Nederland staat bekend om zijn molens. Busladingen vol Japanse toeristen komen elk jaar kijken naar onze molens.
Dat zouden zeilers ook wat vaker moeten doen: goed naar een molen kijken. Van molens kun je veel leren over aerodynamica.
Ooit was ik in de molen van Joure en maakte een praatje met een jonge molenaar die binnenin bezig was een nieuw onderdeel te maken voor de molen. Het was even lang als een wiek van de molen en had de vorm van een deel van een cirkelboog. Vol belangstelling keek ik naar dit object en hoorde tot mijn verbazing wat hij aan het maken was.
Een fok.
Hij vertelde, met glimmende ogen vol trots, dat elke molen een fok heeft.
"O", zei ik, "net als een fok op een zeilboot dus."
Maar daar had de molenaar nog nooit van gehoord. Hij wist niet dat een zeilboot een fok heeft. Hij kende alleen de fok van een molen.
Dat was grappig! Daar moest ik meer van weten. De molenaar en zeiler hebben allebeide een fok maar weten niet van elkaars bestaan.
Het toeval wilde dat er in de molen van Joure ergens in een hoekje een foto van een zeilende platbodem hing. Ik kon dus zo aanwijzen wat een grootzeil en wat een fok was. Die foto had de jonge molenaar nog nooit goed bekeken.
Mijn eerste conclusie was - molenaars zeilen niet. Daar hebben ze helemaal geen tijd voor, en misschien ook wel geen zin in, na al dat zwoegen met de wind op een molen.
Het omgekeerde geldt waarschijnlijk ook, zeilers zijn geen molenaar. Maar beide hebben ze wel een band met de wind. En die band is ongeveer dezelfde voor zowel zeiler als molenaar.
Hoog tijd dus om van elkaar te leren. Daarom neem ik u in deze blog mee in de geschiedenis van de windmolen in Nederland, met dank aan wikipedia (1). Sinds ongeveer 1180 zijn er windmolens in Nederland. Windmolens voor reguleren van waterpeil bestaan sinds 1400.
In Nederland hebben de windmolens vier wieken; een molenaar noemt ze enden. Bij meer dan vier wieken treedt te veel verstoring van de lucht voor de volgende wiek op en is het rendement daardoor lager.
Als men met de rug in de wind staat draaien bij een Nederlandse molen de wieken tegen de wijzers van de klok in. Hierdoor zal de molen ook bij ruimende wind nog blijven draaien en behoeft er dus niet direct gekruid te worden (dit is een groot praktisch voordeel omdat ruimende wind voorkomt bij het passeren van een lage druk gebied, hetgeen in Nederland elke paar dagen wel een keer gebeurd).
De omwentelingssnelheid van het samenstel van de wieken (= gevlucht) wordt gemeten in enden, ofwel de wieken die per minuut voorbijkomen. Een korenmolen maalt het beste als het gevlucht 50 tot 60 enden draait, dat wil zeggen dat er per minuut 60 wieken voorbijgaan en de bovenas dus 15 keer per minuut ronddraait. De korenmolen mag maximaal 80 enden draaien. Een poldermolen draait sneller en maalt het beste bij 80 tot 90 enden.
Oud Hollandse molen met een fokwiek. De fok is het gele gekromde hout rechts op deze foto. De fokwiek is gemaakt van naast elkaar bevestigde latten. Met een mechanische hefboom kan de stand van de fok ten opzichte van de wiek veranderd worden. Op een zeilboot zou je dit met de fokkenschoot doen.
Foto: https://nl.wikipedia.org/wiki/Fokwiek
De fokwiek is bedacht door ir. P.L. Fauël in 1933. De fokwiek was een oplossing die bedacht is voor de molen Den Arend in Bergambacht die bij weinig wind niet wilde draaien.
De historie van de fokwiek wordt duidelijk uit een artikel in de Kampioen van mei 1947 (4):
"De fokwiek van ir. Fauël heeft reeds een zekere vermaardheid gekregen (...) Ir. P.L. Fauël, die een geestdriftig zeiler is, werd door de zeilsport tot zijn vinding geïnspireerd. Hij bevestigde het houten fokbord zodanig aan de molenroede, dat de wind die langs de holle loefzijde van dit bord en de roede stroomt aan de lijzijde van het molenzeil terecht komt. Het bord staat ten opzichte van de roede en molenzeil zoals bij een schip de fok ten opzichte van mast en grootzeil staat. Dank zij de fok kan de molen bij minder windsnelheid draaien, terwijl bij eenzelfde windsnelheid meer arbeidsvermogen kan ontwikkelen.”
Fauël is de uitzondering die de regel bevestigd - hij was zowel molenaar als zeiler.
