Kod jedrilica stabilitet je vrlo važan, ne samo kao jedno od osnovnih svojstava broda već i kao faktor koji direktno utječe na brzinu jedrilice. Fizikalno gledano stabilitet određuje koliko porivne sile vjetra jedrilica može preuzeti odnosno prihvatiti.
Teoretski, stabilitet je veza između aerodinamike i hidrodinamike sa direktnim uplivom na njih.

Prvi korak u analizi stabiliteta je određivanje težišta istisnine jedrilice (CB). Iz općeg plana jedrilice uzimaju se izmjere težišta pojedinih težina. Težine se svrstavaju u grupe težina prema funkcionalnom kriteriju, a unutar grupe po prostornom.
Za jedrilice se koristi sljedeća podjela grupa težina: trup, interijer, motor, oprema, oputa, balast i promjenjive težine.

Na slici 1.14, osim težišta istisnine (CB) prikazano je i težište mase (CG), te geometrijsko težište jedara (CE).

Slika 1.14 - Prvi korak u analizi stabiliteta je određivanje težišta istisnine jedrilice (CB). Cjelokupna sila u jedrilju očituje se kroz geometrijsko težište jedara (CE). Vrijednost a predstavlja udaljenost težišta istisnine (CB) do geometrijskog težište jedara. Težina jedrilice očituje se kroz težište mase jedrilice (CG). Vrijednost b predstavlja udaljenost težišta istisnine od težišta mase. Pri stabilnom kutu nagiba jedrilice ove vrijednosti čine jednadžbu CE * a = CG * b.

 

Statički stabilitet

Statički stabilitet izražava se momentom unutarnjih sila.

Krivulje stabiliteta imaju četiri kakrakteristike kojima je njihov oblik uglavnom određen:

• metacentarska visina (stabiltet forme i stabilitet težina)
• moment stabiliteta ili poluga stabiliteta
• opseg stabiliteta
• kut nagiba

Kod proračuna stabiliteta jedrilice kod vanjskih momenata najveću ulogu ima moment vjetra, uslijed velikih površina jedara izloženih vjetru. Prema tome kod određivanja površine jedara mora se uzeti u obzir stabilitet jedrilice. Analizira se najnepovoljniji slučaj: jedra postavljena u uzdužnom smjeru jedrilice a smjer puhanja vjetra okomit na površinu jedara.
Kako se ovo razmatranje osniva na statičkom djelovanju momenta vjetra, a realni vjetar puše na mahove (brzina vjetra oscilira), u svakom slučaju treba ispitati i dinamički stabilitet jedrilice. Krivulja momenata statičkog stabiliteta mora imati dovoljan opseg kako bi imala i dovoljnu površinu da preuzme rad momenta vjetra.

Na gornjem dijelu slike 1.16 prikazana je krivulja statičkog momenta stabiliteta prazne jedrilice. Posada povećava moment stabiliteta za oko 10% što je i normalno jer se povećava istisnina jedrilice.

 

Metacentarska visina

Tijekom jedrenja, uslijed djelovanja vjetra i valova, jedrilica se može nagibati oko bilo koje osi. Iako ih ima bezbroj, stabilitet se računa samo za dvije karakteristične osi, uzdužnu i poprečnu. Ukoliko jedrilica ima dovoljan stabilitet kod nagibanja oko uzdužne i poprečne osi, onda će njen stabilitet zadovoljavati i u svim ostalim slučajevima.
Osobito je važan stabilitet kod nagibanja oko uzdužne osi, jer u tom smjeru forma broda pruža najmanji otpor nagibanju.
Položaj uzdužne osi ne ostaje uvijek na istom mjestu, njen položaj se mijenja s kutovima nagiba. U početku nagibanja, ona je definirana sjecištem vodene linije i simetrale jedrilice.

Kao što znamo jedrilica se suprotstavlja djelovanju prekretnih momenata momentom statičkog stabiliteta o kojem ćemo govoriti kasnije.

Slika 1.15 - Na slici je prikazan stabilitet forme i stabilitet težine jedrilice. Kao što je vidljivo sila uzgona, koja predstavlja stabilitet forme, prolazi težištem istisnine (CB), a sila težine koja prolazi težištem mase (CG) prestavlja stabilitet težine. Metacentarska visina točke N definirana je kao sjecište smjera sile uzgona, dakle vertikale iz težišta istisnine (CB) na dotičnu vodenu liniju, sa simetralom jedrilice.

