Denna vecka blev jag återigen varse hur vädret verkligen lever om på Västkusten. På väg söderut från Väderöarna, ombord på X-99:an DeZeven (SWE-117), kom ett skolboksexempel på en kallfrontspassage dånande från sydväst. Ett lågtryck hade snabbt fördjupats i Nordsjön och svepte in över Skagerack och Kattegatt med tillhörande kallfront. Fronten skymtades i horisonten ungefär en halvtimme innan den var över oss. Då slog den till med:
Fem graders temperatursänkning
Fem sekundmeter högre vindhastighet och byig vind
30 graders vindvrid medsols
Kraftigt regn
Det är svårt att inte bli ödmjuk och respektfull när sådana väderfenomen tornar upp sig. Rent psykologiskt kändes det en smula lugnande att fronten betedde sig så som Måns Håkansson och Lage Larsson beskrivit det på diverse seminarier. I övrigt bjöd seglingen på mycket väder och vind. Rutten blev i tur och ordning; Kovikshamn, Åstol, Smögen, Väderöarna, Fiskebäckskil, Marsstrand och tillbaks till Kovikshamn. Seglad rutt hittar ni här. Så här såg det ut från Lotsutkiken på Väderöarna dagen innan kallfrontspassagen. Förmodligen har en varmfront nyligen passerat. Vädret är disigt och vi befinner oss i en varmluftsmassa.
Efter kallfrontspassagen kom den riktigt hårda vinden. På Väderöarna uppmättes en medelvind på 19 sekundmeter och 26 i byarna. Medelvåghöjden var 6 meter med toppar på 8. Lyckligtvis befann vi oss inomskärs när det kulminerade. Under natten låg vi tryggt förtöjda mellan två y-bommar i Fiskebäckskil.
Efter att ha gått en tvådagarskurs med Tom Björkholm, internationell domare, tänkte jag här försöka sammanfatta de största ändringarna i Kappseglingsreglerna 2009-2012. Enligt Tom Björkholm har ISAF sagt att reglerna nu är omskrivna såsom seglarna tolkade de gamla reglerna. Ändringarna är mer av juridisk och språklig karaktär. Reglerna för plats vid märken(18), plats att passera ett hinder(19) samt plats att stagvända vid ett hinder(20) har skrivits om helt. Innebörden är i stort densamma med de är tydligare och innehåller färre korsreferenser. Det finns dock ett antal viktiga förändringar som jag tänkte gå igenom nedan. Självklart finns det risk att jag fått något om bakfoten. Så kommentera gärna så vi kan reda ut begreppen. De nya reglerna kan ni ladda ner från SSF.
Definition – Zonen Den tidigare definitionen tvålängdszonen har bytt namn till Zonen och är utökad från 2 till 3 båtlängder. Det står dock arrangören fritt att använda sig av 2 eller 4 båtlängder istället. Detta måste då stå i seglingsföreskrifterna. I Match Racing kommer man köra med två båtlängder medan radiostyrda båtar kommer ha en zon på 4 båtlängder. I Fleet Racing kommer 3 båtlängder användas i de allra flesta fall. Syftet med den större zonen är att skapa mer plats och lite större marginaler vid rundningar i stora fält.
Definition – Märkesplats
En ny definition kallad Märkesplats har tillkommit. I de förra reglerna kallades detta plats vid märke men var ingen egen definition utan istället inskrivet i regel 18. Innebörden av Märkesplats är uppdelad i två delar. Dels att segla till märket och dels att segla vid(runt) märket. En båt med Märkesplats har rätt att segla till märket och sedan sin tillbörliga kurs vid märket. Eftersom det inte ger rätt att segla tillbörlig kurs till märket tillåter inte märkesplats en så kallad taktisk rundning där man tar ut svängen innan exempelvis länsmärket för att sedan runda upp tight med hemskotade segel precis i lä om märket. För att göra en taktisk rundning krävs även rätt till väg. Precis som i de tidigare reglerna. Men nu är det mer tydligt. Återstår att se om det nu kommer skrikas “- Märkesplats!” istället för “- Plaaats!”.
