Del 1 av 20 – 100 frågor om elbåtar och bärplan

Vi börjar med grunderna. Vad är det egentligen som får en båt att lyfta ur vattnet? Hur kan skillnaden i energiförbrukning mellan en planande och en foilande båt bli så stor? Varför använder olika konstruktioner olika antal bärplan? Och varför har tekniken inte fått större spridning tidigare?

1. Hur fungerar en bärplansbåt?

En bärplansbåt har vingar som arbetar under vattnet. När båten får tillräcklig fart skapar vingarna lyftkraft som bär båtens vikt och lyfter skrovet ur vattnet. Vingarna är förbundna med båten genom vertikala, bärande delar som vi här kallar bärplansben.

På moderna system med helt nedsänkta bärplan befinner sig vingarna under vattenytan medan själva båten lyfts ovanför den. Vågor kan då passera mellan vingarna och skrovet.

Grundprincipen är densamma som för andra vingar. En flygplansvinge arbetar i luft, ett segel arbetar i luft, en propeller arbetar i vatten och ett bärplan arbetar i vatten. Formen, storleken och anfallsvinkeln tillsammans med hastigheten genom mediet avgör vilka krafter vingen skapar.

Man kan därför säga att båten flyger ovanför vattnet medan vingarna flyger genom vattnet.

2. Varför drar vanliga motorbåtar så mycket energi?

Frågan är lite bakvänt formulerad. Eftersom den kommer ur vår AI-sammanställning av frågor från nätet tolkar vi den egentligen som:

Hur kan det vara så stor skillnad i energiförbrukning mellan en planande båt och en bärplansbåt?

För att förstå skillnaden behöver vi först titta på hur en planande båt bär sin vikt. En planande båt har en relativt stor skrovyta i kontakt med vattnet. När båten rör sig framåt uppstår friktionsmotstånd längs den våta ytan. Samtidigt måste skrovet skapa den kraft som håller båten uppe genom att påverka och accelerera vatten. Det skapar tryckmotstånd, spray och ett vågmönster runt och bakom båten. Allt detta kräver energi.

Ett bärplan löser samma grunduppgift – att bära båtens vikt – på ett helt annat sätt. En vinge behöver bara en liten yta i vattnet för att skapa mycket stor lyftkraft. Det beror på att den inte bara fungerar som en plan yta som trycker vatten nedåt. Hela vingprofilen påverkar strömningen. På undersidan bidrar ett högre tryck till lyftkraften, men en stor del av lyftet skapas också av det lägre trycket över vingens ovansida. I många fall står ovansidan för den större delen av lyftkraften.

Det är en viktig principiell skillnad mot en planande skrovbotten. Vingen arbetar med strömningen på båda sidor och kan därför använda en mycket mindre våt yta för att bära samma vikt.

Både den planande båten och bärplanet måste samtidigt ge vattnet en nedåtriktad rörelse för att få en uppåtriktad kraft som bär båten. Skillnaden är hur de gör det. Ett planande skrov arbetar direkt i vattenytan och påverkar en relativt begränsad vattenvolym ganska kraftigt. Vatten förflyttas både nedåt och åt sidorna och en del av energin lämnar båten som spray och ytvågor.

Ett helt nedsänkt bärplan arbetar annorlunda. Vingprofilen påverkar en betydligt större vattenvolym runt både över- och undersidan och får den att ändra riktning något nedåt. När vingen påverkar vattnet nedåt reagerar vattnet på vingen med en kraft åt motsatt håll. Den kraften förs genom bärplansbenet upp till båten. Den största delen av kraften används för att bära båten, medan en mindre del verkar bakåt och utgör motstånd.

Det viktiga är att samma lyftkraft kan skapas på olika sätt: man kan påverka lite vatten mycket, eller mycket vatten lite. Ur energisynpunkt är det senare effektivare. Om en stor vattenmassa bara behöver få en liten nedåtriktad hastighetsförändring går mindre energi förlorad än om en mindre vattenmassa måste accelereras kraftigt.

Bärplanet arbetar dessutom helt under vattenytan. Det behöver därför inte i samma utsträckning flytta vatten åt sidorna eller skapa spray och stora ytvågor. Det bildas fortfarande virvlar och andra förluster, men betydligt mindre av energin går åt till att störa själva vattenytan.

Det är en stor del av förklaringen till varför en liten, väl utformad vinge kan bära en tung båt med så mycket mindre motstånd än ett planande skrov.

3. Varför har vissa båtar två bärplan och andra tre?

Det finns båtar med ett, två, tre, fyra och ännu fler bärplan. Valet handlar om hur konstruktören vill fördela lyftkraften, skapa stabilitet och styra båtens rörelser.

Med en enda bärande vinge måste både balansen framåt och bakåt och balansen i sidled hanteras på andra sätt. Det går att göra, men det ställer stora krav på konstruktionen och regleringen.

Med två bärplan, exempelvis ett främre och ett bakre, får man en tydlig möjlighet att balansera båten i längsled. Det ger goda förutsättningar att kontrollera pitch, alltså rörelsen där fören går upp och ned.

Sidbalansen, roll, blir mer krävande. I ett system med en framvinge och en bakvinge sker rollkontrollen normalt genom att man förändrar lyftkraften ute vid vingarnas sidor. Det kan göras med kontrollytor eller genom att ändra vinkeln på delar av, eller hela, vingen. Om båten börjar luta åt ena sidan ökar man lyftkraften på den sidan och minskar den på den andra.