 

Prema Atwoodu stabilitet se može podijeliti na stabilitet forme i stabilitet težina.

Stabilitet forme djeluje nasuprot prekretnim momentima, dakle uspravlja brod. Stabilitet težina djeluje u suprotnom smjeru, dakle potpomaže djelovanje prekretnih sila i smanjuje stabilitet broda. Stabilitet forme bit će veći što je viši položaj metacentra (N) na simetrali jedrilice, te što je niži položaj težišta mase (CG).

U slučaju ako se težište mase nalazi ispod težišta istisnine (CB), kao što je to i slučaj kod jedrilica, onda i stabilitet težina postaje pozitivan, tj. djeluje nasuprot prekretnom momentu i potpomaže djelovanje stabiliteta forme (slika 1.15).

Kako bi mogli odrediti položaj metacentara (N) kod raznih nagiba moramo poznavati položaj težišta istisnine (CB) za te nagibe, jer je metacentar definiran kao sjecište smjera uzgona, dakle vertikale iz težišta istisnine (CB) na dotičnu vodenu liniju, sa simetralom jedrilice. Položaj metacentra (N) ovisi isključivo o formi trupa jedrilice. Zbog toga, projektanti jedrilica nastoje trupu dati takvu formu koja kod nagibanja omogućava što viši položaj metacentra.
Položaj težišta mase (CG) ovisi isključivo o smještaju težina.
Kako bi dobili što veći stabilitet nastojimo da položaj težišta mase bude što niže i upravo zbog toga današnje kobilice imaju najveću težinu što je niže moguće. Praktično sva težina kobilice nalazi se u torpedu (bulbu).

Slika 1.16 - Na gornjem grafu prikazane su krivulje statičkog stabiliteta za dvije različite forme trupa. Vidimo da jedrilica sa plićim i širim trupom ima veliki početni stabilitet od jedrilice sa uskim i dubokim trupom, ali zato, jedrilica sa širokim i plitkim trupom ima i znatno manji opseg stabiliteta.

 

Moment stabiliteta

Moment stabiliteta označava stabilnost jedrilice i izražen je u N/m. Pokazuje tendenciju vraćanja u uspravan položaj nakon što je na jedrilicu djelovao moment nagiba. Kod svih jedrilica ovaj moment je od vitalnog značaja jer nam govori koliku količinu sile u jedrima jedrilica može podnijeti, te do koje mjere je može uspješno pretvarati u gibanje prema naprijed. Jedrilica koja se lakše naginje (manji moment stabiliteta) ima manju potencijalnu brzinu od njoj slične koja se teže naginje u istim uvjetima.
Moment stabiliteta ovisi o kutu nagiba i formi trupa jedrilice.

Kada jedrilica miruje, moment stabiliteta je jednak nuli. Kako se jedrilica naginje, moment stabiliteta se povećava sve dok ne dođe do svoje maksimalne vrijednosti, koja se najčešće pojavljuje kod kuta od oko 45°.

Moment stabiliteta svakog trupa se može prikazati krivuljom stabiliteta, koja prikazuje stabilitet broda ne samo kada je uspravan, već i kada je prevrnut.

Na slici 1.16 možemo vidjeti da širi trupovi imaju veći početni stabilitet, no taj stabilitet kod relativno malog kuta nagiba naglo slabi, dok uži trupovi puno dulje zadržavaju pozitivni stabilitet i imaju relativno mali negativni stabilitet. Također možemo primjetiti da jedrilice sa užim i dubljim trupovima imaju i puno veći opseg stabiliteta tj. uspravljaju se i kod nagiba većih od 120° što nije slučaj sa širim jedrilicama koje imaju relativno plitak trup.

Slika 1.17 - Nagib je jedan od najvažnijih faktora koji utječu na učinkovitost trupa jedrilice. Promjenom nagiba mijenja se oblik površine trupa koja je u kontaktu s vodom a time se mijenja i njegova učinkovitost. 

 

Utjecaj nagiba na učinkovitost trupa

Kao i moment stabiliteta nagib je jedan od najvažnijih faktora koji utječu na učinkovitost trupa jedrilice. Promjenom nagiba mijenja se oblik površine trupa koja je u kontaktu s vodom a time se mijenja i njegova učinkovitost.
Kut nagiba pri kojem trup pruža najbolji učinak ovisit će od jedrilice do jedrilice. Većina malih olimpijskih klasa je konstruirana tako da pružaju najmanji otpor kada su uspravne.

