Onderwerp: Het hellen van een zeilboot - hoe zit het nou?

Van 't weekend had ik een interessante discussie met een opstapper over het hellen van de boot. Hij merkte op dat een boot op een gegeven moment niet schuiner meer gaat hellen omdat dan het effectieve zeiloppervlak af neemt. Dat vond ik interessant, want volgens mij neemt het effectieve zeiloppervlak niet af.
Uit Wikkipedia lazen we het volgende:
“Indien het schip helt, neemt het effectieve zeiloppervlak af, … Enkelrompsschepen hebben door het afnemende moment van de kracht op het zeil en het toenemende oprichtende moment van de ballast een "ingebouwde" veiligheid tegen overbelasting."

Nou herken ik het toenemende moment van de ballast wel, maar het afnemende kracht van het zeil bij grotere helling niet. Ik begrijp niet dat het hellend koppel zou afnemen: de vorm van het zeil leidt tot een kracht die je kan ontbinden in een voorwaartse kracht (die de boot doet voortbewegen) en een kracht loodrecht op het zeil. Die kracht loodrecht op het zeil leidt in combinatie met de lengte van de arm (vanaf het draaipunt van de boot tot het zeilpunt) tot een koppel dat je boot schuin doet gaan. Als je schuin gaat blijft de kracht nog steeds loodrecht op het zeiloppervlak staan (in ieder geval bij aan de wind) en het koppel dus nog steeds gelijk. Het enige dat kan uitmaken is dat de (gemiddelde) windsnelheid op het zeil lager wordt, omdat de wind verder van het wateroppervlak wat harder waait.

Zijn er bollebozen die licht op deze zaak kunnen laten schijnen?

Groet Erik

Als de boot helt, reikt het zeil minder hoog boven water. De wind die voorheen tegen de top van het zeil woei, die waait er nu overheen. Het zeil vangt dus minder wind, waardoor de kracht die op het zeil wordt uitgeoefend afneemt.

- Marti

Daar kwam de opstapper ook mee. Volgens mij is het anders: bij optimale trim (behalve voor de wind) strijkt de wind langs het zeil. Als je afvalt laat je het zeil verder vieren om steeds de wind van voren in het zeil te laten vallen. Alleen op die manier werkt het zeil als vleugel.
Als je nu schuin gaat terwijl de wind van voren invalt, pakt het zeil nog steeds evenveel wind.

Er moet dus een andere reden zijn, of de stelling van Wikipedia klopt niet.

Groet Erik

snelem schrijft:
het effectieve zeilopppervlak is dat oppervlak dat door de wind 'gezien' wordt.
Als je boot helemaal plat ligt (90 gr helling) ziet de wind geen zeil. Als je 0 graden helt ziet de wind je hele zeil.

De kracht van de wind op het zeil werkt loodrecht op het zeil (in het theoretische zeilpunt), dus niet zoals jij denkt horizontaal. En ook iets naar voren, want je zeil staat niet midscheeps maar iets uitgevierd.

Die kracht kan je ontbinden in een aantal componenten. Voor het hellen is dan van belang de ontbinding is een kracht recht naar beneden, en een horizontaal opzij.
De component naar beneden doet de boot hellen en wordt tegengewerkt door de ballast (aan de andere kant van de romp, het is een soort 'wip').
Bij het ontbinden van de 'originele' kracht (loodrecht op het zeil) zul je zien dat de vertikale component (die doet hellen) groter wordt bij meer helling.

tot zover deze zeer eenvoudige voorstelling van zaken.
Er zijn natuurlijk ook krachten naar voren (voortstuwing) en naar achteren (weerstand). En dan je roer nog....

groet
t

Sluit me aan bij Arcadia
Je kunt dit makkelijk visualiseren

Teken je boot (van voor of achter gezien) en zijwaarste wind in het zeil
Doe het zelf nu maar dan teken je schip dan bijv. 30 graden helling
Je ziet dan dat het minder hoog steekt
Dit icm met het oprichtend vermogen maakt dat je steeds minder gaat hellen.

Je gaat niet schuin varen door de vleugelwerking. Je gaat schuin varen doordat niet alle wind langs het zeil glijdt, maar een deel ervan er gewoon tegenaan duwt en de boot scheef duwt (en het zeil bol houdt).
Dat effect neemt af naamrate je schuiner vaart, door dat er minder wind tegen je zeil blaast.

