ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΠΑΝΙΩΝ

Δυνάμεις ασκούμενες στα πανιά

Η κίνηση ενός ιστιοφόρου σκάφους επιτυγχάνεται χάρις στις δυνάμεις που ασκεί ο άνεμος στα πανιά του. Οι δυνάμεις αυτές είτε είναι δυνάμεις ώθησης (πλεύση πρίμα) είτε δυνάμεις έλξης (πλεύση όρτσα):

Πλεύση πρίμα
Όταν ο άνεμος έρχεται από το πίσω μέρος του σκάφους (σχ. 1) τότε λέμε ότι ταξιδεύουμε πρύμα. Στην περίπτωση αυτή ο άνεμος ασκεί μία πίεση F1 επάνω στα πανιά η οποία μεταφέρεται στο σκάφος και το κινεί.

Σχ. 1 – Πλεύση πρίμα

Πλεύση όρτσα
Όταν ο άνεμος έρχεται από το μπροστινό μέρος του σκάφους (σχ. 4) τότε λέμε ότι ταξιδεύουμε όρτσα. Σε αυτή την περίπτωση ο αέρας έλκει το σκάφος προς τα μπροστά. Πως γίνεται αυτό;

Νόμος Bernoulli
Αναρωτηθήκατε ποτέ, πως είναι δυνατόν ένα ιστιοφόρο σκάφος, με την βοήθεια μόνο του αέρα και των πανιών του, να κινείται κόντρα στον αέρα; Επίσης αναρωτηθήκατε πως είναι δυνατόν ένα αεροπλάνο, με βάρος πολλών τόνων, να πετά στον ουρανό; Και στις δύο περιπτώσεις αυτό είναι δυνατό χάρις σε ένα φυσικό φαινόμενο το οποίο ανέλυσε και περιέγραψε ο Bernoulli το 1738 μ.Χ.

Σχ. 2

Έστω ότι έχουμε ένα αγωγό Α (σχ. 2) μέσα στο οποίο κινείται ομαλά ένα ρευστό (υγρό ή αέριο). Το ρευστό αυτό θα έχει μία ταχύτητα V1 και μία πίεση P1. Εφόσον ο αγωγός είναι ίδιος σε όλο το μήκος του, η πίεση και η ταχύτητα εντός του αγωγού παραμένει σταθερή.
Αν σε ένα άλλο αγωγό Β υπάρχει σε ένα σημείο του μία στένωση τότε η ταχύτητα και η πίεση μεταβάλλονται και πιο συγκεκριμένα η μεν ταχύτητα αυξάνει η δε πίεση ελαττώνεται. Τι λέει λοιπόν ο νόμος Bernoulli; Σε ένα ρευστό όσο αυξάνει η ταχύτητα του τόσο μειώνεται η πίεση του.

Ας το δούμε τώρα πιο αναλυτικά. Παίρνουμε μία πτέρυγα αεροσκάφους, της οποίας η κάθετη τομή έχει την μορφή που φαίνεται στο σχ. 3. Βάζουμε την πτέρυγα αυτή σε μία ροή ρεύματος αέρα. Αν παρατηρήσουμε δύο μόρια αέρα το Α και το Β τα οποία βρίσκονται στο μπροστινό μέρος της πτέρυγας και τα οποία κινούνται το μεν Α προς την επάνω πλευρά της πτέρυγας το δε Β προς την κάτω πλευρά, τότε θα διαπιστώσουμε ότι το μόριο Α θα πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση από ότι το μόριο Β. Έτσι το μόριο Α εξαναγκάζεται να αυξήσει την ταχύτητα του προκειμένου να φθάσει ταυτόχρονα με το μόριο Β στο τέλος της πτέρυγας. Συνεπώς στην περιοχή (Κ) η ταχύτητα του ρεύματος αέρα είναι μεγαλύτερη η δε πίεση μικρότερη. Αυτό δημιουργεί μία δύναμη (υποπίεση) η οποία <<τραβάει>> την πτέρυγα προς τα επάνω. Η δύναμη αυτή λέγεται άντωση και είναι αυτή χάρις στην οποία τα αεροσκάφη μπορούν να πετούν.

Σχ. 3

Αν αντικαταστήσουμε την πτέρυγα με μία επιφάνεια πανιού ενός ιστιοφόρου της μορφής του σχήματος 4 τότε παρατηρούμε ανάλογα φαινόμενα, Η πίεση που εξασκείται στην επιφάνεια του πανιού (άντωση) είναι κάθετη στην επιφάνεια του. Αν αναλύσουμε αυτή την δύναμη στις συνιστώσες της τότε παρατηρούμε:

Σχ. 4 – Πλεύση όρτσα

Α) Την δύναμη που είναι κάθετη στο σκάφος η οποία εξουδετερώνεται, σε μεγάλο βαθμό, από την αντίσταση της καρίνας του σκάφους ενώ ένα μικρό τμήμα της που δεν εξουδετερώνεται δημιουργεί τον εκπεσμό, δηλαδή μία μικρή μετακίνηση προς το πλάι.
Β) Την δύναμη πρόωσης η οποία κινεί το σκάφος προς τα εμπρός, επιτυγχάνοντας έτσι την κίνηση του, αντίθετα στην ροή του αέρα.

Ο άνεμος πρέπει να συναντά το πανί υπό ορισμένη γωνία η οποία δεν μπορεί να υπερβεί ορισμένα όρια. Αυτή η γωνία πλεύσης, δεξιά και αριστερά από την τελείως αντίθετη στον άνεμο πορεία του σκάφους, στην οποία δεν μπορεί το σκάφος να ιστιοδρομήσει ονομάζεται νεκρός τομέας.

ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΣ ΑΝΕΜΟΣ
Ο άνεμος ο οποίος ασκείται επάνω στα πανιά, όταν το σκάφος είναι σε κίνηση, δεν είναι ο πραγματικός άνεμος αλλά ένας συνδυασμός του πραγματικού ανέμου και της ροής του αέρα η οποία προκαλείται λόγω της ταχύτητας του σκάφους.

Σχ. 5 – Φαινόμενος άνεμος σε όρτσα πλεύση

Σχ. 6 – Φαινόμενος άνεμος σε πλεύση πρίμα

Η ροή αυτή του αέρα είναι ακριβώς αντίθετη της κατεύθυνσης κίνησης του σκάφους και η έντασης της ανάλογη της ταχύτητας του σκάφους. Στο σχήμα 5 μπορούμε να δούμε τις συνιστώσες οι οποίες δημιουργούν τον φαινόμενο άνεμο όταν πλέουμε όρτσα. Σε αυτή την περίπτωση ο φαινόμενος άνεμος έρχεται πιο όρτσα από ότι ο πραγματικός. Επίσης στην περίπτωση αυτή ο φαινόμενος άνεμος είναι μεγαλύτερης έντασης από ότι ο πραγματικός.

Όταν πλέουμε πρίμα (σχ. 6) ο φαινόμενος άνεμος έρχεται και πάλι πιο όρτσα ενώ αντίθετα η ένταση του είναι μικρότερη από αυτήν του πραγματικού άνεμου.