A vitorlán ébredő erők

Hogyan alakul ki a vitorlán az a felhajtőerő amely előre hajtja a hajót, milyen egyéb hatásokkal kell számolnunk, hogyan érvényesül több vitorla együttes hatása, mi pontosan a réshatás (dűzni) szerepe?

Ezek azok a kérdések, amelyekre többféle klasszikus magyarázat van, azonban – noha egy mérhető és megfigyelhető fizikai jelenségről van szó – számos vita, félreértés és újraértelmezés tárgya volt az elmúlt évtizedekben. A részletes kifejtést lássátok a hivatkozott tanulmányokban, az alábbiakban a problémát vetjük fel és megpróbáljuk megkönnyíteni a megértést. A felhajtóerő kialakulása ugyanis meglehetősen összetett jelenség, pusztán a Bernoulli- vagy a newtoni törvények alapján nem igazán magyarázható minden helyzet. A kulcs az áramlástanból ismert, a szárnyprofil (pontosabban az éles kilépőél) hatásaként létrejövő “cirkulációs” hatásban keresendő. Ezek a jelenségek az aviatikában Zsukovszkij és Kutta révén már egy évszázada ismertek, azonban a vitorlázás elméletében csak megkésve érvényesültek.

start_vortexA vitorlán, illetve bármilyen, éles kilépőéllel rendelkező tárgyon (akkor is ha az egy sima lap, ezért is lehet kicsit félrevezető ha szárnyprofilon próbáljuk megérteni a jelenséget) ha azt áramló közegbe helyezzük és azt valamelyik oldalával kissé kifordítjuk, a két oldalán nyomáskülönbség alakul ki, létrejön a felhajtóerő. Ezt tapasztaljuk pl. amikor a kalóz kormányát kitérítjük és a felhajtóerő elúzza a kormánylapot (és az összes hozzá rögzített eszközt, beleértve a hajó farát is) a felhajtóerő irányának megfelelő oldalra. Bernoulli törvénye értelmében ebből az következne, hogy a krománylapon az áramlás az egyik oldalon gyorsabb kell legyen mint a másikon. Ugyanakkor egy olyan egyenes lap, mint egy kalóz kormánya, alig választja szét egymástól az áramló vizet, és látszólag ugyanakkora utat tesz meg a lap mindkét oldalán a víz, így nem gyorsulhat(na) fel. Hasonló az elméleti probléma a vitorlával: annak ugyan van profilmélysége, amiről tapasztaljuk is hogy összefüggésben van a rajta fellépő felhajtóerővel, azonban a profil nem zárt, a vitorla vastagsága elhanyagolható. Ha két részecske egyszerre indul el a belépőélnél, nehezen magyarázható az egyik felgyorsulása, márpedig a nyomáskülönbség kialakul az áramlási közegben lévő teljesen lapos lapfelület két oldalán is ha az az áramlási közeget kitéríti, amiből következőleg sebességkülönbségnek is kell lennie a lap két oldalán.kutta_cond

A magyarázat az, hogy a tárgy körül létrejövő és a sebességkülönbséget, valamint felhajtóerőt eredményező áramlás valójában két különböző típusú áramlás eredője. Ebből az egyik egy olyan cirkuláció, amely a tárgy körül jön létre, azaz az egyik (szél felőli) oldalon ellentétes a valós irányú áramlással. Ez a cirkuláció az egyik oldalon tehát lassítja a közeg áramlását, a másikon viszont gyorsítja. Hétköznapi körülmények között ez a körkörös cirkuláció megfigyelhetetlen, hiszen ez nem fordítja meg a közeg nem rotációs áramlását, csak módosítja azt a két oldalon, ráadásul véges is hiszen a kilépőélen leválik az áramlás. Azonban mégiscsak megfigyelhető Arven Gentry híres fürdőkád-kísérletével, avagy az alábbi videó utolsó másodperceiben:

Figyeljük meg, hogy a test körüli cirkuláció egy kezdő örvény ellenhatásaként indul meg. Ez a jelenség kizárólag valamilyen vizskozitással rendelkező közegben működik, és szerencsére a levegő éppen ilyen! (Mázli hogy nem derült ki váratlanul hogy mégsem alakulhat ki felhajtóerő a vitorlán…:) A kezdő örvény nemsokára leszakad, méghozzá abban a pillanatban hogy teljesül a Kutta-feltétel, azaz hogy a kilépőélen az alsó-felső közeg egyforma sebességgel és nyomással távozik. Ez “rögzíti” a test körüli cirkulációt, amely egészen addig változatlan marad amíg az áramlási közeg sebessége, iránya és viszkozitása állandó, és a test vagy felület egyik oldalán gyorsítja, a másikon lassitja az áramlást. A részleteket lásd ITT.