Capo tijd voor een clinic over schuin varen, we sturen een motorbootje vooruit met een rookgranaat en we kunnen zien wat de wind doet in de zeilen

tp_zoveel schrijft:
dat is wel een héél eenvoudige voorstelling van zaken

temeer als je weet dat van de kracht in je zeil 70% komt van de lij-zijde (en dus niet van het 'duwen' ).

Ook bij een vliegtuigvleugel geldt dat die minder lift genereert als hij niet horizontaal is (vertikaal voor een zeil).
Een vliegtuig op zijn kant valt gewoon uit de lucht. En een vliegtuig dat een bocht maakt geeft altijd gas bij!

groet
t

Ook weer zo
Het is ook wel de hele eenvoudige voorstelling, toch denk ik dat het wel een beetje laat zien wat er gebeurd met de wind druk, of zit ik er nu vreselijk naast ?

Capolavoro schrijft:
Snap het nog steeds niet. Als de kracht inderdaad loodrecht op het zeil werkt, dan blijft die dat (neem ik aan) doen als de boot schuin ligt. De kracht blijft dan dus even groot en wordt niet minder. En het koppel blijft dus ook gelijk.

Laat mij graag overtuigen, maar ben het nog niet:-)

Erik

Jullie hebben allemaal een heel klein beetje gelijk.
Het is hoofdzakelijk het druk verschil dat er is aan bij de zijden van het zeil
alles wil van een hoog drukgebied naar een laag drukgebied.
Ook daardoor kun je tegen de wind in varen. ( niet recht )

snelem schrijft:
een paar dingen:
- er is geen sprake van een koppel. De krachten werken allebei (ballast en ontbonden zeilkracht) naar beneden.
- ertussenin zit de boot die wil blijven drijven.
- het is dus één grote wip (als is see-saw )

stel je het limietgeval eens voor:
de boot 90 graden op zijn kant.
Hoe ga jij dan nog druk in het zeil krijgen????
De Angle of attack (hoek van inval) is per definitie zero.
Dus dat lukt je alleen als het van boven waait (en dat doet het niet, het waait dan van voren).

groet
t

Capolavoro schrijft:
Mja. Dat verhaal van die wind die op een zeil onder helling een kracht loodrecht op het zeiloppervlak uitoefent vind ik nogal kunstmatig.
De luchtstroom die wind heet beweegt zich horizontaal over het aardoppervlak, dus hoezo kracht die loodrecht op een zeil staat dat misschien wel 45 graden helling heeft?
Het wordt nog gekker als er bij het ontbinden ook een kracht loodrecht naar beneden ontstaat. Neemt de waterverplaatsing van de boot dan toe, of zo? Ik geloof er niks van! Logischer lijkt mij nog dat de horizontale windkracht wordt ontbonden in een component die inderdaad loodrecht op het zeil staat en een andere die evenwijdig aan het zeiloppervlak schuin omhoog gaat. Maar ook dat lijkt me nodeloos getheoretiseer.

Het begin van je verhaal klopt wel. Het is inderdaad een verhaal van geprojecteerd oppervlak dat ten opzichte van de wind afneemt en het feit dat er daardoor bij een hellend zeil en gelijkblijvende wind per m2 of cm2 minder druk wordt uitgeoefend.
Wat daar nog bijkomt is het gegeven dat het zeilpunt bij helling van het tuig omlaag komt, waardoor de arm van het moment dat de helling veroorzaakt ook afneemt. Die arm wordt namelijk gemeten tussen gewichtszwaartepunt en zeilpunt en wel in loodrechte zin, haaks op de horizontale luchtstroom.

Daar het koppel, dat door de opzij- en omhoogkomende ballastkiel wordt opgewekt, toeneemt naarmate de helling toeneemt, wordt vroeg of laat een moment bereikt waarbij een evenwicht ontstaat.
Om die reden is een boot, waarbij de ballast voldoende richtend moment levert, op vlak water ook niet ondersteboven te zeilen. De windkracht op de tuigage neemt bij het toenemen van de helling steeds verder af. Het richtend moment van de kiel neemt tot 90 graden helling steeds verder toe. Als dit laatste punt bereikt wordt, ligt het tuig plat in het water en is de kracht die de wind erop uitoefend nul geworden. Het hellen houdt bij de meeste kieljachten dus al veel eerder op.

Zo zit het en niet anders!

--
stegman

lodewijk stegman schrijft:
de kracht in een zeil ontstaat door een drukverschil loef/lij.
Die kracht is per definitie loodrecht op het oppervlak.
Anders woei je zeil wel langs de mast omhoog....
Elementaire natuurkunde, my dear lodewijk!
Druk, weet je nog wel? Gassen, druk, P etc.

