Zeilen is moeilijker dan vliegen. Laat het piloten niet horen, maar echt: bij zeilen heb je te maken met wind én water, terwijl een vliegtuig zich alleen door de lucht verplaatst. Waar een piloot alles moet begrijpen over aerodynamica en alleen bij het opstijgen en landen te maken heeft met de grond, moet de zeiler aerodynamica beheersen én heeft die continu te maken met beweging door het water.
‘Plat voor het lapje’ kun je nog zeilen met een hemd aan een stok: dan gaat het erom met het zeil zo veel mogelijk lucht te vangen en je met de wind mee naar voren te laten blazen. Maar bij alle andere koersen dan voordewinds komt zeiltrim neer op het vormen van het zeil als een vleugel, zodat de wind wordt afgebogen en de zeilboot naar voren geduwd of getrokken wordt.
Vleugelwerking
Bekijk de figuur hierna: doordat de vleugel een beetje scheef staat, wordt de binnenkomende wind naar beneden afgebogen en in elkaar gedrukt. De luchtdruk neemt daardoor toe onder de vleugel. Ook de lucht die bovenlangs stroomt, volgt de vleugel en wordt zo een beetje ‘uitgerekt’. Daarbij wordt de luchtdruk boven de vleugel iets lager. Zo ontstaat onder de vleugel een hogere luchtdruk dan erboven en wordt de vleugel – en daarmee het vliegtuig – omhooggeduwd. Deze kracht heet de liftkracht, of kortweg lift.
Hoe sterker de lucht wordt afgebogen, hoe meer lift er wordt opgewekt. Dat wordt aangegeven met de invalshoek of angle of attack, α in de figuur. Dat houdt natuurlijk wel een keer op: als α groter wordt dan zo’n 15 graden kan de luchtstroom de scherpe bocht niet meer volgen. Aan de bovenkant laat de luchtstroom los van de vleugel (werkelijk ‘loslating’ genoemd), er ontstaat veel turbulentie en het vliegtuig valt als een baksteen uit de lucht.
Het zeil als vleugel
Terug naar de zeilboot : van boven gezien is een zeil een halve vleugel (of een heel erg dunne vleugel met veel welving). Vergelijk de figuur hieronder maar eens met de eerste figuur. Het zeil buigt de wind af en wekt zo aan loefzijde een hoge druk op en aan lijzijde een lage druk. En ook hier gaat het om de lift die zo ontstaat, ten koste van de luchtweerstand of drag. Daarmee is ook het doel van zeiltrim meteen duidelijk: het zeil zo veel mogelijk in een efficiënte vleugelvorm krijgen. Veel lift, weinig drag.
Maar hoe is het dam mogelijk dat je tegen de wind in kunt zeilen? Of, nou ja, richting de wind, want scherper dan zo’n 45 graden aan de ware wind gaat niet echt. Maar het blijft toch geweldig dat je met opkruisen werkelijk naar de wind toe kunt varen, gebruikmakend van diezelfde wind als voortstuwing. In de volgende vijf stappen zie je hoe de vleugelwerking van het zeil ervoor zorgt dat je aan de wind kunt zeilen.
- Het zeil buigt de wind af. De
inkomende wind komt zo’n 30
graden van voren in, maar het
strak aangetrokken zeil kan de
luchtstroom nog net iets verder
naar achteren afbuigen. - Net als bij een vliegtuigvleugel
wekt het vleugelprofiel van het
zeil lift op en ondervindt het
wrijving (drag). - De twee krachten kunnen
opgeteld worden tot een totaalkracht. Die wijst (gelukkig) een
klein beetje naar voren. - Deze kracht wordt via de mast,
verstaging en schoten overgedragen
op de boot. - De totaalkracht heeft een forse
zijwaartse component, die grotendeels wordt gecompenseerd
door de kiel. Er is ook een kleine
voorwaartse component: we
varen naar de wind toe!
Het is duidelijk dat hoog aan de wind zeilen alleen mogelijk is door de vleugelwerking van het zeil, en zelfs bij ruimere koersen werkt het zeil als vleugel en wordt de boot naar voren getrokken door de lift. Kortom: het is essentieel om de lift-dragverhouding zo hoog mogelijk te maken door een efficiënte vleugelvorm. Dat gegeven levert twee
belangrijke vragen op: Wat is een efficiënte vleugelvorm? En: Hoe krijg je het zeil in die vorm?
Het antwoord op deze vragen vind je in de Zeilen Trimgids door Geert Folkertsma. Daarnaast biedt het boek praktische tips over mast- en zeiltrim en gaat het in op de theorie daarachter, zodat je voortaan snel kunt inspelen op veranderende omstandigheden.
Bestel de Zeilen Trimgids hier.
je hebt niet per definitie een vleugelprofiel nodig. Het helpt wel maar de belangrijkste kracht is newton. je verplaatst lucht in een bepaalde richting en de tegengestelde kracht is die je vooruit helpt. In principe kun je tegen de wind in varen met een stuk spaanplaat. Daarom kan een vliegtuig ook onderste boven vliegen. (het helpt natuurlijk wel een profiel want dan buig je meer lucht af namelijk ook die aan de bovenkant van de vleugel).
Kortom de kop klopt niet en het verhaal ten dele
Hallo Ronald, leuke reactie! Een vleugelprofiel is inderdaad niet nodig, maar zoals ik het hier beschrijf vleugel-werking wel. Daarmee bedoel ik dus: het (soepel) afbuigen van luchtstroom, waardoor lift opgewekt wordt. Die lift heb je namelijk wel echt nodig.
