aero- and hydrodynamics of sailing

1. Onderwerpen Aerodynamica Hydrodynamica Kielboten versus zwaardboten plat & rondbodem jachten boottrim trim snelheidstraining stroom & golven

2. Golven Windsnelheid Groote van de Kracht Rompweerstand Telltales Plaats bolling Stand zeil Bolling Twist Stroming Spleet werking vleugelkiel gewichtstrim Water versus lucht trim Polair diagrams Wervels Aspect ratio Spinaker

3. Spinaker

4. Krachten & Snelheid bovenaanzicht Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden WIND

5. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt WIND

6. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz F_lateraalopp Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt WIND

7. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz F_lateraalopp V_opzij Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt WIND

8. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt V_opzij WIND

9. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt V_voorwaarts V_opzij WIND

10. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt V_voorwaarts V_opzij WIND

11. Krachten & Snelheid bovenaanzicht F_fok F_gz F_lateraalopp Krachten, Koppels, Vectoren, Ontbinden kracht: - richting - Grootte - Aangrijpingspunt V_voorwaarts V_opzij WIND

12. krachten zij- en achter aanzicht Dynamische & Statische evenwichten

13. krachten zij- en achter aanzicht Dynamische & Statische evenwichten zeilpunt drukpunt lateraalpunt zwaartepunt

14. Terminologie F zeil WIND

15. Terminologie Weerstand (Drag) Lift F zeil WIND

16. Terminologie Weerstand (Drag) F zijwaards F voorwaards Lift F zeil WIND

17. Krachten uit evenwicht & roerwerking F_fok F_gz F_lateraalopp V_voorwaarts V_opzij weinig roeruitslag = veel sturen & weinig remmen WIND

18. Sturend en remmend effect roer 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 0 90 0 n

19. Sturend en remmend effect roer 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 0 totaalkracht ( ) n 90 0 n

20. Sturend en remmend effect roer 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 0 totaalkracht ( ) n remkracht ( ) n 90 0 n

21. Sturend en remmend effect roer 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 0 totaalkracht ( ) n remkracht ( ) n stuurkracht ( ) n 90 0 n

22. Schijnbare wind V boot

23. Schijnbare wind V boot

24. Een Vlaag V boot

25. V boot

26. 3D ontbinden in vectoren

27. 3D krachten en vectoren

28. 3D krachten en vectoren

29. 3D krachten en vectoren

30. 3D krachten en vectoren

31. Oploevend koppel als het jacht helt Sturen met gewicht

32. Vraag Hoe groot (in kg) zijn de krachten in het zeil?

33. Grootte van de krachten 150 kg met een gemiddelde hefboom van 1.75 m 75 kg met een gemiddelde hefboom van 3.50 m

34. Krachtenstelling Het streven is naar maximale aerodynamische krachten en minimale hydrodynamische krachten? Op zeeniveau staat er 1kg druk op iedere cm 2 . Voor 75 kg bij een oppervlak van 10 m 2 (=100.000 cm 2 ) is dus slecht een drukverschil van 75/100.000 = .00075 of 0.075% nodig (Bij vliegtuigen ligt dit in de orde van 5%)

36. Laminaire & Turbulente stroming afstand tot oppervlak snelheid stroming

37. Laminaire stroming afstand tot oppervlak snelheid stroming Geen vertikale component!

38. Turbulente stroming afstand tot oppervlak snelheid stroming Grote vertikale component

39. Loslaten van de lij stroming WIND

40. Loslaten van de lij stroming WIND WIND

41. Loslaten van de lij stroming WIND WIND WIND

42. Maximale kracht bij verschillende windsnelheden F max V Wind laminair Turbulent Overtrokken 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

43. Bol oppervlak bij verschillende invalshoeken WIND totaal kracht hoek van inval 10 o 0 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o 70 o 80 o 90 o 0 o 10 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o 70 o 80 o 90 o

44. Lift en Weerstand WIND LIFT WEERSTAND

45. LIFT DRAG o

46. LIFT DRAG o 5

47. LIFT DRAG o 5 10

48. LIFT DRAG o 5 10 15

49. LIFT DRAG 90 o 5 10 15 19,3 20

50. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25

51. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30

52. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40

53. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50

54. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60

55. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70

56. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80

57. LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

58. Lift versus Weerstand AR > 4:1 LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

59. DRAG Opgave!!! LIFT o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

60. DRAG Opgave!!! LIFT o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

61. DRAG Opgave!!! Raakpunt !!! LIFT o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

62. LIFT DRAG Opgave!!! Raakpunt !!! o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

63. LIFT DRAG Opgave!!! Raakpunt !!! o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

64. DRAG Opgave!!! LIFT ? o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

65. loef & Lij stroming WIND Zeil verzorgt de middelpunt zoekende kracht van de luchtdeeltjes