Definition – Överlapp
I de gamla reglerna gällde överlapp för olika halsar enbart när regel 18 gällde, dvs vid rundningar av märken. I de nya reglerna gäller överlapp för olika halsar både vid regel 18 eller när båda båtarna seglar mer än 90 grader från den sanna vinden. Syftet med denna omskrivning är framförallt att göra det enklare att avgöra när två båtar fick överlapp som möts vid en länsrundning.
Regel 10-16
Regel 10-16 är helt oförändrade. Styrbord – babord, lovart – lä, akter om, under stagvändning, undvika kontakt, få rätt till väg och ändra kurs gäller som vanligt.
Regel 17 – För samma halsar, tillbörlig kurs
Regel 17.2 som handlade om att man inte fick segla lägre än sin tillbörliga kurs är borttagen. Lika bra det enligt Tom Björkholm. Det var ändå ingen som kände till den. I övrigt är regel 17 precis som förut med skillnaden att man tvingats förtydliga att den enbart gäller vid överlapp och samma halsar. Detta eftersom begreppet överlapp ändrats till att gälla även för olika halsar när man seglar mer än 90 grader mot den sanna vinden.
Regel 18 – Märkesplats
Regel 18 är helt omskriven för att vara enklare att förstå. Som jag förstått det är innebörden av regeln dock densamma, med två undantag. 1) Vid en gate finns det inte längre något krav att en båt inte får segla längre från märket än vad som krävs för att segla sin tillbörliga kurs. Anledningen till detta är att tillbörlig kurs är svår att definiera när man inte vet vilket märke båten ska runda. Dave Perry beskriver detta på ett festligt sätt här. 2) Till skillnad från de gamla reglerna innehåller regel 18 ingenting om att passera hinder. Detta har istället blivit en ny regel 19.
Regel 19 – Plats att passera ett hinder
Nya regel 19 handlar enbart om passage av hinder, till skillnad från märken. Den stora skillnaden mot de gamla reglerna är att Zonen inte alls är inblandad här. Innerbåten har plats oavsett när överlappen inträffade. Det enda undantaget är om ytterbåten inte kan ge plats från det tillfälle då överlappen etablerades. Så länge ytterbåten har en möjlighet att hålla undan kan man alltså etablera överlappen väldigt sent. Även detta visualiseras bra av Dave Perry här.
Regel 20 – Plats att stagvända vid ett hinder
Detta är gamla regel 19 som fått ett nytt nummer och en ny formulering. Men inga betydelsefulla förändringar rent praktiskt, eller?
Under den gångna vintern har jag och min seglingskompanjon, Sven Wallin, repeterat och fördjupat oss i grundläggande seglingsteori. Förutom att ha kul och upprätthålla seglingsintresset under vintern har syftet varit att skapa en gemensam teoretisk referensram. På så vis undviks missförstånd, meningsskiljaktigheter eller utläggningar mitt under en avgörande kryss på SM.
Detta är del 1 i en artikelserie där jag avser att sammanfatta min egen uppfattning om seglingsteori och aerodynamik. Jag vill framhålla att denna sammanfattning bottnar i välkända och vetenskapligt verifierbara vetenskapliga teorier. All seglingsteori utgår från Newton, Bernoulli, von Euler och Prandtl med flera. Det är på denna grund som senare teoretiker som exempelvis Marchaj och Gentry byggt sin kunskap. Källorna finns angivna under rubriken Referenser.
Ett extra tack till min seglingskompanjon, Sven Wallin, för många bra och klargörande diskussioner. Jag uppskattar alla typer av synpunkter som kan öka min förståelse ytterligare. Tack på förhand.
Sammanfattning
På den högsta abstraktionsnivån handlar segling om att omdirigera luft och vatten.
På nästa abstraktionsnivå handlar segling om att öka luftens hastighet på läsidan och därmed skapa ett statiskt undertryck.
På den tredje abstraktionsnivån handlar segling om att skapa ett laminärt gränsskikt utan turbulens eller avlösning.
