Hvordan virker seilene by Peter Leidersdorff

Hvordan virker seilet?

Hvordan virker et seil egentlig? Alle kan forstå at et seil skaper framdrift når vinden blåser bakfra inn i seilet. Så skyver vinden kort og godt seilet – og dermed båten - foran seg. Men et seil skaper også framdrift når vinden kommer på tvers av båtens fartsretning - og til og med skrått forfra! Man kan ikke seile direkte mot vinden, men som vi så i forrige kapittel, kan man seile effektivt med en vinkel på 30-45 grader mot vindretningen. Umiddelbart skulle man jo tro at vinden ville skyve båten bakover, når seilet er trukket nesten inn til midten av båten, og vinden kommer mer forfra enn bakfra. Men det motsatte skjer; båten seiler framover. Hvordan kan det egentlig skje? Ikke helt nødvendig kunnskap

Hvis du ikke allerede har kjennskap til ord som «laminær luftstrøm», eller ”lift” og ”drag”, så vil du helt sikkert ha et helt annet forhold til seil etter å ha lest dette kapittelet. Stoffet her er litt teoretisk og streng talt ikke nødvendig å forstå for å seile. Men samtidig er det både sentralt og egentlig temmelig fasinerende.

Her får du vite hvorfor en seilbåt kan seile. Det er nemlig litt mer komplisert enn at vinden bare skyver løs på seilene. Det handler om en kraft som virker nesten magisk – den kan også få fly til å lette.

1.3

”Lift” og ”drag”

En flyvinge trykker luft ned. Når luften blir trykket ned, blir vingen trykket opp. Med andre ord løftes vingen opp av den samme kraften som trykker luften ned. Både flyvinger og seil tvinger altså luften til å skifte retning - og det er nettopp det som får begge deler til å virke. Det er faktisk både undersiden av en vinge (svarende til losiden av et seil) og oversiden av en vinge (svarende til lesiden av et seil) som sammen skaper denne kraften. Den har et temmelig logisk, engelsk navn, som brukes i seilteori over hele verden: ”Lift”. ”Drag” er det like logiske, internasjonale navnet på den motstanden som en vingeprofil, hva enten det er en flyvinge eller et seil, skaper på sin vei gjennom luften. Hvis en seilbåt skal flytte seg framover, må komponenten ”lift” trekke forover, også etter at komponenten ”drag” er medregnet. På en seilbåt er seil og rigg designet og bygget til å gjøre nettopp den jobben – vel og merke i samarbeid med kjøl og ror, som sørger for en viktig del av jobben under vann. Men seilerne ombord må trimme og justere, og dermed styre hvor mye lift og hvor lite drag riggen samlet sett produserer (og dermed hvor effektivt båten seiler).

Luftstrømmen avbøyes - og blir til en motor

Vind

”Laminær luftstrøm” heter det, når vinden følger med langs hele seilets profil uten å skape turbulens eller ”skille lag” med seilduken. Hvis et seil skal virke effektivt, trengs det laminær luftstrøm – på begge sider.

I generasjoner har seilinstruktører hevdet at seil virker fordi vinden har lenger vei å bevege seg på lesiden av seilet enn på losiden. Dette skulle ifølge den tradisjonelle teorien skape et undertrykk i le, og et overtrykk i lo. Forskjellen mellom disse to tilstandene skulle etter sigende være det som skaper framdriften. Men denne teorien er ikke helt riktig. Hvis det skulle stemme, måtte de to luftstrømmene som deler seg rundt masten og seilet ankomme ”samtidig” til akterliket, som om det var snakk om to ”pakker” med luft som sendes hver sin vei rundt seilet og møtes etterpå – nettopp på samme tid. Det er ikke det som skjer – kraften i seilet kommer et annet sted fra. At forklaringsmodellen nå er en litt annen enn tidligere, har imidlertid ingen direkte, praktiske konsekvenser for hvordan man seiler. Men la oss grave litt mer i hvordan et seil egentlig virker:

kel, er det ikke lenger like lang vei rundt profilen på begge sider. Luftstrømmen deler seg i et punkt foran på profilen, som ikke ligger midt på, dvs. i profilets “symmetriakse”. Så snart denne forskyvningen skjer, skapes ”lift”, altså det løftet, eller den kraften som får både flyvinger og seil til å virke. At veien rundt profilen er lenger den ene veien enn den andre veien, er imidlertid ikke det sentrale; det sentrale er at luftstrømmen avbøyes.