66. Loef en Lij krachten WIND

67. Start wervel WIND WIND

68. WIND Kutta Condition

69. WIND Kutta Condition

70. WIND Kutta Condition

71. Circulatie stroming WIND

72. Stroming bij loeflijk WIND

73. Gesuperponeerde circulatiestroming

74. Upwash

75. Gecombineerd tuig WIND Circulatie stroming optellen bij de wind!

76. Gecombineerd tuig WIND Effect: Meer upwash CSF: Afmeting spleet Circulatie stroming optellen bij de wind!

78. 9.1 +4.9 o 9.5 +10.6 o 10.8 +10.2 o 11.0 +5.7 o 8.4 +2.4 o 5.7 +16.2 o 13.7 +4.0 o 11.8 +1.5 o 8.8 -4.7 o 9.6 -13.3 o 11.4 -10.0 o 11.3 - 4.5 o 9.5 -4.5 o 9.8 - 6.4 o 10.2 - 6.2 o 10.6 - 4.9 o 10 Knots

79. Tell Tales WIND

80. Windprofiel Hoogte Windsnelheid Turbulent = vlagerig Stabiel = geen verticale component

81. Twist

82. Twist Werkelijke windverschillen op verschillende hoogte veroorzaken verschillende invalshoeken schijnbare wind Top sectie heeft een grotere voorwaarts gerichte component

83. Twist Werkelijke windverschillen op verschillende hoogte veroorzaken verschillende invalshoeken schijnbare wind Gebruik tell tales en streamers om de trim te beoordelen Top sectie heeft een grotere voorwaarts gerichte component Wat is overigens het effect van de genua op de “schijnbare” wind bij het grootzeil bij een 3/4 tuig?

84. Twist Juist aan de wind varen Trim fok Trim grootzeil Spleetwerking

85. Tip wervels Vraag: Wat is hier aan te doen?

86. Stuwdruk gewelfde plaat 1/10 Windsnelheid 5 m/s 10 m/s 15 m/s 20 m/s 25 m/s Windkracht 3 5 7 9 10 Stuwkracht / m2 2.35 kg 9.45 kg 21.26 kg 37.8 kg 59.1 kg 0.03 pk 0.13 pk 0.28 pk 0.50 pk 0.79 pk

87. Reynolds Rho*V*L/Mu

88. Reynolds II

89. verschillende bollingen bij verschillende invalshoeken 0 o 10 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o 70 o 80 o 90 o totaal kracht hoek van inval

90. 21 o 37 o 61 o 68 o WIND

91. LIFT DRAG

92. Pompen LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

93. verschillende bollingen F max V Wind 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

94. Trim aspecten Diepte Bolling Plaats bolling Invalshoek Wanneer is welke vorm het gunstigst?

95. LIFT DRAG 0 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

96. Aspect Ratio = Lengte mast / Opp Zweefvliegtuig: 30:1 - 40:1 Jacht: 6:1 2:1 6:1 15:1 2

97. Aspect Ratio LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90 LIFT DRAG o 5 10 15 38 20 25 30 40 50 60 70 80 90 35 2:1 >4:1 Welk zeil heeft standaard een laag aspect ratio?

98. Effectief zeiloppervlak Oorzaak: - Toenemende windsnelheid van beneden naar boven - grotere voorwaartse kracht component boven - kwadratische afhankelijkheid rendement zeil van de windsnelheid

100. Spinaker Stroming door spinaker geeft beste resultaat Ook in de Spinaker kunnen tell tales de moeite waard zijn

101. Karman Wervels Vaak oorzaak van rollen Asymetrisch trimmen of gat in het midden van de spi

104. Rompsnelheid versus stuwkracht F stuw V romp Water verplaatsing Planeren

105. Golfpatronen

106. Golfpatronen

107. Golfpatronen

108. Click here to type page title laminaire Stroming Turbulente Stroming loslatende stroming

109. Rompsnelheid versus stuwkracht F stuw V romp vorm wrijving drift lucht opwaartse druk

111. NACA profielen NACA 0018 NACA 0015 NACA 0012 NACA 0009

112. Click here to type page title 0018 0015 0009 0012 Hoek van aanstromen LIFT

113. NACA profielen LIFT DRAG o 5 10 15 19,3 20 25 30 40 50 60 70 80 90

114. NACA profielen LIFT DRAG 0009 0012 0015 0018

115. NACA profielen Karman Wervels

116. eindplaat effect (kiel & zwaard) - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + Oorzaken: - over- en onderdruk - helling van de boot

117. Tip wervels Vraag: Wat is hier aan te doen?

118. eindplaat effect (vliegtuigvleugel)

119. eindplaat effect (kiel & zwaard)

120. eindplaat effect (kiel & zwaard) - - - - - - - + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + Speelt dit nu ook met zeilen ???

