De wetenschap van het zeilen: Deel 2
De oorsprong en aard van aerodynamische en hydrodynamische lift en weerstand

Inspiratie

(notitie van Pieter)

‘De wetenschap van het zeilen’ deel 2 is getiteld: ‘De oorsprong en aard van aerodynamische en hydrodynamische lift en weerstand’. Het is gewijd aan de lift- en weerstandskrachten die werken op een vaartuig dat wordt voortgestuwd door zeilen. Het bestaat uit de hoofdstukken 5 en 6 van het volledige werk.

In deel 1 werden vergelijkingen afgeleid waaruit bleek dat de snelheid van zeilvaartuigen vooral wordt bepaald door de aerodynamische en hydrodynamische lift- en weerstandskrachten. Het is dus van belang dat degenen die betrokken zijn bij het ontwerp van door de wind aangedreven vaartuigen een grondig inzicht hebben in de oorsprong en de aard van de lift en weerstand die de stroming van lucht en water uitoefenen, en bovendien kennis bezitten over hoe hoge liftniveaus en lage weerstandsniveaus kunnen worden verkregen. De inspiratie voor deel 2 dat de hoofdstukken 5 en 6 omvat, was de noodzaak om het ontstaan en de aard van aerodynamische en hydrodynamische lift (hoofdstuk 5) en weerstand (hoofdstuk 6) uit te leggen.

Hoofdstuk 5 begint met een beschrijving van het ontstaan en de aard van aerodynamische en hydrodynamische lift en beschrijft hoe lift op een lichaam wordt ontwikkeld. Dit wordt gevolgd door een afleiding van de Bernoullivergelijking die snelheid en druk langs een stroomlijn in de stroming met elkaar in verband brengt, en een beschrijving van enkele eigenschappen van de drukverdeling op een lichaam. Vervolgens wordt het concept van een ideale vloeistof geïntroduceerd, gevolgd door een beknopte beschrijving van klassieke potentiaalstroming: de theorie waarmee de ontwikkeling van een liftkracht op een lichaam met circulatie eromheen kan worden verklaard en berekend. De integratie van de drukverdeling rond bijvoorbeeld een cilinder leidt volgens deze theorie tot de grootte van de liftkracht als functie van de circulatiesterkte eromheen, waarvan de zogenaamde stelling van Kutta-Joukowski wordt afgeleid die het verband tussen lift en circulatie uitdrukt. Ook wordt een methode beschreven om de richting van de liftvector te bepalen voor het driedimensionale geval waarin deze richting (soms) niet zo voor de hand ligt, zoals in het geval van zeilvaartuigen. Ten slotte wordt ingegaan op de voortdurende discussie tussen aerodynamici over de juiste en onjuiste verklaring voor het ontstaan van lift.

Hoofdstuk 6 behandelt de basisaspecten van aerodynamische en hydrodynamische weerstand en zijn componenten. Veel van het behandelde onderwerp is van algemene aard, van toepassing op alle vaartuigen, jachten en schepen. De nadruk in dit hoofdstuk ligt meer specifiek op scheepslichamen die in de buurt van het grensvlak tussen lucht en water opereren dan het geval is in hoofdstuk 5. De reden hiervoor is dat lichamen in de buurt van het lucht-watergrensvlak weerstandscomponenten bezitten die niet voorkomen wanneer ze volledig in de lucht opereren of wanneer ze diep onder water zijn. De onderzoekers die in de eerste plaats verantwoordelijk waren voor de verdere ontwikkeling van ons begrip van aerodynamische en hydrodynamische lift waren, op enkele uitzonderingen na, aerodynamici. Dit is niet het geval bij de aerodynamische en hydrodynamische weerstand. Het onderwerp dat door de meeste werkers op dit gebied nog steeds ‘resistance’ wordt genoemd (in plaats van ‘drag’), is voornamelijk ontwikkeld door scheepsgeoriënteerde hydrodynamici en scheepsarchitecten. De reden hiervoor is dat de prestaties van schepen in het bijzonder worden bepaald door de krachten die de voorwaartse beweging tegenwerken (meer dan in het geval van vliegtuigen), en dat de sleutel tot het oplossen van prestatieproblemen van schepen een diepgaande kennis vereist van de zo goed mogelijke vorm van rompen en rompaanhangsels in relatie tot hun weerstandseigenschappen. De aerodynamische en hydrodynamische weerstand wordt daarom behandeld vanuit het perspectief van de hydrodynamicus en de scheepsarchitect, hoewel veel van de behandelde onderwerpen ook van belang zijn voor de weerstand van zeilen, masten en tuigage.

Een groot deel van hoofdstuk 6 is gewijd aan een beschrijving van de extra weerstand die optreedt wanneer de romp een niet-nul-combinatie van helling, drift en trim aanneemt. Dit is vooral van belang voor zeilvaartuigen, die op elke koers ten opzichte van de windrichting helling maken en een zekere mate van drift hebben. Deze extra weerstand wordt in het algemeen de weerstand door de lichaamshouding genoemd. Een van de hoofdcomponenten van de weerstand als gevolg van de lichaamshouding houdt verband met de lift die door de romp, de kiel en het roer wordt opgewekt, zodra deze een niet-nul-invalshoek ten opzichte van de inkomende stroming aannemen. Deze specifieke weerstandscomponent wordt lift-geïnduceerde weerstand genoemd. De oorsprong en de aard van deze component worden in enig detail besproken. Ten slotte wordt een grafiek gepresenteerd waarin de totale weerstand, zoals die wordt aangetroffen bij een schip dat in golven vaart, wordt verdeeld in de verschillende componenten op basis van hun afhankelijkheid van het getal van Reynolds en van Froude, en naargelang ze op afschuiving of op druk zijn gebaseerd.