Symmetriske profiler virker også

Trykk i skjøtene må til

Den ”laminære luftstrøm” som beveger seg langs begge sider av et seil, og som følger overflaten hele veien, er ganske visst en forutsetning for å skape en effektiv kraft i et seil. Det er også riktig at det oppstår en trykkforskjell mellom lo og le, når et seil eller en flyvinge er i funksjon.

Alle som har prøvd å seile vet at det ikke er noe framover-rettet kraft i et seil før man trekker i skjøtet. Det er først da, når det er trykk i skjøtet (og seilet avbøyer luftstrømmen), at seilet får båten til å flytte seg framover. For å avbøye vinden kreves altså en kraft – og det er den vi merker når vi trekker i skjøtet.

Men selve framdriften, seilets kraft, skapes kort og godt av at luftstrømmen avbøyes fra sin normale retning.

Stikker du hånden ut av et åpent bilvindu mens bilen kjører, og retter hånden på skrå mot vinden, vil hånden bli presset opp, uansett om du krummer den ene eller den andre veien, eller om du holder den helt strakt. Du skaper altså lift alene ved å skape en vinkel mot luftstrømmen og dermed avbøye luftstrømmen, uansett hvilken profil du presenterer for vinden.

Vingeprofiler til fly, som ofte er den modellen man henviser til i seilteori, er faktisk ofte symmetriske. Men så snart luftstrømmen har en viss angrepsvin-

For at det skal fungere, kreves det egentlig bare at to forutsetninger er til stede: At profilen har en viss vinkel mot luftstrømmen, og at luften er i stand til å følge overflaten på begge sider. Mye av det samme skjer egentlig under vann, og det er årsaken til at tverrsnittet av en kjøl eller et ror ligner et tverrsnittet av et seil eller en flyvinge.

Hvorfor går en seilbåt framover, når vinden prøver å blåse den bakover? Svaret handler om en luftstrøm som blir tvunget til å bøye seg.

Vind

Sånn leser du vektordiagrammet

Vektordiagrammet her viser hvordan lift og drag samlet sett påvirker båten når den seiler henholdsvis kryss, slør og lens. Båtens fart er vist med den tykke, sorte pilen, og lengden av pilen angir farten. Farten avhenger av den ”resulterende kraft” - summen av lift og drag. Resulterende kraft er vist med den mørkerøde pilen. De to røde pilene er hhv. drag (t.v.) og lift (t.h.). Både lift og drag skifter retning og styrke, avhengig av om man seiler kryss, slør eller lens. Den resulterende kraften er derfor også forskjellig, både i retning og styrke. Lift kan forbedres

Men det er likevel ikke helt likegyldig hvordan du holder hånden. Prinsipielt kunne man seile ved å stikke en planke opp i luften og vinkle den mot vinden. Effekten ville være der, men den ville være veldig liten, og ikke tilstrekkelig til å krysse. Og her kommer vi til årsaken til at seilmakere bruker så mye energi på å designe helt bestemte profiler. For noen er nemlig langt mer effektive enn andre. Og skal man seile på skrå mot vinden, altså skape en kraft som kan flytte en båt framover gjennom vannet, selv når vinden kommer skrått forfra og dermed produserer motstand (drag) som prøver å blåse den bakover – ja, så krever det at man virkelig optimerer denne enkle, løftende kraften fra avbøyningen. Og ikke minst at man retter den riktig vei.

