Jadranje hitreje od hitrosti vetra

Čeprav se to na prvi pogled zdi presenetljivo, pa je mogoče z jadrnico pluti hitreje kot je hitrost vetra (pri čemer je seveda voda povsem na miru, ni torej morskih tokov in podobnega, kar bi vplivalo na hitrost jadrnice). Vendar pa to ne velja za tisti najbolj enostaven način jadranja, ko veter piha jadrnici v krmo (to je iz zadnje strani) in ta pluje naprej v smeri vetra. Zakaj?

Veter si predstavimo kot enakomeren tok zraka (nekako tako kot tok vode v rečnem koritu). Ko se veter upre v jadra, ta zmotijo tok vetra, kar povzroči, da na jadra deluje sila v smeri gibanja vetra. Ta sila ima povsem enak izvor kot sila upora zraka. Če bi zrak miroval, po njem pa bi se gibala na primer kroglica, bi sila upora delovala v nasprotni smeri gibanja kroglice. Povsem enako je, če kroglica miruje in se premika zrak okoli nje, t. j. piha veter. Sila je pri tem vedno obrnjena v smeri navideznega vetra, kot ga čuti kroglica (glej sliko).

Levo na sliki je kroglica, ki se giblje v zraku. Nanjo deluje sila upora zraka na desno, nasproti gibanju. Desno na sliki je kroglica, ki miruje, obliva pa jo zrak, ki teče z leve proti desni. Sila upora zraka je tudi tu obrnjena na desno.

Sila je vse večja, večja kot je navidezna hitrost vetra. Kako je torej z jadrnico? Veter naj ji kot že rečeno piha v krmo. Če bo jadrnica počasnejša od vetra, bo navidezni veter imel smer naprej. Sila zračnega upora bo potiskala jadrnico naprej, vse je torej lepo in prav. Če jadrnica pluje natanko tako hitro kot veter, tedaj navideznega vetra ni (jadrnica glede na okolišnji zrak miruje), torej tudi ni sile zračnega upora, ki bi gnala jadrnico naprej. Hitrost vetra je tako najvišja hitrost, ki jo jadrnica s takim načinom jadranja lahko doseže. Ker pa na jadrnico deluje še sila upora vode (jadrnica odriva vodo okoli sebe) v nasprotni smeri gibanja, je končna hitrost manjša. Končno hitrost doseže jadrnica pač tedaj, ko se uravnovesita sila vetra in sila upora vode. Naj še enkrat ponovimo: jadrnica z vetrom v hrbet ne more pluti hitreje od hitrosti vetra!

Vendar pa tako jadrajo le še starinski primerki jadrnic. Ker je ta način jadranja najenostavnejši, so se ga pomorščaki seveda tudi najprej domislili. Takšen način jadranja s kvadratnimi jadri in vetrom v krmo so uporabljale jadrnice vse tja do 18.st., nato pa so jih izpodrinile moderneje zasnovane jadrnice s trikotnimi jadri. Vendar trik ni le v drugačni obliki jader. Pomembno je to, da jadrnice ne plujejo le v smeri vetra, temveč lahko plujejo tudi pravokotno na smer vetra ali celo proti njemu. Kako je to mogoče?

Oglejmo si, kaj se dogaja, ko pluje jadrnica tako kot na gornji sliki (torej proti vetru). Jadra sedaj niso usmerjena pravokotno na trup jadrnice, pač pa so pod kotom. Zaradi vetra se ubočijo, tako da teče zrak po prednji strani jader hitreje kot po notranji strani jader. Tam kjer teče zrak hitreje je pritisk manjši, tam kjer teče zrak počasneje pa večji. Spomnimo se namreč Bernoullijeve enačbe

kjer sta p tlak in v hitrost zraka na notranji strani jader, ter p’ in v’ tlak in hitrost zraka na zunanji strani jader. Vendar se zrak ob notranji strani jader ustavlja, tako da je hitrost zraka na notranji strani jader manjša kot na zunanji. S tem pa je tlak na zunanji strani ustrezno manjši v primeri s tlakom na notranji strani jader. Razlika obeh tlakov nam da silo, ki kaže od notranje strani jader k zunanji, torej vsaj deloma v smeri gibanja jadrnice (bočno silo moramo nekako uravnovesiti, kar jadrnice dosežejo s kobilico – glej tekst v nadaljevanju).