Također, jedrilicu kao što je J24 najbolje je držati uspravno jer ima vrlo laganu kobilicu male površine. Kada se J24, počne pretjerano nagibati kobilica relativno brzo počne gubiti svoju bočnu silu. To je jedan od razloga zašto je težina posade jako važna u ovoj klasi.
Za jedrilice kojima se danas jedri na America’s Cupu težina posade i nije tako važan faktor. Razlog su lagani i vitki trupovi sa koncentracijom težine u kobilici.
Općenito gledajući, po laganom vjetru dobro je nagnuti jedrilicu u zavjetrinu jer se na taj način stvara moment stabiliteta i privjetrinsko kormilo te povećava bočna sila koju stvaraju kobilica i kormilo. Također, ovisno o formi trupa može se i smanjiti površina koja je u dodiru s vodom.
No svako naginjanje preko 20° je pretjerano, zato što je tada pod vodom dio trupa koji za to nije predviđen. Otpor se naglo povećava, a kobilica gubi svoj učinak. Također možemo reći kako će nagibanje imati manji utjecaj na gubitak brzine kod jedrilica s užim i dubljim trupovima nego kod jedrilica sa širim i plićim trupovima.
Dok se jedri sasvim niz vjetar, ponekad je dobro nagnuti jedrilicu u privjetrinu kako bi se neutraliziralo privjetrinsko kormilo i smanjio otpor koji kormilo pruža. Kormilo više neće “vući” u privjetrinu zato što naginjanjem jedrilice u privjetrinu, težište jedara (CE) dovodi iznad težišta istisnine (CB).

Slika 1.18 - Jedrilica treba imati dovoljan opseg stabiliteta kako bi izdržala nagibanje do većih kuteva zbog udarnog djelovanja vjetra. No ponekad, zbog prevelike kinetičke energije nagibanja jedrilica može izgubiti stabilnost i početi nekontrolirano prihvaćati ili otpadati.

 

Dinamički stabilitet

Dinamički stabilitet izražava se radom unutarnjih sila. Mjerodavan je za brodove gdje prekretne sile odnosno momenti djeluju na udare. Kako brzina vjetra uvijek oscilira, dinamički stabilitet je vrlo važan kriterij za jedrilice.
Pretpostavimo slučaj kada na jedrilicu djeluje moment vjetra zbog čega poprima nagib Θ1 za koji je Mvj = Mst. Uslijed udara vjetra brod se počinje naginjati jer je Mvj > Mst, ali ne do kuta Θ2 za koji je opet postignuta jednakost momenata nego još više. Na području kuteva između Θ1 i Θ2 postoji rezulantni momenat Mvj - Mst, čiji se rad trošio na stvaranje kutne brzine jedrilice. Kod postignute ravnoteže Mvj = Mst pri kutu nagiba Θ2, nema djelovanja rezultantnog momenta ali brod posjeduje kinetičku energiju uslijed koje se i dalje naginje. Kako je sada Mvj < Mst jedrilica se opire nagibanju.
Rad koji je sada potreban za savladavanje ovog rezultantnog momenta troši se iz kinetičke energije broda sve dok se ponovo ne izjednače. Pri tome jedrilica postiže nagib Θ3. Površine koje prestavljaju rad rezulantnog momenta od Θ1 do Θ2 i Θ2 do Θ3 moraju biti jednake. Ovaj proces se ponavlja sve dok jedrilica ne poprimi stabilan položaj pri kutu Θ2. Jedrilica mora imati dovoljan opseg stabiliteta kako bi izdržala nagibanje do većih kuteva (Θ3) zbog udarnog djelovanja vjetra (slika 1.19).

Slika 1.19 - Na grafu je prikazana krivulja dinamičkog stabiliteta. Krivulja označena crnom bojom predstavlja moment stabiliteta, a krivulja označena crvenom bojom predstavlja moment vjetra na udar. Kako bi jedrilica mogla izdržati moment vjetra na udar, iscrtane površine koje vidimo na grafu, između dviju krivulja, moraju biti jednakih površina.

iz knjige "Biti brži"

ing. pom. Stjepan Vitaljić