Kryss: • Drag trekker båten mest bakover. Lift trekker båten mer sideveis enn forover. Den resulterende kraften er stor, men ikke vinklet særlig godt framover. Framdriften er begrenset og sårbar – det skal ikke mye til før det ikke virker. Effektiv seiling på kryss stiller derfor store krav til rigg og seil – og til besetningen. Vind

Mindre “drag” på slør og lens

På slør er det ikke så kritisk hvis seilprofilen ikke er helt optimal, ettersom motstanden (”drag”) ikke er rettet bakover, men bare sidelengs mot le. Slør er i det hele tatt den mest effektive kursen for en seilbåt, fordi de samlede, resulterende kreftene fra lift og drag er rettet i en gunstigere retning. I tillegg kan seilene stadig fastholde en laminær luftstrøm – altså en luftstrøm som kan følge overflaten på begge sider av seilet. Lens er faktisk ikke så effektivt, selv om vinden kommer bakfra. Seilenes laminære luftstrøm blir mer eller mindre brutt på lens, fordi vinden ikke kan følge med rundt lesiden av seilet. Det oppstår lett også turbulens på lo side. Seilets angrepsvinkel mot vinden er ganske enkelt for stor. Derfor er lens, rent teoretisk, faktisk den minst effektive måten å seile på. Det går allikevel ganske bra, fordi «drag», som ellers fungerer som motstand og senker båtens fart og effektivitet, nå bidrar til å trekke båten forover. Dessuten er det vanlig å bruke store, dype seil (spinnakere eller gennakere) for å øke seilarealet og kreftene i riggen på nettopp lens.

Slør: • Drag er nå vinklet mer sideveis enn bakover, og lift er vinklet mer forover. Den resulterende kraften er er både stor og vinklet godt framover. Seilene har stadig laminær luftstrøm. Slør er den raskeste og mest effektive kursen for en seilbåt.

Vind

Å lure vinden

Men hvorfor ser et seil ut som det gjør? Hvorfor er det så viktig at inngangen, eller forliket krummer på en helt bestemt måte? Hvorfor er dybden så stor eller liten som den er, og fordelt over en helt bestemt kurve, gjerne med det dypeste punktet omtrent 40 % fra forliket? Hvorfor skal akterliket ha en helt bestemt spenning og tvist? Dette finnes det hyllemeter med litteratur om, men her er en ultrakort versjon: 20

Lens: • Drag er plutselig ikke lenger en motstand, men noe som bidrar til farten. Lift har en effektiv vinkel, men kraften er liten. Det skyldes at vinden er svakere når man seiler med vinden (mer om dette på side 23). Det skyldes også at seilenes laminære luftstrøm er delvis brutt i le side. Lens er lite effektivt, men fordi drag nå bidrar positivt, og seilene ofte er større, går det ganske fint likevel.

Hemmeligheten er i le

Vind

Luftstrømmen følger på begge sider - og der skabes meget kraft i le side.

Stalling

At der er mulig, skyldes en fysisk lov. En luftstrøm (eller vannstrøm for den saks skyld) har en tendens til å følge en profilert kurve, og dermed avbøyes – inntil en viss grense. Den vitenskapelige betegnelse for dette er ”Coanda-effekten”, og er du hektet på teori og vil vite mer, kan du søke videre selv. Men et sentralt poeng er at hvis angrepsvinkelen blir for stor, eller hvis profilen ikke er riktig utformet, slipper luftstrømmen taket. Og når det skjer, forsvinner plutselig veldig mye av den samlede fremadrettede kraften som seilet produserer.

Vind

Den faglige, internasjonale betegnelsen for dette, er “stalling” – man sier at seilet ”staller”. Det kan også skje med flyvinger, men det er litt verre; hvis vingene på et fly staller, faller flyet nemlig ned. «Stalling» er navnet på det som skjer når vindens angrepsvinkel på seilet blir så stor at luftstrømmen på le side blir turbulent og skiller lag med seilet.

Optimal profil – tilpasset forholdene

Jobben går altså ut på å skape en profil i seilet som tåler en maksimal vinkel til vinden - og dermed en maksimal avbøyning/kraft - uten at luftstrømmen ”staller”, altså slipper taket i le side. Seildesignere, riggere og seilmakere prøver å bygge noe som er så optimalt som mulig fra starten – men som seiler kan du hele tiden trimme og justere seilene til de aktuelle forholdene, og dermed utnytte den jobben de har gjort best mulig. Som du sikkert skjønner, er skjøtene det viktigste verktøyet – deres viktigste oppgave er jo nettopp å regulere hvilken vinkel seilene har til vinden, og dermed hvilken avbøyning luftstrømmen får. Men det finnes også mange andre måter å påvirke seilets profil på – det ser du i neste kapittel om seiltrim.