Begrepp
Innan jag börjar finns ett antal begrepp och termer som kan underlätta vidare läsning, dessa är:
Fluid => Flytande vätska, till exempel luft och vatten.
Hastighetsgradient => Hastighetsförändring per längdenhet.
Segelplan => Här avses inte ett segelflygplan utan den segelyta som vanligtvis utgörs av en fock och ett storsegel.
Viskositet =>En fluids inre friktion eller enklare sagt vidhäftningsförmåga.
Missförstånd
Teorierna bakom hur ett segel fungerar är inte helt enkla att förstå och låter sig egentligen inte beskrivas i ord. Ett antal förenklingar av något mycket komplext är därför nödvändiga. Det är i dessa förenklingar det finns risk att missförstånd uppkommer. Många böcker och artiklar i ämnet innehåller ett antal aerodynamiska missförstånd. De mest frekventa av dessa är:
Luftens hastighet på seglets läsida är högre än i lovart eftersom den färdas en längre väg längs läsidan.
Två luftpartiklar som träffar förliket samtidigt men åker på var sin sida om seglet når akterliket samtidigt.
Att det enbart är ett undertryck som för båten framåt.
Många artiklar jag hittat går ut på att förklara felaktigheten i ovanstående påståenden. Jag tänkte inte ge mig in på detta. Hädanefter håller jag mig till vad jag förstått som korrekta teorier och tolkningar av aerodynamikens grundlagar.
Newton
1686 publicerade Isaac Newton Principia Mathematica Philosophiae Naturalis som förklarade de tre rörelselagarna. Enligt den tredje rörelselagen påverkar två kroppar alltid varandra med lika stora men motriktade krafter. Förståelse för denna lag är helt centralt för att förstå hur ett segelplan fungerar. När en luftmassa möter ett segelplan påverkar segelplanet luften så att dess riktning ändras. Segelplanet har påverkat luftmassan med en kraft. På samma sätt påverkar luftmassan segelplanet med en lika stor men motriktad kraft. Seglet utövar en kraft på vinden. Och vinden utövar en kraft på seglet. På samma sätt utövar kölen en kraft på vattnet vilket i sin tur utövar en lika stor men motsatt kraft på båten. Vattnet och vinden utövar således krafter på båten som sammanslaget driver båten framåt.
Något förenklat blir seglet, kölen och därmed båten påverkad av två kraftkomponenter. Lift och drag, eller lyft och motstånd som vi säger på svenska. Lyftet är vinkelrätt mot vindens ursprungliga riktning medan motståndet är motsatt vindens riktning. Vad gäller vattnets påverkan så är det oftast inte vattnet utan båten som rör sig. Men principen är densamma. Kölens lyftkraft är vinkelrät mot kölens anfallsvinkel mot vattnet medan motståndet är motsatt kölens anfallsvinkel mot vattnet.
På den högsta abstraktionsnivån handlar segling således om att omdirigera luft och vatten.
Allt segeltrim och bottenslip syftar till att omdirigera luft och vatten på mest optimala sätt.
Bernoulli
1738 presenterade Daniel Bernoulli Hydrodynamica. Ett arbete som behandlar jämvikten mellan tryck och hastighet i ett friktionsfritt flöde. Bernoullis lag säger att:
Där det statiska trycket är gällande lufttryck och det dynamiska trycket det tryck som en strömmande fluid utsätter en kropp för. Detta innebär i sin tur att om fluiden ökar hastigheten (det dynamiska trycket) så sänks det statiska trycket. Bernoullis lag säger alltså även att:
När hastigheten på luften ökar sjunker det statiska lufttrycket och vice versa
På grund av luftens viskositet (som vi kommer till snart) ökar luftens hastighet på läsidan av ett segel. När hastigheten ökar sjunker enligt Bernoullis lag det statiska lufttrycket. Det är denna trycksänkning i lä som tillsammans med motsvarande tryckökning i lovart skapar den lyftande kraften vinkelrätt mot vindens ursprungliga riktning.
