Terug naar index

Werking van de Zeilen


De betere vleugeltheorie:

Een zeil werkt door de lucht naar achter te gooien,
en daarmee de boot naar voren te duwen

Dit gaat netzoals bij een vleugel:
Een vleugel buigt luchtstroom die erlangs stroomt naar beneden af. Als de vleugel de wind naar beneden duwt, duwt de vleugel zich juist omhoog. Anders gezegd, de afbuigende luchtstroom duwt de vleugel omhoog.

Twee voorbeelden van het principe van dat je om iets af te buigen een kracht nodig hebt:
  • Als je met een auto hard door een bocht rijdt, heb je een zijdelingse kracht nodig om door de bocht te komen, anders vlieg je uit de bocht. Die kracht wordt geleverd door de banden die ‘grip’ hebben op de weg.

  • Als een voetbal van richting wordt veranderd, bijvoorbeeld als je hem tegen een prullenbak laat stuiteren, dan zorgt de prullenbak voor een kracht op de bal.

  • Dus: als je iets wilt verplaatsen (de vleugel), of van richting veranderen (de auto of de bal) is daar een kracht voor nodig.
    Die ombuigingskracht wordt bij een vleugel de “liftkracht” genoemd, de kracht die het vliegtuig omhoog duwt.

    Een vleugel staat onder een kleine hoek, zoals fig 1. Dit betekent dat de luchtstroom onderlangs als het ware tegen de onderkant van de vleugel botst en naar beneden ketst.
    De luchtstroom aan de bovenkant van de vleugel wordt ook omgebogen. Dit komt omdat lucht van nature een (gekromd) oppervlak wil volgen door het coanda effect.


    fig 1: een vleugel buigt de lucht naar beneden af. Dit gebeurt zowel aan de onderkant van de vleugel als aan de bovenkant. die afgebogen lucht maakt een kuil in de wolk eronder

    Dat aan de onderkant van de vleugel de luchtstroom wordt afgebogen kunnen de meeste mensen zich wel voorstellen, immers de luchtstroom kan niet door de vleugel heen.
    Dat aan de bovenkant de luchtstroom wordt afgebogen, is wat moeilijker te begrijpen. Dit komt door het coanda effect:
    "Een luchtstroom wil een oppervlak blijven volgen, mits de bocht die de stroom maakt niet te klein is, of de grenslaag te dik"
    Hoe dit komt ga ik later op in, ik begin eerst met wat dit betekent.


    Waarom is die bolling van je zeil dan zo belangrijk? waarom niet gewoon een rechte plaat??.
    Dat omdat de stroming aan lij bij een vlakke plaat aan het begin heel scherp de hoek om moet.
    Dat kan de luchtstroom niet altijd, de lucht vliegt dan als het ware uit de bocht. Dan buig je de luchtstroom aan lij dus een stuk minder af en heb je dus minder voortstuwing.
    Wanneer de luchtstroom het zeil niet meer volgt aan lij wordt dit "overtrokken" genoemd.
    De bocht wordt een stuk minder scherp als je bolling neemt, waardoor je zeil minder snel overtrokken raakt.

    Fig. 2 Door bolling voorkom je een overtrokken zeil.

    Naast de scherpte van de bocht speelt ook een rol in hoeverre het oppervlakte aan lij komt vol te staan met stilstaande lucht.
    Dat heeft te maken met de grenslaag, het stukje lucht wat wordt afgeremd door het oppervlak van je zeilen.
    Hoe ruwer je zeilen hoe meer lucht wordt afgeremd en hoe meer lucht er in de weg zit tussen de bewegende lucht en het oppervlakte.
    Vandaar dus dat je nooit hoogpolige zeilen ziet.

    Fig. 3 Loslating door ruw oppervlak.



    Nogmaals, een zeil (en een vleugel) werkt dus door de lucht af te buigen.
    Deze afbuiging geeft een kracht, -de zeilkracht- Die haaks op het zeiloppervlak werkt.

    Fig. 4 zeilkracht is haaks op zeil.
    Dat de kracht haaks op het zeil staat is belangrijk om koppels en krachten goed te kunnen begrijpen en toe te passen.



    Nu in veel meer detail met de stoere temen erbij:

    Het Coanda effect uitgelegd:



    Fig. 5 coanda effect door het meesleuren van stilstaande lucht.

    In het rechterplaatje zie je de start situatie.
    Uit het gestippelde gebied wordt de lucht meegesleurd door wrijving tussen de snelle lucht en de stilstaande lucht. Wrijving van lucht onderling noemen we viscositeit.
    De gestippelde lucht gaat daar dus weg.
    Dat zou dus betekenen dat daar een grote onderdruk heerst
    De lucht uit de snelle stroom wil naar die onderdruk gaan, waardoor de stroming wordt omgebogen.