Det er lett å se hvordan luftstrømmen i lo trykker på seilet og avbøyer vinden. Den blokkerer ganske enkelt vinden i en viss, skrå vinkel, og tvinger den til å skifte retning. Det gjør den ganske bra uansett hvilken profil det er snakk om. Men en kurve som den vi ser i et vanlig seil er særlig velegnet, fordi den bidrar til å skape et jevnt flow (strøm) uten turbulens. Den mottar luftstrømmen foran og avbøyer den gradvist gjennom seilets bredde, før den slipper luften løs igjen i en ny retning som skaper mye lift, men lite turbulens og motstand. Dette er ikke så vanskelig å se for seg. Mer komplisert blir det når vi ser på det som skjer i le. Og det er her mye av hemmeligheten egentlig gjemmer seg. Le side av seilet avbøyer nemlig også vinden, selv om luftstrømmen ikke er fysisk blokkert – hvis profilen er designet riktig. Faktisk kan lift-effekten her bli enda større enn på lo side. For å skape en virkelig effektiv, samlet lift i en vingeprofil, må man altså ”lure” vinden til å følge med rundt lesiden av seilet også. Lang tids forskning og utvikling har gjort det mulig å definere en rekke optimale profiler til nettopp dette formålet.

Mye forskning og utvikling ligger bak denne profilen. Men den må tilpasses, eller trimmes til forholdene for at det skal virke optimalt. 21

Samspill over og under vann

Det er forøvrig ikke bare seilene som hjelper båten til å seile. Kjølen og roret under vann - sammen med skrogfasongen – er faktisk også helt nødvendige hvis en seilbåt skal seile framover. En helt flatbunnet båt kan ikke seile - så snart man ville forsøke å etablere en laminær luftstrøm og produsere lift med seilene, ville en sånn båt begynne å rotere rundt og drive sideveis. Kreftene i riggen ville dessuten velte båten, med mindre den fikk tilført stabilitet. Seilbåter kan få denne stabiliteten på tre måter: Enten i form av en ballastkjøl (kjølbåt), mannskapsvekt til lo (jolle) eller flere skrog (katamaran/trimaran).

Fram, ikke til siden

Ror og kjøl – og til en viss grad også undervannsskroget, selv om det kan utformes veldig forskjellig – har profiler som er vanskelige å bevege sideveis gjennom vannet. Derimot lar de seg veldig lett flytte forover. Det er ikke noen tilfeldighet. Både roret og kjølen har faktisk tverrsnitt som er utformet noenlunde som seil eller flyvinger, og de forsøker på samme måte å maksimere lift og minimere drag. Man kan si at en seilbåt også har en slags “rigg” under vann, som skal balansere og stabilisere den egentlige riggen over vann. Men selv med et moderne undervanns-skrog og godt designede profiler til kjøl og ror, er det alltid litt avdrift i en seilbåt. Den mister altså litt distanse til le.

• Kjølen klarer bare nesten å oppveie kreftene sideveis – derfor vil det være en viss avdrift. Avdriften gir en viss angrepsvinkel på vannstrømmen, bortsett fra når båten seiler lens. Det skaper lift, på samme måte som i riggen. En godt designet kjølprofil vil altså gi mindre avdrift. Vind

• Kjølens profil motvirker den delen av seilets krefter som virker på tvers. Den resulterende kraft sørger for at båten beveger seg framover i stedet for sidelengs. Farten betyr også noe

Vind

På fly skaper farten den nødvendige luftstrømmen – det skal motorer til, som flytter flyet framover. Dermed behøver det ikke å blåse for at fly skal lette, de flyr på sin egen fartsvind. Seilbåter klarer seg med den luftstrømmen som vinden leverer. Men faktisk bidrar farten på en seilbåt også til luftstrømmen over seilene. Selv om det går temmelig mye saktere enn et fly, og selv om effekten er langt mindre, så har fartsvinden en merkbar betydning, særlig for raske seilbåter. Det skal vi se nærmere på nå.

• Vinden driver båten fram – men båtens fart påvirker vinden. 22

Relativ vind:

Hvorfor er det mulig å seile fortere enn vinden?