De waterverplaatsing neemt inderdaad toe.

Er is geen koppel, de kiel wil ook naar beneden.
Het is een wip, weegschaal, balans, doe maar een. Drie krachten, de buitenste 2 naar beneden, ertussen de drijvende boot.
En de arm van de kracht in het zeil naar de drijvende boot, die wordt langer, niet korter, bij meer helling.
Gelukkig geldt hetzelfde voor de arm van ballast naar drijvende boot. En gelukkig neemt de vertikale component in het zeil af met meer helling, omdat de gehele kracht afneemt agv kleiner geprojecteerd opppervlak.

groet
t

Thema weerstand moet hier natuurlijk ook bij betrokken worden. Een boot (zeker een planeer boot) heeft minimale weerstand wanneer deze rechtop gevaren wordt. Windkracht wordt maximaal omgezet in snelheid waardoor de omkiepkracht (het restant van de ontbonden windkracht) minder wordt.
Ga je scheef dan vreet de boot zich in het water... meer weerstand, minder snelheid meer resterende omkiepkracht.....
Kijk maar eens naar een 49er... enorme lap zeil er op, lichte knaapjes die goed kunnen zeilen halen de maximale snelheid en vliegen weg (met de boot recht..) Gaat ie scheef (ook al is de bemanning 50 kg zwaarder) loopt het snel uit de hand...

Capolavoro schrijft:
Zoals ik al eerder zei: dat is de theorie. Je ziet het zeil puur als vleugel. Helaas is het veel minder een pure vleugel dan die van een vliegtuig. Een groot deel van de windenergie wordt omgezet in pure weerstand.
Als je jouw theorie doorvoert tot de boot (ik noem maar een dwarstraat) 80 graden helt, dan zou in jouw optiek de druk per oppervlakte-eenheid in het zeil bij die helling even groot zijn als wanneer de boot rechtop ligt. Pas als het zeil in het water ligt valt de kracht weg.
Ik begrijp best waar je heen wilt, maar met alleen deze theorie kom je er niet uit.

Wat koppels betreft; die zijn er wel degelijk. De kiel vormt een koppel met de opwaartse kracht van de romp (de waterverplaatsing), als de boot begint te hellen en de kracht in het tuig levert met de zijdelingse weerstand van het lateraalvlak (het onderwaterschip) in het water ook een koppel. Ze werken, zoals duidelijk zal zijn, in tegengestelde richting.

Hoe de arm van de kracht in zeil langer kan worden als de boot helt, moet je echt even uitleggen. De plek van het zeilpunt verandert namelijk niet. Zou het zwaartepunt van lateraalvlak zich dan verplaatsen? Theoretisch misschien wel, maar zoals ik al eerder zei..

--
stegman

lodewijk stegman schrijft:
we komen er wel
natuurlijk is het niet alleen een vleugel. Het zeil is ook een weerstandslichaam. Bij 200 km/u wind zal een boot (evt zonder zeil) gewoon plat geblazen worden. Nix vleugel.
Maar de oorspronkelijke vraag ging over normaal zeilen, niet over plat geblazen worden.
Verder is een zeil niet geschikt om in horizontale positie als vleugel gebruikt te worden. Hoe meer helling, hoe minder vleugelwerking (net als bij een vliegtuig hellend in de bocht).
Dus er is geen sprake van constante kracht tot ineens bij 90 graad helling de druk wegvalt...... dat gaat geleidelijk.

Koppels: Nu maak je ineens twee koppels, een met 2 vertikale krachten en een met 2 horizontale. Daar hadden we het niet over.

groet
t

even gefreubeld om te laten zien wat er gebeurd bij helling:

des te schuiner je gaat, aan de wind, des te minder zeiloppervlak de wind "ziet", en dus de druk op het zeil minder wordt. de ballast wil naar beneden "hangen" en dus richt de boot zich weer op, komt de winddruk weer in het zeil en ga je weer plat..enzovoort, enzovoort, enzovoort, tenzij je op kunt loeven

Deze redenering gaat uit van wind die haaks op het zeil invalt... (dat gebeurt eigenlijk alleen voor de wind...
Zeilen op de meeste andere koersen valt de wind van voren in en dan speelt dit minder, al denk ik wel dat een plat liggend zeil minder wind vangt dan een recht opstaand zeil.
Zoals ik eerder aangaf.. schuin gaan is een resultante van de windkracht en de resulterende snelheid.. de rest is drag en daar ga je scheef van (vrij naar bethwaite )

