Inhoudsopgave
Hoe kan een zeilboot tegen de wind in varen?
Het lijkt gek dat een zeilboot tegen de wind in kan varen, je zou zeggen dat de boot gewoon wegwaait toch? Moderne boten en bijvoorbeeld ijszeilers kunnen zelfs sneller dan de windsnelheid varen, maar hoe kan dat? In dit artikel leggen we het uit.
Een beetje Natuurkunde
Om te kunnen snappen waarom een zeilboot tegen de wind in kan varen ontkomen we niet een een beetje natuurkunde. In werkelijkheid zijn alle natuurkundige verschijnselen rondom het zeilen nog knap ingewikkeld, maar we houden het hier simpel. Je kan ook gewoon een motorboot nemen. Nou ja, de natuurkundige processen van een motor zijn zo mogelijk nog ingewikkelder.
Wind en luchtdeeltjes
Zoals jullie geleerd hebben in het Vaarbewijs Filmpje over meteorologie is wind niks anders dan het verplaatsen van lucht. Maar wat is lucht nou eigenlijk? Lucht is een gas, en een gas bestaat uit allemaal moleculen die een beetje in de rondte dansen. Een molecuul kan je voorstellen als een bolletje, lucht is dus eigenlijk een soort ballenbak van allemaal bewegende ballen.
Hoe meer ballen in een bepaald gebied, hoe zwaarder de lucht en hoe minder ballen hoe lichter de lucht. Gebieden met veel ballen hebben een hoge druk en gebieden met weinig ballen een lage druk. En de balletjes in een gebied met veel balletjes gaan zich verplaatsen naar een gebied met weinig balletjes, omdat daar meer ruimte is. Uiteindelijk zijn er overal ongeveer evenveel balletjes, let maar eens op in de ballenbak bij de IKEA.
Wind is dus eigenijk het verplaatsen van balletjes (luchtmoleculen). Deze balletjes hebben een massa en kunnen een kracht uitoefenen. Gooi maar eens een balletje tegen een kindje in de ballenbak (Tip van Vaarbewijs Filmpjes!). Als je heel veel balletjes in één keer tegen het kindje aangooit dan beweegt het kindje zelfs en valt hij of zij om.
Op dezelfde manier kunnen de luchtdeeltjes ook een kracht uitoefenen op een object als ze er tegenaan blazen.
Ook slagen via Vaarbewijs Filmpjes? Ga naar ons cursusoverzicht.
Voor de wind zeilen
Voor de wind zeilen is niet heel veel anders dan je jas uitvouwen op de fiets. Als de wind van achter komt dan vouw je het zeil zoveel mogelijk uit, zodat je een zo groot mogelijk oppervlakte hebt. Op die manier vang je zoveel mogelijk luchtmoleculen op die tegen het zeil aanwaaien. Omdat deze luchtmoleculen snelheid en massa hebben beweegt het zeil en de boot naar voren. Op deze manier kan je nooit sneller varen dan de windsnelheid, dan zou je immers wegvaren van de luchtmoleculen en kunnen ze nooit meer tegen het zeil aanwaaien.
Nog meer Natuurkunde
Stromende gassen hebben de eigenschap dat hoe sneller de deeltjes in een gas bewegen hoe lager de druk, dat komt omdat er in een gebied met snelstromende moleculen minder luchtmoleculen per kubieke meter zijn. Voor de echte nerds, het gaat om de Wet van Bernoulli. Gewoon vergeten verder. Onthoud dat op plekken waar de lucht snel stroomt er een lage druk is en op plekken waar de lucht langzaam stroomt is er een hoge druk.
Aan de wind zeilen
Als je aan de wind zeilt dan komt de wind van voren. Hoe kan het dan dat je vooruit en dus eigenlijk tegen de wind in zeilt? Zeilen en vliegen zijn gebaseerd op hetzelfde principe. Door de bolling van het zeil worden de luchtdeeltje die aan de lijzijde (de bolle kant) van het zeil komen gedwongen om een langere weg af te leggen. Vergeleken met de luchtdeeltjes die aan de loefzijde langs het zeil gaan.
Het aantal luchtmoleculen blijft hetzelfde. Het is niet zo dat er halverwege de boot meer luchtmoleculen ontstaan. De luchtmoleculen aan de lijzijde hebben dus meer ruimte (er zijn er minder per kubieke meter) dan de luchtdeeltje aan de loefzijde, die dichter op elkaar zitten. Dit betekent dus dat er aan de lijzijde een lagedrukgebiedje zit en aan de loefzijde een hogedruk gebiedje.
En we weten dat de balletjes in een hogedruk de neiging hebben om naar het lagedrukgebied te gaan. Dit betekent dat ze een kracht uitoefenen. Deze kracht veroorzaakt door het drukverschil staat loodrecht op het zeil. En omdat het zeil een beetje scheef staat, is de richting van de kracht schuin naar voren, zoals in onderstaand plaatje aangegeven.
De kracht door het drukverschil die schuin naar voren loopt kan je opdelen in een zijwaartse en een voorwaartse kracht. (Vectoren kan je ontbinden, nou ja laat ook maar…). De zijwaartse kracht zorgt ervoor dat de boot schuin gaat en dat er drift optreedt. Deze component is groter als je hoger aan de wind vaart en verklaart dus ook waarom je dan schuiner gaat en meer drift hebt dan als je bijvoorbeeld halve wind vaart.
De andere component is een voorwaartse kracht en deze zorgt ervoor dat je vooruit gaat! Dus zelfs als de wind van voren komt.
In het plaatje lijkt het alsof de zijwaartse kracht veel groter is dan de voorwaartse kracht (de lengte van de vectoren). Dus waarom verlijer je niet veel sneller dan dat je vooruit gaat? Dat heeft vooral te maken met de kiel en het ontwerp van de boot. De grootte en de vorm van de kiel zorgt er voor dat je zo min mogelijk zijwaarts kan afdrijven en dat er zoveel mogelijk voorwaartse kracht is. Wel zo handig!
Ook slagen via Vaarbewijs Filmpjes? Ga naar ons cursusoverzicht.