Met kennis van beide vakgebieden was hij in staat de uitvinding te doen. Hij heeft het idee van de fok op een boot vertaalt naar een systeem dat geschikt is voor een windmolen. De uitvinding van de fokwiek is feitelijk een aerodynamische gevormde voorrand van de wiek, waarbij de vorm rigide is (anders dan bij een zeilboot, waar een fok gemaakt is van een lichtgewicht flexibel doek). De vorm van de fokwiek is een licht gekromd oppervlak (net zoals de vorm van een fok op een boot). Een verdere bijzonderheid is dat de invalshoek van de wind ten opzichte van de voorrand van de fokwiek naar wens kan worden aangepast, met een mechanisch mechanisme. Dit heeft hetzelfde effect als het trimmen van de fokkenschoot op een boot.
Nadat Fauël door de oorlog zonder werk kwam te zitten, bracht hij zijn systeem in 1946 in de praktijk (de eerste molen die fokken kreeg was De Vooruitgang in Oeffelt).
In Norg staat een molen met een interessante aerodynamica. Molen De Hoop heeft een zogenaamde Bilau-wiek (zie foto hiernaast)
Deze uitvinding is van de duitser Kurt Bilau en is gedaan omstreeks 1930. Bilau had kennis opgedaan van aerodynamica en ballistiek gedurende de eerste wereld oorlog, en paste deze kennis nu vredelievend toe op windmolens. Een Bilau wiek lijkt op een vliegtuigvleugel in twee delen.
De twee delen van de Bilau wiek kunnen met een mechanisch systeem ten opzichte van elkaar in een aantal standen getrimd worden. Het voorste deel is dik (met een aerodynamisch gevormde neus) en is bevestigd aan de roede (in Norg is deze rood geverfd). Het achterste deel is een dun aerodynamisch profiel gemaakt van aluminium (grijs).
Het systeem is in 1930-31 voor het eerst aangebracht op een molen in Sachsen. Met deze nieuwe wieken werd een twee- tot drievoudige verbetering van de windenergie verkregen, een verbluffend goed resultaat. De verbetering was vooral bij weinig wind zeer welkom. Bij sterke wind was er al gauw te veel vermogen en moest het systeem zo getrimd worden dat de aerodynamische krachten verkleind werden.
Hierdoor besloot Bilau in 1931 een octrooi aan te vragen en een samenwerkingsovereenkomst met molenbouwer en machinefabriek Karl Kühl in Vordamm. Er zijn in Nederland 15 molens met een Bilau-wiek.
De oudhollandse tuigage van de wieken stamt uit de 17e eeuw en kan een vermogen van gemiddeld 25 tot 30 kW leveren. Stroomlijnroeden, zoals fokwieken, kunnen tot 45 kW leveren.
Als we de fokwiek vergelijken met de Bilau-wiek dan zien we dat beide ongeveer hetzelfde effect hebben: bij weinig wind levert de molen meer as vermogen door een verbetering van de aerodynamica (een hogere lift coefficient). De Bilau Wiek lijkt het meest efficiënt, maar is zwaar en moet direct bij de bouw van de molen worden aangebracht. De fokwiek is veel lichter en kan op elke bestaande molen worden aangebracht.
Wat betekent deze molen technologie van rond 1930 voor het zeilen van nu?
Heel veel. De America Cup vliegende catamarans AC45 gebruiken een vleugel zeil dat vrijwel identiek is aan het nu 90 jaar oude Bilau systeem. Bekijk de foto's maar eens goed.
De fokken die we in de zeilsport gebruiken zijn nog steeds gemaakt van een flexibel dun doek - het wachten is nu op iemand die een rigide fok bedenkt. Octrooi kun je daar niet meer op krijgen - vanwege de vinding van Fauël in 1933 is dit idee niet nieuw meer.
De conclusie van dit alles? Om goed te innoveren is het slim om in de tijd terug te kijken bij een ander vakgebied met vergelijkbare problematiek. De technische evolutie van systemen voldoet immers aan de 8 TRIZ trends. Hiermee kun je technologie trends in de toekomst voorspellen. Zie: https://troyka-innovation.com/innovation-triz/
Bronnen:
(1) Aerodynamica van een traditionele windmolen https://nl.wikipedia.org/wiki/Gevlucht
(2) Bilau wiek https://nl.wikipedia.org/wiki/Bilauwieken
(3) Vleugelzeil AC45 https://www.boatdesign.net/threads/34th-americas-cup-multihulls.34612/page-6
(4) Artikel in de Kampioen van mei 1947 over Fokwiek https://books.google.nl/books?id=AylkgrA0xz4C&pg=PA133&lpg=PA133&dq=ir.+P.L.+Fauël&source=bl&ots=MxeNyuMktR&sig=ACfU3U0GYgJyVoR1WwAv59KVbSp5J_55XA&hl=nl&sa=X&ved=2ahUKEwidiNWRxJLnAhUHPewKHa_gAQwQ6AEwAnoECAYQAQ#v=onepage&q=ir.%20P.L.%20Fauël&f=false
Edwin
Reactie plaatsen
Reacties