Pojav je povsem podoben tistemu, ki ga opazimo pri letalskih krilih. Tudi tam zrak z različno hitrostjo obliva zgornjo in spodnjo stran kril, ki so oblikovana tako, da je hitrost večja na zgornji strani kril. Zato je tlak spodaj večji kot tlak na zgornji strani krila, razlika tlakov pa ustvari silo, ki uravnoteži silo teže letala (in potnikov v njem).

A nazaj k jadrnici. Pozorno oko bralca seveda opazi, da je hitrost navideznega vetra tem večja, bolj ko je smer v katero pluje jadrnica obrnjena nasproti smeri vetra. Navidezni veter je namreč vektorska vsota smeri vetra in nasprotne smeri plutja jadrnice (glej sliko). Seveda pa večja hitrost navideznega vetra ne pomeni avtomatično tudi, da bo jadrnica plula hitreje. Običajno lahko jadrnice plujejo hitreje v smeri 70 do 80 stopinj glede na smer navideznega vetra, kot bi plule z vetrom v hrbet.

Pri celotnem razglabljanju ne smemo pozabiti pomembne vloge kobilice, ki jo ta igra pri jadranju. Pri plovilih brez kobilice (na primer pri splavu) le te nese le v smeri vetra. Brodolomec na splavu tako lahko pluje le tja, kamor ga nese veter, na samo smer pa lahko vpliva le tako, da s spuščenimi jadri čaka na ugodne razmere. Po podobnem principu so pluli srednjeveški pomorščaki, ki so izkoriščali predvsem smer vetra, niso pa znali jadrati proti vetru. Kobilica poskrbi ravno za to, da plovila ne zanaša v smeri vetra, temveč ga usmerja v plovbo “naprej”. V grobem si lahko pomen kobilice razložimo kar z jabolčno peško. Če jo stisnemo med dva prsta, jo vsota obeh sil izstreli naprej. Podobno bočne sile na kobilico silijo jadrnico v smer naprej. Pri tem je seveda oblika kobilice izredno pomembna in je na America Cup, enem bolj prestižnih jadralskih tekmovanj, tudi dobro varovana skrivnost, ki jo tekmovalci skrbno prikrivajo pred tekmeci.

Kako hitro ob določeni jakosti vetra torej lahko plovejo jadrnice? To je v veliki meri odvisno od same konstrukcije jadrnice, pa tudi od hitrosti vetra. Široke in za bivanje udobne turistične jadrnice navadno ne morejo pluti hitreje kot piha veter. Za razliko od njih lahko hitri katamarani ob zmernem vetru plujejo tudi dvakrat hitreje od hitrosti vetra. Vendar pa se to razmerje med hitrostjo plovila in hitrostjo vetra zmanjša ob višjih hitrostih. Tedaj se namreč poveča upor vode, pa tudi izkoristek moči vetra je manjši.

Tovrstnega, sorazmerno velikega upora vode pa ni pri kopenskih jadrnicah na kolesih ali pa pri jadrnicah, ki drsijo po ledu. Tovrstne jadrnice lahko ob zmernih vetrovih dosežejo tudi 8-kratno hitrost vetra. Najhitrejša tekmovalna kopenska jadrnica je na primer dosegla hitrost kar 160 km/h pri vetru okoli 50 km/h.

Primer kopenske jadrnice.

Več na to temo:
O jadranju I
O jadranju II
Nekoliko bolj šaljiv zapis
O kopenskih jadrnicah

(Jure Zupan)

-