121. Eindplaat effect o graden 15 graden 30 graden

122. Stelling De australia heeft niet door haar vleugelkiel de America's Cup gewonnen

123. Golf - Kiel interaktie

124. Golf - Kiel interaktie

125. Plat- en Rondbodems

126. Typen Trim Romp trim statische mast trim dynamische mast trim zwaard trim roer trim grootzeil trim fok trim Spinaker trim gewichts trim

127. Trim variabelen Grootzeil Zeilvorm invalshoek plaats bolling diepte bolling twist Trim mogelijkheden valspanning schootspanning neerhouder traffeler onderlijk spanning flattening reef cunningham Mastbuiging

128. Trim variabelen Fok Zeilvorm invalshoek plaats bolling diepte bolling twist Trim mogelijkheden valspanning schootspanning barber holer positie lijoog

129. Trim variabelen Spinaker Zeilvorm invalshoek vertikaal invalshoek horizontaal plaats invallen schoothoeken t.o.v. elkaar Trim mogelijkheden valspanning schootspanning stand spi-boom horizontaal stand spi-boom vertikaal

130. Trim variabelen Spleetwerking Zeilvorm Trim fok/genua Trim Grootzeil Trim Mast Afmeting spleet Trim mogelijkheden

131. Onderwater oppervlakken Wat voor gewichtstrim en wanneer?

132. Effect van niet vlakke gewichtstrim Gunstig of ongunstig of met andere woorden, waar komt de wind vandaan ?

133. Rondbodems, Nat oppervlak

134. Type vaar- & voertuigen Surfplank Midzwaard boot Kielboot Kieljacht Catamaran 18 foot skiff IJs zeiler Zweefvliegtuig 15 10 10 10 10 10 3-4 0.5 25 20 20 15 15 10 3-4 0.5 40 30 30 25 25 20 7 1 verlijer hoek Hoek met schijnbare wind Totaal rendement

135. Snelheidstraining Meten is weten Twee boten tegen elkaar Wie schrijft die blijft Verander een (1) ding tegelijkertijd Ga uit van een basis instelling Let op het belang andere aspecten (bewegen bemanning, sturen door de stuurman, etc.), de teams moeten dus zeer gelijkwaardig zijn

136. Type vaar- & voertuigen Surfplank Midzwaard boot Kielboot Kieljacht Catamaran 18 foot skiff IJs zeiler Zweefvliegtuig Zeil levert opwaardse kracht Gemakkelijk planee door rompvorm en gewicht Maximale snelheid beperkt door bootlengte idem kielboot + zeer hoog rendement aan de wind Specifiek planee door geringe hoogte eigen golf Planneert op alle koersen, kan sneller dan de wind Haalt snelheden >> windsnelheid Vleugel profiel niet voor 2 kanten geschikt Specifieke Aero- en Hydro dynamische eigenschappen

137. Vlinder Diagram Maximale snelheid bij heersende condities

138. Vlinder Diagram II met spinaker

139. Vlinder Diagram III met spinaker Diagram bij verschillende windsterkten

140. Velocity made good (VMG) richting VMG Aan de wind richting VMG voor de wind 45-50 graden 150-170 graden

141. VMG in een 10 graden windshift richting VMG aan de wind richting VMG voor de wind 43 graden 55-60 graden 10 graden windshift 145 graden

142. VMG in een 20 graden windshift richting VMG aan de wind richting VMG voor de wind 41 graden 65 graden 20 graden windshift 135 graden

143. Golven snelheid = 2.32 X golflengte

144. Branding Invloed: tot op de helft van de golflengte diep

145. Golven, maximale hoogte Golfhoogte: maximaal 10% van golflengte

146. Golven WIND Aan de wind Voor de wind en sneller dan de golven Voor de wind en langzamer dan de golven Golftop Golftop Golftop Golftop Halve wind

147. Golven WIND Aan de wind Voor de wind en sneller dan de golven Voor de wind en langzamer dan de golven Golftop Golftop Golftop Golftop Halve wind

148. 40 O aan de wind geeft geprojecteerde golflengte van 12 * 1/cos (40) = 15.7 m 24 o 2m 15.7 m Golfsnelheid = 2.32 X golflengte = 2.32 X 12 = 8 knoop VMG = cos (40 O ) X 6 knoop = 4.6 knoop Snelheid t.o.v. golfpatroon = golfsnelheid + VMG = 12,6 knoop = 22,7 Km/u= 6.3 m/s Bij een golflengte van 12 meter wordt dus ieder 2 seconde een golf genomen De golfkarakteristieken 26 o 2m 12 m

149. 2m 15.7 m over de golf: in 1 seconde 12 * sin (52) = 9.5 m/s extra snelheid door het dal: in 1 seconde 12 * sin (52) = 9.5 m/s minder snelheid het gedrag van de boot

150. V boot 11 O V +top V wind V boot V +dal V wind 23 O het effect in de top van de mast

151. V boot 6 O V +top V wind V boot V +dal V wind 8 O het effect halverwege de mast

152. Verdere Effecten Nog niet meegenomen zijn: - Het vertragen en versnellen van de boot door het golf op en golf af varen - Het vertragen en versnellen van de boot door de bewegingsrichting van de waterdeeltjes in een golf - Het opzij zetten van de boeg doordat de golf onder een hoek van 40 O invalt - Het veranderen van de zeiltrim door dynamische spanningen op de stagen