Lyftkraft och hydrodynamik
Artikel 2 av 20 – 100 frågor om elbåtar och bärplan
Det här avsnittet handlar om vingarnas funktion i vattnet. Hur fort måste båten gå för att lyfta? Hur högt kan den flyga? Och vad händer när vattenflödet runt vingen störs av kavitation eller luft från vattenytan?
6. Vid vilken hastighet lyfter en bärplansbåt?
Det finns ingen bestämd lyfthastighet som gäller för alla bärplansbåtar. Den beror framför allt på båtens vikt, vingarnas storlek, vingprofilen och vingarnas anfallsvinkel.
En stor vinge på en lätt båt kan skapa tillräcklig lyftkraft redan vid låg hastighet. En mindre vinge på en tyngre och snabbare båt behöver högre fart för att bära samma vikt. Därför hänger den lägsta flygfarten ganska nära ihop med vilken marschfart båten är konstruerad för.
Många av dagens bärplansbåtar är optimerade för relativt höga farter och lyfter därför först någonstans över 15 knop. Men det är inte någon naturlag. Vi har själva flugit Gull i 6 knop.
Man kan alltså konstruera för låg flygfart, men det får konsekvenser för resten av vingens egenskaper. En båt som är avsedd att flyga snabbt och effektivt får normalt en annan vingdesign än en båt där låg flygfart är viktigast.
Lyfthastigheten och den lägsta stabila flygfarten ligger också nära varandra. Det finns inte nödvändigtvis någon stor fartskillnad mellan ögonblicket då vingarna börjar bära båten och den fart där båten kan fortsätta flyga stabilt.
7. Hur högt över vattnet kan en bärplansbåt flyga?
Det bestäms i första hand av konstruktionen. Ju längre avstånd det är mellan vingarna och skrovet, desto högre kan båten flyga innan vingarna närmar sig vattenytan.
Det avståndet är också viktigt i vågor. Om det finns gott om plats mellan vingarna och skrovet kan vågorna passera däremellan utan att slå i skrovet. En båt som ska kunna flyga bekvämt i större vågor behöver därför tillräcklig frihöjd.
På platt vatten kan man i princip välja att flyga betydligt högre. Det syns tydligt på kitefoils, wingfoils och andra foilande brädor. Föraren kan välja att ligga mycket högt eller relativt nära vattenytan.
Det finns däremot flera fördelar med att inte flyga högre än nödvändigt. Rörelserna blir mindre dramatiska om båten skulle tappa lyftkraft, och risken minskar för att vingen kommer så nära vattenytan att luft börjar påverka strömningen runt den.
Hög flyghöjd är alltså inte automatiskt bättre. Rätt flyghöjd är en kompromiss mellan vågfrigång, stabilitet, säkerhet och vingarnas avstånd till vattenytan.
8. Vad händer om ett bärplan börjar kavitera?
Kavitation uppstår när trycket lokalt blir så lågt att vattnet börjar övergå till vattenånga. Då bildas ångfyllda områden eller bubblor i strömningen runt vingen.
Det är framför allt ett problem vid höga hastigheter och hög belastning. För vanliga fritidsbåtar som går i måttliga farter är kavitation normalt inte den begränsande frågan. Den blir betydligt mer intressant för tävlingsfarkoster och andra mycket snabba båtar.
När kavitationen blir omfattande förändras strömningen runt vingen. Lyftkraften försämras och motståndet kan öka. Kavitation kan dessutom orsaka materialskador när bubblorna kollapsar nära en yta. Samma fenomen är välkänt från propellrar, där långvarig kraftig kavitation kan ge tydliga erosionsskador.
För de hastigheter vi i första hand arbetar med är kavitation därför inte det stora problemet. Det finns ett annat fenomen som är betydligt viktigare för vanliga bärplansbåtar: ventilation, alltså när luft från vattenytan kommer ner till vingen.
9. Hur påverkas bärplan av luft som sugs ner från vattenytan?
Det här är en mycket viktigare fråga än kavitation för en vanlig bärplansbåt.
En vinge skapar mycket av sin lyftkraft genom det låga trycket på ovansidan. Om luft från vattenytan får en sammanhängande väg ner till vingens ovansida kan den fylla området där det normalt ska vara vatten och lågt tryck.
Då förändras vingens funktion mycket snabbt.
Lite luft behöver inte vara något större problem. Tävlingsfarkoster kan exempelvis köra med delar av vingen eller vingspetsen mycket nära vattenytan och ibland genom den. Vid hög fart finns dessutom ofta ett stort överskott av möjlig lyftkraft, så en mindre lokal förlust behöver inte få dramatiska konsekvenser.
Problemet uppstår när luften sprider sig över en större del av vingens ovansida, särskilt om båten går nära sin lägsta flygfart eller om vingen redan är hårt belastad. Då kan en stor del av lyftkraften försvinna mycket snabbt.
Det är just snabbheten som gör fenomenet viktigt. Båten kan gå från normal flygning till kraftigt minskad lyftkraft nästan omedelbart. Styrsystemet och den grundläggande konstruktionen måste därför vara utformade med detta i åtanke.
För en bärplansbåt som används på riktigt i sjö är det inte rimligt att konstruera utifrån antagandet att detta aldrig kommer att inträffa. Förr eller senare kommer en vinge att arbeta nära vattenytan, passera genom en våg eller på annat sätt utsättas för luft.
10. Vad händer när ett bärplan kommer upp ur vattnet?
Fråga 9 och 10 hänger egentligen ihop.
När en del av vingen kommer upp ur vattnet försvinner lyftkraften från den del som inte längre arbetar i vatten. Om det bara gäller en liten del av en vingspets behöver det inte vara dramatiskt. Det används till och med medvetet på vissa snabba tävlingsfarkoster.
Men om en stor del av vingen lämnar vattnet förändras situationen snabbt. Vingen kan inte skapa samma lyftkraft i luft som i vatten, eftersom luftens densitet är så mycket lägre.
Om hela eller stora delar av en bärande vinge kommer upp ur vattnet kan lyftkraften därför minska mycket kraftigt och båten sjunker tillbaka mot vattenytan.
Hur dramatiskt det blir beror på fart, flyghöjd, vingarnas placering, båtens vikt och hur styrsystemet reagerar. Vid låg flyghöjd blir återgången till vattenytan mindre dramatisk. Vid hög flyghöjd finns mer rörelseenergi och längre väg ner innan skrovet möter vattnet.
Det är därför flyghöjd inte bara handlar om att komma över vågorna. Man behöver samtidigt hålla vingarna tillräckligt långt under vattenytan för att de ska kunna arbeta i ett stabilt och förutsägbart vattenflöde.
Det är en av de centrala avvägningarna i konstruktionen av en bärplansbåt: skrovet ska vara tillräckligt högt för att vågorna ska kunna passera under det, men vingarna ska samtidigt vara tillräckligt djupt för att inte störas av vattenytan.