Wolven en badkuipen

Eerder in januari schreef ik over de Vestas Sailrocket II - een zeilend wereldrecord. Maar liefst 115 kilometer per uur over het water met slechts de wind als aandrijving.

(Zie de blog:

https://www.g-w-r.eu/blog/383833_passie-voor-zeilen

).

Welke uitvinder kan dat verbeteren?

Ik vond op internet een kanshebber. Hij noemt zichzelf Sailwolf - een eenzame wolf die zeilen als passie heeft, zo lijkt het.

Hij ontwerpt en bouwt prototypes van zeilende constructies - en gebruikt daar steeds weer innovatieve elementen bij. De constructies zijn radiografisch bestuurbaar - en zo zijn ze uit te testen (op de foto hierboven zie je een van de prototypes van Sailwolf - de meeuwen kijken belangstellend toe) .

Op een afstand bekeken lijkt dit het werk van een hobbyist - zoiets als de mensen die op zondag middag met een radiografisch bestuurbaar vliegtuigje rondjes vliegen boven een voetbalterrein.

Maar beter bekeken zie je dat hier een echte pionier aan de gang is. Hij ontwerpt, construeert, test en verbetert. En hij doet dat zo slim en goedkoop dat het zonder sponsorgelden te doen is van zijn eigen geld. Voor de grote schaal vraagt hij sympathisanten hem te steunen - een crowd funding campagne.

Sailwolf is een genie. Zijn naam is Doug Lord. Daar waar Leonardo da Vinci droomde op papier en van al zijn mechanische ontwerpen bijna niets in de praktijk bracht, doet Sailwolf het tegenovergestelde - zijn dromen krijgen vorm als prototype. Onderaan deze blogs staan links naar het werk van Sailwolf.

Greg Ketterman, de uitvinder van de Ketterman Trifoiler, heeft ook deze fase gehad, waarbij hij modellen gebruikte om de deugdelijkheid van zijn snel-zeilende concept te testen. Het trifoiler  concept wist het te brengen tot een wereld snelheid record. Uiteindelijk heeft Hobie, de producent van zeilende catamarans, het Trifoiler concept gecommercialiseerd (zie de youtube video link onder aan deze blog). 

Zeilen bij hoge snelheid op golven vereist nogal wat. De veiligheid van de opvarenden is cruciaal. Daarom moet het schip inherent stabiel zijn - bij een schifting van de wind of een plotseling hardere of minder harde wind mag het schip niet onbestuurbaar raken, en zeker niet crashen. 

Het enige recept wat daarvoor lijkt te werken is inherente stabiliteit. Daarmee bedoel ik dat een kleine verstoring (van windsnelheid, windrichting, invalshoek of de trim van het schip) een tegenovergesteld gerichte verstoring tot gevolg heeft. Dit kenmerk definieert hydrodynamische stabiliteit.

Vergelijk het met een zware knikker onder aan dunne staaf ijzer, opgehangen aan een tak van een boom. Zonder wind hangt de knikker-aan-de-stang, door de zwaartekracht, recht naar beneden. Deze situatie is een stabiel evenwicht. Als het nu zachtjes gaat waaien, beweegt de tak, en gaat de knikker wat heen en weer slingeren. Dit is ook nog steeds stabiel: de knikker maakt wat bewegingen, maar deze zijn niet abrupt of dramatisch.

Als het heel hard gaat waaien, en de tak maakt bewegingen die in amplitude ongeveer even groot zijn als de lengte van de ijzeren staaf tussen knikker en tak is de beweging woest en chaotisch - zeker niet comfortabel - maar nog steeds stabiel, in de zin van hydrodynamische stabiliteit, uiteindelijk zal de zwaartekracht de knikker weer naar de ruststand doen bewegen.

Stel nu dat bij windstil weer de staaf rechtop op een harde ondergrond wordt gezet, met helemaal bovenop de knikker. Deze toestand is in evenwicht, maar dit is een labiel evenwicht. Zolang de knikker in rust is, en er geen verstoringen zijn (geen wind, geen trilling, geen andere externe krachten), zal de knikker in rust blijven. Maar zodra er ook maar een kleine verstoring is, zal de knikker en de staaf op de grond vallen.

Een schip van conventionele vorm drijft op het water - de massa van het schip verplaatst water - en dit veroorzaakt een opwaartse kracht even groot aan de zwaartekracht op het verplaatste volume aan water. Dit heet de Archimedes kracht, genoemd naar de Griekse ontdekker van dit fenomeen. Door de opwaartse kracht, of Archimedes kracht, is een boot stabiel te maken. Bij een goed gekozen vorm, en een goed gekozen gewichtsverdeling is het stabiel. Neem maar een plank van een meter lang, twintig centimeter breed en leg hem in uw badkuip. Probeer nu golven te maken die zo hoog zijn dat de plank omslaat. Het zal u niet lukken. Deze plank drijft (want zijn dichtheid is kleiner dan dat van water) en heeft vorm-stabiliteit. De platte vorm is het geheim van de stabiliteit. Als een kant in het water wordt ondergedompeld, en een andere kant uit het water komt, zal de zwaartekracht het evenwicht weer herstellen - de kant die uit het water is zal door de zwaartekracht naar beneden gaan, de kant die diep in het water zit zal door de Archimedes kracht naar boven gaan. Kleine zeilboten gebruiken vormstabiliteit als het belangrijkste mechanisme om overeind te blijven.

