberg een boegdal werd een halve scheepslente gevaren, dan valt je boegdal dus samen met je schouderdal. Hierdoor heb je dus een dieper dal halverwege je schip. In diezelde tijd is je schouderdal een schouderberg geworden, en valt samen met je achterberg, waardoor je achterberg dus extra hoog wordt.
In deze situatie maak je dus heel veel golven, en heb je dus een heel hoge golfmakende weerstand.
Deze stuatie is bekend onder de naam rompsnelheid.
Je golfpatroon ziet er dan ongeveer zo uit:

((De rompsnelheid van een schip is in km/u als je lengte in meters invult ongeveer: 4,5*wortel(lengte). Een valk (6m) heeft dus een rompsnelheid van 11 km/u)).

Vaar je in de tijd dat je boegberg een boegdal en weer een boegberg werd een halve scheepslengte dan heft je boegberg juist je schouderdal op en maak je dus heel weinig golven, en heb je dus een lage golmakende weerstand.

Vaar je sneller dan de rompsnelheid, dan noemt men dat planeren.
Typisch zie je dan juist een kuil direct achter het schip ontstaan en maak je opeens veel minder golven. Je vaart als het ware op je boeggolf.
hierdoor kom je een stukje omhoog (in vergelijking met je rompsnelheid, waarbij je eigenlijk in je boegdal vaart).
Dit omhoogkomen is wat anders dan de kracht waarmee waterskiers niet zinken!
Het niet zinken van een waterskier komt omdat de achterkant van de skie lager zit als de voorkant, en daardoor het water naar beneden wordt afgebogen, en dus de reactiekracht op de skie omhoog is.
Dit "waterski-effect" moet je wel enigzins hebben bij een planerende boot, anders "zuigt" de boot zich verder naar beneden, zoals bijvoorbeeld bij sleepboten gebeurt, die wel vaak wel grote motoren hebben, maar een oplopende kont welke het water juist omhoog richt, en de boot dus naar beneden trekt.

Vandaar dat sommige sloepen "planeer vlakken" hebben (onder water bij de spiegel). Dit is om niet te veel naar beneden te worden gezogen, zodat ze dus wel kunnen planeren.


Een catamaran, kano, of wedstrijdroeiboot romp heeft heel weinig ronding in de lengterichting. Dit betekent dat de boegbergen,schouderdalen en hekbergen in vergelijking met een gewone romp erg klein zijn. De golfmakende weerstand is daardoor maar een klein gedeelte van de totale weerstand.
Hierdoor is de overgang tussen rompsnelheid en planeren lang niet zo duidelijk als bij een zwaardboot, en zul je deze mensen wat minder over planeren horen praten.

Bij sommige boten worden de rondingen in het water minder door haar scheef te hangen, wat kan resulteren in een lagere golfmakende weerstand. (en vorm en wrijvings weerstand).
Tegelijkertijd wordt dan het waterskie-effect minder door het mindere oppervlakte waardoor planeren wel kansloos is.
Vandaar dat een zwaardboot bij weinig wind vaak toch beter vaart onder een kleine hoek.
Bij een valk is dit volgens sommige een van de redenen dat hij onder helling hoger aan de wind kan varen.
Andere reden is dat de valk onder grote helling loefgieriger is, en dus om rechtdoor te blijven varen zo roer moet worden gegeven dat je met het roer het water afbuigt naar lij, en dus als het ware de boot naar loef duwt. Dit roergeven remt de boot weer af waardoor de schijnbare wind ook wat ruimer inkomt.
Ook wordt de romp assymetrisch waardoor deze misschien het water naar lij afbuigt, en de boot dus naar loef duwt, maar dat lijkt me sterk
Laatste mogelijke verklaring (die ik het best vindt) is dat de bolling van het zeil anders wordt gevolgd, doordat de wind als het ware vanuit de halshoek naar boven gaat, en dus minder bolling tegenkomt, waardoor het zeil vlakker lijkt voor de wind, en je dus hoger kan. Dit vlakkere zeil wordt nog eens extra vlak doordat bij grote hellingshoeken de twist van het grootzeil beduidend meer wordt doordat de gaffel onder die hoeken meer naar beneden valt. Vandaar dat juist bij gaffelgetuigde schepen zonder neerhouder dit effect dat ze hoger kunnen varen onder grotere hellingshoeken optreedt.

Weerstand door drift.

Vooral bij aan de wind varen is er een grote zijdelingse kracht en slechts een kleine voorwaartse kracht.
Daardoor wordt een zeilboot eigenlijk scheef door het water getrokken in plaats van rechtdoor.
Hierdoor ontstaat drift.

Heb je veel drift dan heb je ook een hoge weerstand door drift.
Dit is vergelijkbaar met de remmende werking van roergeven.

Als we inzoomen op de kiel:
De kracht op de kiel werkt (net zo als bij een zeil) loodrecht op de kiel. Bij drift is dit niet meer loodrecht op de vaarrichting.
Dat betekent dat de dwarskracht van de kiel een beetje tegen de vaarrichting komt in te staan.
Anders gezegd, om de boot dwars door het water te trekken heb je vrij veel kracht nodig


Wat je eigenlijk wil is dus zo min mogelijk drift.
Dat kan je bereiken door een grote, goed gevormde kiel te kiezen welke al bij een kleine drifthoek voldoende kracht geeft om de dwarskracht van je zeil op te vangen.
Hierbij geld net zoals bij een zeil dat een diepstekende in de lengterichting korte kiel dat het beste doet.
Kun je niet zo diep, dan moet je het in de lengte zoeken.
Een diepstekende kiel brengt echter het aangrijpingspunt van de dwarskracht lager, wat resulteerd in een groter hellend koppel.
dit wordt wel weer enigszins gecompenseerd door hel lagere zwaartepunt.
Meestal kun je echter niet makkelijk iets aan de kiel veranderen, Het enige wat je dant kunt doen is ervoor zorgen dat de kiel mooi glad is, zodat de stroming goed blijft aanliggen. Dit kan soms best veel schelen. Vergeet niet dat de krachten op je zeil ongeveer even groot zijn als op je kiel.
Overigens helpt je romp ook tegen verlijeren, principe van driftweerstand blijft echter hetzelfde.
De dwarskracht van je romp door het water is soms wel te beinvloedden.
Denk bijvoorbeeld eens aan een knikspant welke meer "knik" aan lij in het water duwt bij grote hoeken, of aan een catamaran met a-symmetrische rompen, etc

Terug naar index