La oss starte med et barndomsminne de fleste kan fremkalle: Å sykle avgårde en tidlig vårdag, og kjenne den kjølige vinden mot ansiktet. Når en seilbåt er i fart, skaper den på samme måte sin egen vind, som i sakens natur alltid kommer forfra. Seilene møter altså ikke bare den vinden vi merker når

vi står stille. Den vinden som blåser i seilene er også påvirket av den vinden som blir skapt av båtens fart. Det betyr noe både for styrken og retningen til den luftstrømmen som seilene har å jobbe med. Logisk nok er det sånn at jo fortere det går, jo mer betydning får fartsvinden.

Den vinden seilene har som “brennstoff” kaller vi relativ vind. Den består av to komponenter; sann vind og fartsvind. Relativ vind har en litt annen retning og styrke enn den vinden som blåser når du står stille på brygga. Det betyr noe når du seiler – men hva?

Sann Vind

Tre slags vind

Relativ Vind

Som vi så på de foregående sidene, så virker seilet i kraft av en laminær luftstrøm som avbøyes. På en seilbåt i fart har den luftstrømmen to kilder – sann vind og fartsvind - som sammen gir et samlet resultat relativ vind. Man kan si at det finnes tre slags vind. Og det er den “tredje” luftstrømmen, den relative vinden, som seilene hele tiden møter. 1. Sann Vind Vinden blåser over seilet, på samme måte som når båten ligger stille. Det kaller vi sann vind.

Fartsvind

En vanlig seilbåt (ovenfor) skaper ikke så mye fartsvind. Derfor blir relativ vindretning og relativ vindstyrke ikke så veldig annerledes enn sann vind. En trimaran (nedenfor) seiler langt fortere, og skaper mye mer fartsvind. Derfor blir relativ vind sterkere, og mer vinklet forover. Sann Vind

3. Fartsvind Båten, og dermed seilet beveger seg framover, og det skaper en motgående luftstrøm. Det kaller vi fartsvind. I praksis er det selvfølgelig alltid snakk om begge deler på en gang, altså en blanding av sann vind og fartsvind. Så snart båten begynner å seile, kommer fartsvinden inn i bildet. Jo fortere vi seiler, jo mer er det av den. Den sanne vinden øker derimot ikke, fordi båten seiler fortere. Konsekvensen er at både vindstyrken og vindretningen endrer seg sammen med båtens hastighet.

Relativ Vind

Fartsvind

• Optimistjollen her er bare påvirket av sann vind, ettersom den ikke beveger seg.

2. Relativ Vind Resultatet av sann vind og fartsvind kaller vi relativ vind.

Sagt på en annen måte: Når man endrer kurs og/eller fart, så endrer «blandingsforholdet» seg samtidig mellom sann vind og fartsvind. Det gjelder både styrke og retning. For å skille mellom de to har vi begrepene relativ vindstyrke og relativ vindvinkel.

• Optimistjollen her er påvirket av sann vind – og en smule fartsvind, ettersom den beveger seg. Vinden i seilet er resultatet av de to - relativ vind.

Liten betydning i fem knops fart

Disse begrepene virker kanskje abstrakte. Og for vanlige kjølbåter, som oftest seiler mellom fem og syv knop, har forskjellen på sann vind og relativ vind mindre betydning. Båtfarten er lav og temmelig stabil. Men det kan være praktisk å kjenne disse begrepene for lettere å kunne forstå hva som skjer ombord; for eksempel når du har seilt lens i flere timer, og tenkt at det ikke blåser noe særlig - og så endrer kurs til kryss. Så får du lett en stygg overraskelse – det blåser langt mer enn du trodde! Det kan også være praktisk å vite litt om dette når det kommer et vindkast, og båten aksellererer. Da opplever du nemlig ofte at det er nødvendig å endre kurs for å få seilene til å stå. Det samme skjer når vinden plutselig faller i styrke. Da må du enten trimme om eller endre kurs, fordi fartsvinden har endret seg, og påvirket den relative vinden som seilene møter.

• Ro og fred i cockpit på lens – relativ vind er svakere enn sann vind. Men sannheten er at det blåser mer enn det kjennes ut til.