Neem nu uw plank van een meter lang en twintig en twintig centimeter breed (kleiner mag ook als de verhouding Lengte gedeeld door Breedte maar ongeveer 5 op 1 blijft) en druk hem met met een kant in het water en laat dan los. U merkt, de plank schiet omhoog, het water uit, en vindt dan vanzelf weer een stabiele positie in het bad. Deze vorm is duidelijk stabiel. 

Kunt u een plank ook rechtop laten dobberen? Ja dat kan, door een flinke massa aan een kant toe te voegen. Hebt u ergens een ijzeren staaf? Bind hem vast aan een van de lange zijden van de plank en leg dit weer in het bad. De zwaartekracht zal de ijzeren staaf zo ver mogelijk doen zinken, en de Archimedes kracht wil het hout boven water krijgen. Het eind resultaat is dat de plank half-gezonken is, de ijzeren staaf onder water, en een stuk van het hout boven water. Dit is precies hoe zeiljachten worden geconstrueerd - een zware kiel onder water met een drijflichaam (de romp) daarboven. 

Deze vorm is ook weer verrassend stabiel. Probeer maar weer eens in uw badkuip door golven de plank te laten omslaan - grote kans dat u eerder een waterballet in uw badkamer hebt gemaakt door de golven dan dat uw plank is omgeslagen.

Met een romp en een kiel kun je vele bootvormen dus stabiel krijgen. Werkt dat altijd? 

Nee, als de golven te groot worden, en genoeg kracht op de boot kunnen uitoefenen, kan een boot over de kop gaan (ondersteboven liggen). Een boot met een romp en een kiel zal dan na een paar seconden weer rechtovereind komen te liggen, omdat op de kop liggen een instabiel evenwicht is, en de golven daarbij helpen een instabiele situatie te maken die uiteindelijk het schip weer rechtop krijgt. 

Voor oceaanzeilers is dit een zekerheid die in elke storm ter wereld geldt - zolang je het water buiten de boot houdt (luiken en ventielen hermetisch dicht) - kun je wel over de kop gaan, maar je komt altijd weer overeind en het schip blijft drijven. Het kan binnen in de boot flink oncomfortabel zijn, maar echt gevaarlijk is het niet. Het is wel verstandig om te voorkomen dat een brekende golf van de zijkant over het schip komt - dan kan een schip plat gaan, of zelfs 180 graden op de kop liggen. Handleidingen over zwaar weer zeilen raden daarom aan ongeveer tegen de wind in of recht van de wind af te gaan zeilen, zodat de scheepsvorm je help niet dwars op de wind te komen. 

Wie net als de Ketterman Trifoiler, de Vestas Sailrocket II, of de prototypes van Sailwolf boven het water wil zeilen zal meer moeten doen om stabiel te zeilen. Zodra de romp zich boven het water verheft is de Archimedes kracht verdwenen. Weg is het stabiliserende effect van de zwaartekracht op het ondergedompelde water. 

Nu is een nieuw principe nodig om stabiel te blijven. Kan dat? Ja hoor, kijk maar eens naar een Zeemeeuw die bij harde wind vliegt. De Meeuw gaat met de snavel in de richting van waar de wind vandaan komt en trekt beide vleugels een beetje in - van voren ziet een Meeuw er dan uit als een letter M. Op deze manier kan een Meeuw blijven hangen op een plek boven de grond - de langs-vliegende wind geeft een opwaartse hydrodynamische kracht op de vleugels, en de zwaartekracht op de massa van de Meeuw (dat is vooral de romp van de Meeuw) trekt naar beneden. Deze situatie is stabiel - omdat de meeuw twee vleugels heeft die beide ongeveer evenveel lift leveren. Als er even wat meer wind is, verkleint de meeuw de vleugels, door ze nog meer in te trekken. Zodra de meeuw hoogte lijkt te verliezen spreidt hij de vleugels weer uit - en krijgt weer meer lift. Wie deze lift kracht wil ervaren, kan de hand uit het raam steken van een rijdende auto. Wie zijn rechterhand uit het rechterraam steekt, en de kant van de duim iets hoger dan de kant van de pink houdt - voelt hoe deze hand-in-vleugel-vorm omhoog gaat).  

Een zeemeeuw in harde tegenwind is dus een dynamisch stabiel systeem waar terugkoppeling gebruikt wordt om op elk moment het juiste vleugeloppervlak te gebruiken. Het is niet statisch stabiel - wie een meeuwvormig object in de lucht probeert te krijgen en te houden zal zien dat het snel neerstort. De meeuw heeft intelligentie nodig om voor elke verstoring van het evenwicht een passende reactie te nemen die het evenwicht hersteld.

Wie zijn zojuist neergestorte meeuw-vormige-object nu aan een vlieger-lijn vastmaakt en weer met genoeg wind oplaat zal zien dat deze vorm nu wel stabiel is. Bij genoeg wind is de aerodynamische lift kracht groter dan de zwaartekracht, en zal de meeuw-vormige-vlieger een grotere hoogte willen bereiken, maar het vlieger touw houdt dat tegen - de spanning in het touw neemt toe. Zo vliegt de vlieger op een stabiele hoogte. Als de wind wegvalt stort de vlieger ter aarde - alleen heel hard rennen tegen de wind in kan dat verhinderen. Dat zie je veel vliegeraars doen.

Kun je een zeilboot laten vliegeren? Daar gaan we het een volgende keer over hebben.

Alvast veel plezier in uw badkuip!