På nästa abstraktionsnivå handlar segling således om att öka luftens hastighet på läsidan och därmed skapa ett statiskt undertryck.
Då uppkommer naturligtvis frågan varför, och hur, luftens hastighet ökar på läsidan? Här kommer vi in på viskositet, gränsskiktsteori och därmed Ludwig Prandtl.
Prandtl
1904 presenterade Ludwig Prandtl gränsskiktsteorin vid en matematisk konferens i Tyskland. Denna teori beskriver den stora inverkan som ett tunt fluidskikt runt en kropp orsakar. Detta skikt beskrivs som “gränsskiktet”, eller på engelska “the boundary layer”, och är en av Prandtls stora upptäckter. En förutsättning för att ett gränsskikt ska skapas är att fluiden är viskos. Det är denna egenskap som gör att en kropp (läs segelplan eller köl) kan omdirigera en fluid (läs luft eller vatten).
Viskositet betyder också klibbighet och vi kan tänka oss att luften klibbar fast, eller i alla fall dras till seglets yta på läsidan. Detta är detta som är grunden för att vindens riktning ska ändras. När vindens riktning ändras skapas också gränsskiktet nära seglets yta. Prandtls gränsskiktsteori beskriver hur gränsskiktet beter sig i olika situationer. Gränsskiktet kan vara laminärt, turbulent eller avlöst (stall på engelska). Ett laminärt gränsskikt skapar den högsta hastighetsförändringen och därmed den största lyftkraften.
Vid laminärt flöde är hastighetsgradienten, och därmed skjuvspänningen, inom gränsskiktet betydande. Detta betyder med vanliga ord att luften klibbar fast mer, extremt nära seglet medan den fastnar mindre och mindre ju längre ut i gränsskiktet man kommer. Således har luften högre och högre hastighet ju längre från seglet men inom gränsskiktet man kommer. Utanför gränsskiktet betraktas luften som friktionsfri och här kan Bernoullis lag således tillämpas. Luftens strävan att följa formen på en kropp (läs segel) på grund av dess viskositet (klibbighet) benämns även Coandaeffekten.
På den tredje abstraktionsnivån handlar segling således om att skapa ett laminärt gränsskikt utan turbulens eller avlösning.
Fortsättning
I nästa del av denna artikelserie om seglingsteori tänkte jag gå igenom min tolkning av vortexvirvlar, Reynolds tal och det så kallade Kutta-villkoret. Fokus blir naturligtvis att beskriva deras betydelse för ett segelplan.
Referenser
Lästa:
Dyne, Gilbert. Hur uppstår krafterna på ett segel.
Gentry, Arvel. 1971 The Aerodynamics of Sail Interaction.
Gentry, Arvel. 1976 Studies of Mast Section Aerodynamics.
Gentry, Arvel. 1981 A Review of Modern Sail Theory.
Gentry, Arvel. 2006 The Origins of Lift.
NASA, http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/short.html.
Refererade:
Sir Isaac Newton
Sir Isaac Newton 1643-1727. 1686 Principia Mathematica Philosophiae Naturalis.
Daniel Bernoulli
Daniel Bernoulli 1700-1782. 1738 Hydrodynamica.
Ludwig Prandtl
Ludwig Prandtl 1875-1953. 1934 Applied Hydro- and Aerodynamics.
Idag var jag, Markus och Vickan ute med Carroten i riktiga vårförhållanden. Strålande sol och stabilt skiktad luftmassa. Måns Håkansson skrev om den meteorologiska termen skjuvning i Segling nr 2, 2008. Ute på Askrikefjärden idag rådde ett skolexempel på mycket skjuvning, dvs stabilt skiktad luftmassa. Detta innebär att luften är horisontellt uppdelad i tydliga skikt. Oftast uppstår detta i så kallad varmluftsmassa. Detta är vanligt på våren då vattnet är kallt och luften varmare med höjden. Eftersom varmare luft stiger uppåt ligger den kalla luften nära vattnet stabilt på plats och blandar sig helst inte med övre luftmassor. Detta gör att det kan vara vindstilla vid havsytan medan det blåser några meter upp i riggen. Det är en grymt härlig känsla att susa fram i tre knop på spegelblankt vatten som på bilden. Notera det spegelblanka vattnet i kombination med bogvågen. Molnen i bakgrunden skvallrar även de om den rådande skjuvningen då de är horisontellt breda snarare än vertikalt höga.