Capolavoro schrijft:
Wat raar dat een een zeil geen vleugel kan zijn in horizontale positie. Een vliegtuigvleugel levert namelijk in een steile bocht, waarbij de vleugels vrijwel verticaal staan, nog steeds veel lift. Alleen in de verkeerde richting; zo goed als horizontaal. En de zwaartekracht werkt nu eenmaal loodrecht naar beneden..
Maar bij een zeil neemt de lift bij helling geleidelijk af, beweer jij. Waardoor dan?
De enige reden voor het geleidelijk teruglopen van de lift die ik kan verzinnen is dat het dichter bij het water minder hard waait dan hogerop en de resultante van de krachten in het zeil komt nu eenmaal omlaag door het hellende tuig. Zou dat het dan misschien kunnen zijn...?

Ik 'maak' niet ineens twee koppels. Die zijn er gewoon, bij een hellende boot. Als er maar 1 koppel zou zijn kan er geen evenwicht ontstaan. Elementaire mechanica, Capo..

--
stegman

onlein schrijft:
dat heb jij heel mooi gemaakt!!

Heel erg duidelijk! Geprojecteerde (voor de wind waarneembare) oppervlak neemt af bij helling, ook bij een windhoek van pakweg 45 graden (aan de wind). En dat heeft invloed op de kracht door de stroming langs het zeil (en tegen het zeil, voor de liefhebbers): het levert minder druk.

Nog even over stroming langs versus stroming tegen het zeil (weestandslichaam): als je erg schuin aan de wind vaart en met strakke schoten afvalt voel je de stroming aan lij loslaten. Overtrokken, stalled zeil. En dan komt je bootje rechtop. Wat maar weer bewijst dat de kracht van een stroming langs het zeil veel groter is dan van wind die er alleenmaar tegenaan duwt.

groet
t

lodewijk stegman schrijft:
het leuke van zeilen en ontbinden van vectoren is dat er net zoveel koppels zijn als je maar wilt

groet
t

ISO788 Hans schrijft:
aan de wind is altijd nog 45 graden. Dus halverwege in de wind en halve wind. Dan geldt nog steeds 'geprojecteerd oppervlak'.

en de relatie tussen 'scheef'en 'drag' heb ik in mijn Bethwaite nog niet gelezen , erg vrij....

groet

Capolavoro schrijft:
Dat bewijst het helemaal niet. Er valt 1 kracht die invloed heeft op de helling weg, dus vanzelfsprekend richt de boot zich enigszins op. Maar dit effect bewijst helemaal niet dat die wegvallende kracht groter is dan de weerstand die overblijft. Zou best kunnen, maar dat zou je toch even moeten meten, vind ik

Het effect, als het al optreedt, duurt overigens maar een fractie seconde. Naarmate de boot verder van de wind afdraait zal de helling alleen maar weer verder toenemen, omdat het zeil nu alleen maar nog meer weerstand oplevert en nauwelijks vootstuwing.

Een beter voorbeeld voor je theorie is te hoog sturen, maar mijn idee. Ook dan richt de boot zich op omdat de lift wegvalt, maar omdat de weerstand niet veel af- of toeneemt (hoewel die minder dwars op de boot is gericht) is het effect van het wegvallen van de lift op de helling veel groter.

Kortom: je hebt niet helemaal ongelijk, maar je benadering van de materie vind ik niet altijd even gelukkig..

--
stegman

lodewijk stegman schrijft:
een stegmans die zegt 'je hebt niet helemaal ongelijk', dai is een hele eer, dank je!

Meten: dat is al heel lang geleden gebeurd. De lijkant van een zeil doet 70% ongeveer van de totale kracht leveren. En het duurt gewoon de hele tijd. Afgelopen trimclinic, vrijdag, nog een demo van gedaan! Probeer het eens (of is je roerblad daar te klein voor )
Te hoog sturen: dat is kleinere angle of attack, hoek van inval. Dus minder lift. Een vliegtuig kan heel hard over de baan rijden en toch de lucht niet in gaan. Pas als de neus omhoog roteert dan gaan de vleugels wat nuttigs doen. Idem met te hoog sturen. Ietsje vallen geeft lift. Overtrekken (te steil stijgen of te langzaam vliegen) geeft neerstorten bij gebrek aan lift.

groet
t