Voor zeilers in het verre verleden was het ondoenlijk om tegen de wind in te zeilen. Daar draaien we nu onze hand niet meer voor om. Sterker nog: we kunnen zelfs snéller dan de wind.
In het oude Egypte gebruikten zeilschippers de heersende noordelijke winden door op hun schepen met grote razeilen de stroming van de Nijl te trotseren. Op de terugreis zorgde een diep gestoken zwaard en handig stuurwerk voor genoeg lateraal oppervlak om terug te drijven. ‘Werkt de wind niet mee, dan gebruiken we de stroom wel’, was het idee. Tegen de wind in zeilen werd voor onmogelijk gehouden. Ruim vierduizend jaar later varen we met een Ski sensationeel aan de wind op een ruimewindse koers. Een ware windhoek van 150° met de zeilen strak aangetrokken. We zeilen sneller dan de wind.
De introductie van het langsgetuigde scheepstype was een doorbraak voor onze obsessie voor het alsmaar sneller willen zeilen. Ten eerste zorgde de overgang van dwarstuig naar langstuig ervoor dat we hogere koersen konden gaan varen. Maar het stond ook voor de ontdekking’ van de liftkracht. Fungeerde het oude dwarstuig met zijn ‘stuwzeilen’ nog voornamelijk door de achter inkomende wind grotendeels in het zeildoek stil te leggen, de nieuwe gepro␣leerde zeilen van het langstuig konden op hogere koersen aanzienlijk beter gebruikmaken van het ‘ombuigen’ van de schijnbare wind. Liftkracht is het resultaat.
Liftkracht
Zonder al te ver uit te weiden over de complexe materie van de aerodynamica is het wel van belang om te begrijpen waar liftkracht vandaan komt en hoe we daardoor in de juiste omstandigheden en met de snelste boottypen sneller kunnen zeilen dan de wind. De stroom van lucht langs het zeil bestaat uit een constante som van statische druk en stuwdruk. Ofwel: druk en snelheid. Neemt de een toe, dan daalt de ander – en andersom. Door het pro␣el van het zeil buigen de luchtstromen langs het zeil. Aan de lijzijde ontstaat een vernauwende luchtverdunning, waardoor de lucht daar sneller zal gaan bewegen. De luchtstroom zorgt voor een sleurende kracht en door de verminderde druk wordt het ␣exibele zeildoek in pro␣el getrokken. Bij een perfecte trim is de ‘sleur’ van de lift één tot anderhalf keer zo groot als de duwkracht in het zeil aan de loefzijde. Daarbij is het belangrijk dat de invalshoek tussen de vijf en twintig graden is. Verder is er natuurlijk nog een scala aan trimmogelijkheden om het pro␣el te kunnen perfectioneren. Wordt de invalshoek te klein, dan zal het zeil gaan killen en ontstaat turbulentie. Ook bij een te grote hoek zal de luchtstroom al snel van het zeil afbreken, waardoor turbulentie ontstaat en de reectiviteit van de liftkracht vermindert. Met de juiste schijnbare windhoek tot het zeil ondergaat de omgebogen luchtstroom dus een versnelling, waardoor de optimale liftkracht wordt gecreëerd.
Weerstand
Alle krachten die op het zeil inwerken, vormen samen de zeilkracht. Bij bovenwindse koersen zal dit meer uit liftkracht bestaan, terwijl bij koersen ‘plat voor de lap’ de liftkracht compleet vervangen is door pure duwkracht. Afgezien van voor de wind zal op alle koersen de zeilkracht niet parallel lopen met de lengterichting van de romp. Daarom hebben we lateraal vlak onder water nodig om de zijwaartse krachten tegen te gaan. Met een liftkracht vanuit kiel of zwaarden is het plaatje compleet en creëren de krachten een totale voortstuwende beweging. Deze beweging wordt echter beperkt door de weerstanden die invloed hebben op de zeil(en) en de romp(en). Zowel boven als onder water bieden vorm en wrijving van respectievelijk zeil en romp weerstand. Daarnaast wordt haaks op de liftkracht eveneens geïnduceerde weerstand opgewekt, zowel door de zeilen als door de kiel of zwaarden. Ten slotte zijn de meeste zeilboten ook gelimiteerd aan hun theoretische rompsnelheid.
Natuurlijk zijn deze weerstanden te minimaliseren. De grootste winst is te pakken op de romp. Immers, de stroperigheid van water is zeventig keer groter dan die van lucht, en de weerstand is maar liefst 816 keer groter. Het is dus zaak om zoveel mogelijk oppervlak uit het water te krijgen. Dit zien we onder andere bij catamarans en planerende rompen. Voor ijszeilers is de rompweerstand echt als een mes door de boter. Het zijn dan ook de laatste twee soorten zeilboten die gemakkelijk de snelheid van de wind en sneller kunnen bereiken. Ervan uitgaand dat de zeilen een degelijk profiel hebben en juist worden bediend, blijkt het verkleinen en optimaliseren van het onderwaterschip van groter belang voor de eerste stappen naar het sneller kunnen zeilen dan de wind.
Ware schijn
Naarmate een zeilboot sneller gaat zeilen op een constante koers wordt de hoek tussen de ware wind en de schijnbare wind groter. In theorie betekent dit dat we bij nul graden niet vooruit komen. Is het verschil tussen ware en schijnbare wind 45 graden, dan varen we even snel als de wind. Elke hoek daarboven betekent dat de windsnelheid overschreden is. Met een nog grotere hoek kan de bootsnelheid theoretisch oneindig veel groter worden dan de ware wind.
Met driehoekvergelijkingen is dit te visualiseren en kan de tabel worden opgemaakt (zie tabel en figuur). Zelfs bij ruimere koersen kan het zo met voldoende snelheid nog nodig zijn de schoten flink aan te halen. Voor de wind en in de wind waren nog nooit zo innig. Hiervoor worden de eisen aan de romp en zeilen natuurlijk wel steeds hoger. In de praktijk zullen alleen wedstrijdboten te maken krijgen met een snelheid die vele malen hoger is dan de ware windsnelheid. Zo varen de catamarans van de America’s Cup World Series bovenwinds 1,2 keer en benedenwinds 1,6 sneller dan de wind. IJszeilers ‘varen’ tot wel zes keer de snelheid van de ware wind.
Sneller varen dan de tegenstander, sneller dan we ooit gedaan hebben, het snelst de wereld rond, het vierentwintiguursrecord, sneller dan de wind. De recordpogingen stapelen zich op. De obsessie van het snel varen speelt op alle niveaus. En het spel om alsmaar sneller te zeilen dan de wind gaat om wie de regels van de juiste lift en de minste weerstand het best begrijpt. Bij het ene is meer winst te behalen boven water, terwijl het andere onder water het meeste kan uitmaken. Maar de wisselwerking blijft het belangrijkst.
Tags: zeilen Last modified: 6 mei 2021