Under hösten har det inom kölbåtssfären i Sverige växt fram ett nytt begrepp. Supertrimmet. Myntat av Arne K Larssen som vann SM i Express 2007 och även driver sajten regatta.nu. Som jag förstått det handlar det om att trimma fockskotpunkten i sidled istället för längsled i vissa lägen. Fördelen med detta är att man ändrar anfallsvinkeln på focken istället för att twista den. Detta är enligt Arne ett bättre angreppsätt i hårdvind samt när man behöver växla mellan fart och höjd i knepig sjö. Sidledsförflyttningen av focken behöver givetvis synkas med storseglet. Fördelen med detta är bland annat att man behåller formen på focken och inte tappar kraft genom att twista den onödigt mycket. En av tankarna med mycket twist i svår sjö är ju att oberoende av hur kursen ringlar i vågorna är det alltid någon del av seglet som genererar kraft framåt. Det känns ju rimligt, men med supertrimmet kan man istället anpassa anfallsvinkeln utan att tappa kraft i den del av seglet som är för mycket eller för lite twistad.
När jag tänker efter så finns det egentligen goda argument för såväl mycket twist som förflyttning av skotpunkten i sidled i svår sjö. Mycket twist borde ju vara bra för att ha ett jämnt drag i seglet genom en våg. Den kursförändring som uppstår genom en våg kan man ju knappast hinna parera genom att flytta fock- och storskotpunkt i sidled. Dessutom i synk med varandra. I ett längre perspektiv, över flera vågor, där man behöver mycket kraft i särskilt svåra vågor medan man vill ta extra höjd när vågorna är lugnare borde dock Supertrimmet vara klart bättre än twist.
Arne bevisade onekligen styrkan i Supertrimmet när han på SM i Nynäshan seglade ifrån allt motstånd. Framförallt i förhållanden när sjön var grövre än vinden och dessutom låg med en mindre anfallsvinkel än vinden. Då växlade Arne fart och höjd med supertrimmet medan övriga flottan till största del använde sig av twisten för att hantera den svåra sjön.
Supertrimmet har skapat en stor debatt inom kölbåtssfären i Sverige. Kritiken, framförallt från jolle- och katamaranseglare, har varit att detta inte är någon nyhet. De har nog rätt. Nyheten består snarare i att väldigt få Expresser har en sidgående vagn till fockskotpunkten trots att detta är tillåtet enligt klassregeln. Dessutom rekommenderar North Sails trimguide för Expresser att man twistar för att hantera knepig sjö snarare än att använda sig av en tvärgående skotskena. Arne har hittat ett nytt, eller kanske snarare bortglömt, sätt att justera focktrimmet på Expressen. Han har visat att det verkar ge resultat och dessutom skapat ett marknadsföringsmässigt smart namn åt det. Supertrimmet! Nu återstår bara att se hur många Expresser som kommer till vårcupen med en tvärgående fockskotsskena.
Denna vecka blev jag återigen varse hur vädret verkligen lever om på Västkusten. På väg söderut från Väderöarna, ombord på X-99:an DeZeven (SWE-117), kom ett skolboksexempel på en kallfrontspassage dånande från sydväst. Ett lågtryck hade snabbt fördjupats i Nordsjön och svepte in över Skagerack och Kattegatt med tillhörande kallfront. Fronten skymtades i horisonten ungefär en halvtimme innan den var över oss. Då slog den till med:
Så här såg det ut från Lotsutkiken på Väderöarna dagen innan kallfrontspassagen. Förmodligen har en varmfront nyligen passerat. Vädret är disigt och vi befinner oss i en varmluftsmassa.