    Waarom laat de stroming dan toch wel eens los?
    Dit komt door wrijving van de lucht langs het oppervlak.
    De lucht vlakbij het gebogen oppervlak wordt door wrijving afgeremd. Wordt deze afgeremde lucht teveel dan komt het gestippelde gebied gewoon vol te staan met deze bijna stilstaande lucht en gaat de hoofdstroom net zo lief rechtdoor.
    Dit rechtdoor gaan of eigenlijk het niet meer volgen van de ronding noemen we "loslaten van de stroming" en bij een zeil of vleugel "overtrokken" Het luchtlaagje wat afgeremd wordt door de wrijving noemen we "grenslaag"
    Hoe verder je langs je profiel komt hoe meer grenslaag er is, omdat er meer lucht is afgeremd door de wrijving. Daaruit volgt dat aan het begin van je profiel een grotere bolling kunt hebben dan aan het eind van je profiel.
    Stroming blijft dus aanliggen door de wrijving lucht-lucht, en laat los door de wrijving wand-lucht.
    Enkele huis tuin en keuken proefjes om bovenstaande theorie aannemelijker te maken vind je hier

    Toepassen van deze theorie.

    Uitgangspunt van de theorie is dat als je zoveel mogelijk kracht naar voren wil hebben, je zoveel mogelijk lucht naar achter afbuigt.
    Als je zoiets als hierbeneden geschetst voor elkaar krijgt ben je dus goed bezig:

    Let wel dat je hier niet dit van maakt:

    Nu buig je de lucht gedeeltelijk af naar loef, en wordt je zeilkracht teveel naar lij gericht, en dus niet naar voren.

    Ook moet je opletten dat er niet dit gebeurt:

    In het voorste gedeelte van je zeil moet de lucht heel scherp de bocht om, Dit kan wel eens een te scherpe bocht zijn, zodat dat niet lukt. Dan laat de stroming los. Dit noemt men ook wel een overtrokken vleugel.
    Als je je zeil boller maakt voorin moet de lucht minder scherp de bocht om.



    Ook moet je natuurlijk niet je zeil te los hebben, dan valt de lucht in het voorlijk aan de verkeerde kant in. Dan gebruik je voorste gedeelte van je zeil niet. Dit noemt men ook wel killen.

    Uit dit bovenste verhaal kun je afleiden dat je met een vlakker zeil hoger kan varen, alhoewel je de lucht dan minder afbuigt en dus minder zeilkracht hebt.



    Zou je het zeil verder aantrekken dan buig je ook lucht af naar loef, als je hoger gaat varen begint het zeil te killen.

    Hierboven keken we alleen naar de bolling in langsrichting,
    Het zeil heeft echter ook een kleine bolling in de hoogterichting:
    Het zeil waait aan de bovenkant iets meer uit dan aan de onderkant.
    Dit noemt men twist:


    Een beetje twist is gunstig, aangezien hoe hoger je komt hoe harder de wind, en dus hoe ruimer de wind inkomt.

    Interessant is ook dat je met de combinatie twist en helling in de boot je zeil veel vlakker kunt krijgen, althans zo ziet de wind dat. Kijk maar eens in onderstaand plaatje. De blauwe lijn is de bolling zoals de wind erlangs gaat



    Bij het rechter bootje wordt de wind maar een klein beetje van richting veranderd.

    Zonder twist verandert de bolling zoals de wind die ziet nauwelijks. Zie de bootjes hieronder


    Aangezien je met een vlakker zeil hoger kunt varen volgt hieruit dat je met wat helling in de boot ook hoger kunt varen. (Maar helaas wat minder snel).

    Bij relatief ruwe zeilen kan het ook gebeuren dat de stroming gewoon loslaat doordat er teveel bolling is. De lucht moet dan halverwege je zeil te scherp de bocht om. Dit gebeurt typisch als je ruwe zeilen hebt, want dan krijg je meer grenslaag, en die stilstaande lucht zorgt ervoor dat de stroming eerst die stilstaande lucht moet meesleuren voordat het het profiel kan volgen.
    Dit is al beschreven in het Coanda verhaal

    Heel leuk dit verhaal, maar hoe kun je zien hoe de stroming om je zeil verloopt?
    Bijvoorbeeld met telltales. Meer hierover in trimmen


    Ik zou je aanraden om voordat je daaraan begint eerst koppels en krachten Door te lezen.

    De theorie van zoveel mogelijk lucht naar achter ombuigen heeft een instinker.
    Als je aan de wind vaart wijst je achterlijk recht naar achter,dan buig je dus zoveel mogelijk lucht af naar achter.
    Dit betekent natuurlijk niet dat op ruime wind, wanneer je achterlijk schuin naar achter wijst je minder snel gaat.
    Ook van belang is namelijk waarvandaan je de wind ombuigt:
    Als je ruime wind vaart is je zeilkracht bijna naar voren gericht, dus daar waar je naar toe wilt.
    Bij aan de wind is je zeilkracht voor een groot gedeelte naar lij gericht, wat ervoor zorgt dat je helling krijgt en gaat driften.
    Ruime wind (en ook halve wind) ga je daardoor aanzienlijk sneller als aan de wind, zeker als je dan meer bolling neemt en de wind meer afbuigt.