En ja, een spaanplaat doet dat ook, maar niet soepel: de lift-dragverhouding is dan niet goed genoeg om te kunnen vliegen; zeilen lukt misschien nog net. Vliegtuigen werkten pas toen Otto Lilienthal vleugelvormen optimaliseerde voor zijn hangglider, en de gebroeders Wright dat toepasten met een efficiënte en lichte motor.
Ik ben het dus niet met je eens dat de kop niet klopt: het gaat wel degelijk om vleugel*werking* die vooral effectief/efficiënt is bij een goede vleugel*vorm*.
Ik nodig je uit om het boek eens te lezen, of misschien een “echt” studieboek over aerodynamica, als je het leuk vindt om het naadje van de kous te weten!
Eens met Ronald Brunt. De kracht die een vliegtuig in de lucht houdt wordt verkregen uit de “downwash”, dat is de luchtkolom die naar beneden afgebogen wordt door de vleugels. Zo kan ook een helikopter stilhangen in de lucht, “hoveren” genoemd, waarbij een hoeveelheid lucht vanaf stilstand naar beneden geblazen wordt. De hovercraft is op dit principe gebaseerd. Dat een vliegtuig een vleugelprofiel heeft is logisch, want zo krijg je de minste wervelingen en “drag”.
Ook met onze zeilboot buigen we lucht af en daaruit volgt een voortstuwende kracht. De “drag’ maken we minimaal door naar de telltales te kijken. Die moeten horizontaal staan en niet wapperen.
Hallo Jan,
Je kunt op verschillende manieren naar liftkracht kijken: gaat het via Newton (de lucht wordt naar beneden afgebogen, dus de vleugel wordt omhoog gedrukt), via Bernoulli (er is onder de vleugel een hogere druk dan erboven, dus de vleugel wordt omhoog gedrukt), of een combinatie? Anders gezegd: is de downwash een oorzaak of gevolg?
Het leuke is dat een helikopter ook gebruikmaakt van lift over een vleugelprofiel. De wieken zijn vleugels, en daar is geen stilstaande lucht: vanuit de wiek gezien komt er veel wind binnen (door het ronddraaien van de rotor/wieken).
De hovercraft is dan weer een heel ander verhaal: daar wordt lucht onder het voertuig gepompt (met de balgen om die druk vast te houden). Die hoge druk onder de ‘boot’ drukt hem omhoog, en de ontsnappende lucht op het (water)oppervlakte zorgt voor weinig wrijving, waardoor de hovercraft echt zweeft. (De ventilators die lucht in het kussen blazen zijn dan weer wel ronddraaiende vleugels, net als bij de helikopter… zo kom je nooit echt van aerodynamica en vleugels af!)
De telltales zijn inderdaad heel handig om te zien of de luchtstroming nog netjes het zeil volgt, of dat er sprake is van overtrek en ‘flow separation’, met turbulentie en minder lift/meer drag tot gevolg. Daarmee ben je er nog niet helemaal: de diepte van het zeil (en plek van grootste bolling) heeft grote invloed op de lift:drag-verhouding.
Ik vind het zelf heel leuk om met die basiskennis aan boord onderweg proberen de zeilen optimaal te trimmen—niet door trimregels uit mijn hoofd te leren of trimtabellen te gebruiken, maar door te beredeneren waar de omstandigheden om vragen!
Het is wonderlijk en opvallend dat bovenstaande stellingen worden verkondigd op deze ingewikkelde manier. Door een zeil/vleugel, of ( sterker ) wat voor lichaam dan ook in wind te plaatsen ontstaat een “vacuum” achter deze lichamen wat er voor zorgt dat ze worden voort gezogen, niet geblazen/ geduwd.
Kijk ook maar eens naar dit filmpje.
https://youtu.be/sYfQ_15KI1M
Beste Geert,
Helaas is het fimpje dat u hier plaatst grotendeels incorrect.
– Het Bernoulli-effect bestaat wel, maar ontstaat bij een (vliegtuig)vleugel of zeil niet door een langere weg. Ten eerste zou het vliegtuig dan niet op de kop kunnen vliegen (wat wel mogelijk is); ten tweede is er niets dat zegt dat een langere weglengte sneller afgelegd moet worden—er is niets dat zegt dat een luchtmolecuul bovenlangs de vleugel op hetzelfde moment achteraan moet komen als een molecuul dat onderlangs gaat. Deze verklaring voor lift is volstrekt onjuist. Het is eerder andersom: doordat er boven de vleugel een lagere druk ontstaat (vanwege afbuiging van de luchtstroom), gaat daar (Bernoulli) de luchtstroom sneller. Lucht boven de vleugel komt zelfs eerder achteraan dan lucht onder de vleugel.
– De actie-reactie pijlen die getekend worden slaan nergens op: de man tekent een “actie” van binnenkomende lucht en “reactie” van naar beneden gebogen lucht. Dit is incorrect: Newtons wet geldt zeker, maar in dit geval is de actie meer “de binnenkomende lucht wordt enigszins naar beneden afgebogen” en de reactie “de vleugel wordt omhoog geduwd”.
Aerodynamica en liftwerking is echt ingewikkeld. In de uitleg in mijn boek heb ik het geprobeerd versimpeld maar wel correct weer te geven. Daarmee is niet alles gezegd en ik veeg wat details onder het tapijt, maar het boek moest over zeilen gaan en niet over aerodynamica.
Helaas zijn veel “theorieen” die de rondte doen versimpeld en *niet* correct, bijvoorbeeld in dit filmpje (waarin de man nota bene toegeeft “ik denk dat het zo zit”). Is dat erg? Als het (onjuiste) begrip tot de juiste acties leidt, in zijn geval bij het vliegen en in ons geval bij het zeilen, misschien niet. Laten we daar dan maar op focussen: wat je er uiteindelijk mee kunt op het water!