Å seile raskere enn vinden

Jo fortere du seiler, jo mer vil den relative vindretningen altså dreie forover. Veldig raske seilbåter, særlig ekstreme katamaraner og trimaraner, seiler med seilene trimmet nesten til kryss, eller i hvert fall til skarp slør, selv med sann vind rett bakfra. Fartsvinden blir en så stor komponent i regnestykket, at relativ vindvinkel blir radikalt annerledes enn sann vindvinkel. Den relative vindstyrken endrer seg også. Den vindstyrken disse båtene opplever «over dekket», og dermed i seilene, kan være det dobbelte av den sanne vindstyrken. Det er grunnen til at det faktisk er mulig å seile fortere enn vinden. De hurtigste og mest effektive seilfartøyene i verden – gjerne trimaraner med faste vingseil – kan under optimale forhold seile tre-fire ganger så fort som vinden! Det skyldes at relativ vindstyrke er langt høyere enn sann vindstyrke. Hovedparten av den vinden de seiler på, er den fartsvinden de selv skaper.

• Her har familien endret kurs, og båten seiler kryss. Plutselig er relativ vind sterkere enn sann vind. Forskjellen er merkbar!

• Da BMW Oracle’s vingeseil-trimaran vant America’s Cup i 2010, seilte den 32 knop i 8-10 knops vind. Vinden i riggen var hovedsaklig fartsvind den selv skapte. Båten seilte mer enn tre ganger så fort som vinden! 25

Sann Vind

Relativ vindstyrke

Relativ Vind

Fartsvind

Mulig å seile uten å kunne dette Sann Vind

Som sagt er dette teoretisk og tungt stoff for begynnere. Og til turseilas i tradisjonelle turbåter er det ikke strengt tatt nødvendig å sette seg inn i det. Men vil man forstå hvorfor det for eksempel virker som om vinden forsvinner når man faller av, eller hvorfor vi opplever andre, tilsynelatende merkelige ting når vi endrer kurs og/eller fart, så er forklaringen altså ofte å finne i forholdet mellom sann vind og fartsvind – altså relativ vindvinkel og relativ vindstyrke.

Relativ Vind

Fartsvind

For nå å avslutte kapittelet med å vende tilbake til sykkelturen innledningsvis, så finnes det et annet barndomsminne fra sykkesetet som mange vil gjenkjenne: Irritasjonen og undringen over at det nesten alltid var motvind på sykkel – både når du syklet dit du skulle, og når du syklet hjem igjen. Nå vet du hvorfor. • Vektordiagrammene her viser samspillet mellom fartsvind (sort pil) og sann vind (rød pil) på henholdsvis kryss, slør og lens. Den resulterende kraft – relativ vind – er vist med mørkerød pil. Som du ser, varierer både retning og styrke etter hvilken kurs du seiler.

Sann Vind

Relativ Vind

Fartsvind 26

For ”vanlige” seilere kan det være greit å huske et par enkle tommelfingerregler: Hvis den sanne vinden blåser mer forfra enn bakfra - «forenom tvers», som det heter - så er relativ vind alltid sterkere enn sann vind. Man synes lett det blåser mer enn det egentlig gjør. Men blåser den sanne vinden mer bakfra enn forfra, så blir det omvendt; relativ vind vil (for tradisjonelle seilbåter som ikke planer) bli svakere enn sann vind. Man kan lett tro at det blåser mindre enn det egentlig gjør. Dessuten er det sånn at jo fortere du seiler, jo mindre blåser det. Det er en uheldig prosess som fort stopper seg selv - for jo mindre det blåser, jo mindre fart produserer seilene. Når båtfarten faller, stiger den relative vindstyrken igjen, og en ny aksellerasjon finner sted. Folk som har prøvd å få en spinnaker til å stå i veldig lett vind, vil nikke gjenkjennende til dette noe frustrerende kretsløpet. Seiler man en høyere kurs til vinden, vil man oppleve langt mer effektiv seiling, både fordi man gjenetablerer en laminær luftstrøm, og fordi man i høyere grad kan gjøre nytte av fartsvinden.

• Umulig å seile lens – båten tar igjen den lille vinden som er, og gennakeren faller sammen. Eneste sjanse er å skjære opp til slør, som mannskapet gjør her. Dermed blir relativ vind sterkere ettersom farten bygges opp.