Det fungerar bra, men kontrollpunkterna ute vid vingarnas sidor ligger fortfarande på ett begränsat avstånd från varandra. Hävarmen blir därför relativt kort, vilket innebär att ganska stora skillnader i lyftkraft kan behöva tas ut för att skapa det vridmoment som krävs för att räta upp båten. En del av vingarnas kapacitet behöver alltså reserveras för rollkontroll och inte bara för att bära båten.

Ett sätt att avlasta den rollkontrollen är att också använda styrningen. Om båten börjar luta åt höger kan den styras något åt höger så att bärplanen flyttas in under tyngdpunkten, ungefär som när man balanserar en cykel. Den effekten kan kombineras med förändrad lyftkraft ute vid vingarna.

Med tre bärplan kan lyftpunkterna i stället placeras i en bred triangel. Då sprids de både i längsled och i sidled. Placeringen ger systemet längre hävarmar, vilket gör att mindre förändringar i lyftkraft kan skapa de moment som behövs för att kontrollera både pitch och roll. Det dämpar också behovet av mycket snabba korrigeringar.

Det finns alltså inget universellt rätt antal bärplan. Antalet, placeringen, vingarnas storlek och regleringen måste fungera tillsammans som ett system.

4. Varför används inte bärplan på fler långsamma båtar?

Bärplan behöver hastighet genom vattnet för att skapa lyftkraft. Men det betyder inte att en bärplansbåt måste flyga fort. Vi har själva flugit med Gull i 6 knop, och något långsammare än så.

Hur låg flyghastighet man kan uppnå beror bland annat på förhållandet mellan båtens vikt och vingarnas storlek. Med tillräckligt stor vingyta i förhållande till vikten kan man få ner flyghastigheten betydligt.

Det finns också fler verktyg. Om vingens profil kan förändras under färd kan man skapa mer lyft vid låg hastighet och sedan anpassa profilen när farten ökar. Det är ett effektivt sätt att pressa ner den lägsta möjliga flyghastigheten utan att hela vingen behöver optimeras för just den låga farten.

Vi använder gärna begreppen flytfart och flygfart. I flytfart bärs båten huvudsakligen av skrovet. I flygfart bärs den huvudsakligen av vingarna. Däremellan sker en övergång där vingarna successivt tar över allt mer av båtens vikt.

5. Varför har bärplansbåtar inte blivit vanligare tidigare?

Vår bild är att teknisk utveckling ofta sker i steg. Det räcker inte att en fysikalisk princip fungerar. Någon måste se möjligheten, prova den, bygga något som fungerar och sedan utveckla idén till något som fler människor faktiskt kan använda.

Vi har en historia från vår egen verkstad som illustrerar det ganska bra.

När kitefoils började dyka upp i vår omgivning ville Richards bror Robin också prova. Utrustningen var dyr, så i stället för att köpa en foil byggde han en själv. Det var inget avancerat utvecklingsprojekt. Vi arbetar i en mekanisk verkstad och Robin tog vanlig aluminiumplåt, tittade ungefär på hur de foils som gick att köpa såg ut och byggde något liknande.

När han skulle prova den blåste det egentligen för lite för vanlig kitesurfing. De andra kitesurfarna satt kvar på stranden. Robin gav sig ut ändå, kom upp på bärplanet och kunde köra omkring på fjärden medan de andra tittade på. Den hemmabyggda foilen hade dessutom en ganska tydlig egenhet: den tjöt. Inte lite heller. Ju fortare han körde, desto högre blev tonen. Men den fungerade. Han kunde köra när de andra inte kunde.

För oss säger historien något viktigt. En konstruktion behöver inte vara fulländad för att visa att en princip fungerar eller att det finns en stor fördel att hämta. Men steget från ett experiment till en riktigt bra produkt är betydligt större. För en motorbåt räcker det inte att lyckas få skrovet ur vattnet. Båten ska fungera med olika last, i vågor, i låg fart och i hamn. Den ska klara fel och störningar, gå att tillverka, underhålla och reparera och vara enkel nog att användas av människor som inte är experter på bärplan.

Vi tror också att vissa tekniska genombrott har haft stor betydelse för hur människor ser på foiling. Mothjollarna tog tekniken långt framåt och visade att mekanisk flyghöjdsreglering kunde fungera mycket bra på små segelbåtar. Senare blev kitefoiling ytterligare ett tydligt exempel på hur effektivt ett bärplan kan vara.

America’s Cup 2013 blev sedan ett dramatiskt exempel på vad som händer när ett team lär sig att använda foiling bättre. Oracle Team USA låg under med 8–1 mot Emirates Team New Zealand och var bara en förlust från att förlora hela finalen. Under serien utvecklade Oracle både båten och sättet den seglades på, och förbättrade sin förmåga att hålla båten foilande effektivt. När de fick bättre kontroll över flygningen förändrades också resultaten. Oracle vann därefter åtta race i rad och tog finalen med 9–8. Det är därför vi tycker att just den finalen är intressant i den här historien. Det handlade inte om att bärplan plötsligt uppfanns. Det handlade om att ett team under pågående tävling lärde sig att utnyttja tekniken bättre – och när de började flyga bättre började de också vinna.

Materialutvecklingen har samtidigt spelat stor roll. Kolfiber, bättre tillverkningsmetoder, sensorer och allt mer avancerade reglersystem gör det möjligt att bygga saker som tidigare var svåra, tunga eller alldeles för dyra. Så vår bild är inte att bärplan plötsligt har blivit möjliga. De har varit möjliga länge. Det som har förändrats är vår förmåga att bygga dem bättre – och vår förståelse för vad vi faktiskt kan göra med dem.

Ibland börjar ett sådant utvecklingssteg med ett stort forskningsprojekt. Och ibland börjar det med några bitar aluminiumplåt i en verkstad.