    Lucht aan lij gaat sneller dan aan loef.

    (voor ver gevorderden!!!, waarschijnlijk heb je er meer aan om eerst koppels en krachten door te lezen)

    Zoals hierboven uitgelegd geeft de ombuiging van lucht een kracht.
    Deze kracht wordt overgebracht aan het zeil doormiddel van druk. Aan lijzijde heerst dus een onderdruk en aan loef een overdruk.
    Lucht heeft de neiging om van hoge druk naar lage druk te stromen.
    Als het goed is gaat de lucht bij het zeil natuurlijk niet door het zeil heen.
    De lucht voor het zeil wordt echter niet belemmerd door een zeil, een gedeelte van de lucht wordt dus als het ware naar lij gezogen.
    Dit heeft als resultaat dat er dus meer lucht langs lij gaat.
    Vandaar dus dat de ombuiging aan lij zoveel belangrijker is, daar gaat namelijk de meeste lucht langs.
    Aan de reefknuttels kun je zien dat de lucht aan lij veel sneller gaat.

    Vele mensen zeggen dat de lucht daar sneller gaat omdat dat nou eenmaal zo is door de wet van Bernoulli.
    Daar hebben ze gelijk in, maar dat voegt niets toe aan het begrip van de stroming om een zeil.
    Meestal wordt de wet van Bernoulli ook nog eens totaal fout toegepast, mede omdat die wet niet zo simpel is.
    Daarom is mijn advies dan ook je verre van de wet van Bernoulli te houden.
    Wil je toch weten waarom ik dat zo zeg klik dan hier om meer over de wet van Bernoulli te weten.

    Tipwervels en leklucht.

    (voor de erg ver gevorderde theorievreters)

    Er lekt lucht van de hoge druk aan loef naar de lage druk aan lij onder de giek door. (en ook over de gaffel) Dit is een ombuiging de verkeerde kant op.



    De kracht van die weglekkende lucht is de verkeerde kant op. Het geeft minder voortstuwende kracht, en meer zijdelingse kracht.
    Om dit wat beter uit te leggen hieronder een plaatje van de kracht als gevolg van de weglekkende lucht.
    (De oranje pijlen zijn bijelkaar de rode pijl. Eigenlijk had ik of de oranje pijlen, of de rode pijl moeten tekenen, en niet allemaal tegelijk.)


    (in de vliegtuigbouw wordt de "toename in zijdelingse kracht" geïnduceerde weerstand genoemd, en de "verlies van voorstuwende kracht" verlies in liftkracht)
    Dus: hoe minder dit lekken onder je giek door hoe beter.
    Bij vliegtuigvleugels gebeurt dit zelfde effect om de uiteinden van de vleugels, de vleugel tips genoemd
    Vandaar dat dit effect van de lekkende lucht vaak "tipwervel" wordt genoemd.

    Wat heb je hieraan om te weten: Een hoog zeil met een korte giek (=hoge aspect ratio) het efficiëntst qua voortstuwing is, omdat deze relatief de minste "tips" en dus tipwervel heeft. Deze tipwervels zijn ook de reden dat bij wedstrijdschepen men graag de fok over het dek laat schuiven, dan gaat er daar geen lucht van loef naar lij, en heb je aan de onderkant van je zeil dus geen tipwervel.

    Van deze theorie komt de uitspraak "een gaffelgetuigd schip kan minder hoog aan de wind kan varen dan een torengetuigd schip" vandaan. De meeste gaffelgetuigde schepen hebben namelijk een lagere hoogte/lengte verhouding van de zeilen dan torengetuigde schepen.
    Helaas zijn er zat uitzonderingen, waardoor deze uitspraak vrij dom is.

    Ook interessant in relatie tot deze leklucht is dat deze de noodzaak geeft tot twist bij driehoekige zeilen:
    Als je een klein zakdoekzeiltje onder je giek zou hangen zou dat ruimer horen te staan doordat het eigenlijk in de leklucht staat.
    Hetzelfde gebeurd ook aan de bovenkant van je zeil, omdat de tophoek zo klein is staat hij eigenlijk in de leklucht en hoort wat verder uit te staan, en het verder uitstaan van je tophek wordt ookwel twist genoemd.

    Als je dus veel rand hebt (=een lage aspect ratio) lekt er dus veel lucht weg, en dat was niet je bedoeling waarschijnlijk.
    Meer over "leklucht" op WB sails
    Daar vind je plaatjes zoals:


    Terug naar index