Segling brukade betraktas som ett ganska lugnt tidsfördriv. Men under de senaste åren har världen av yacht racing har revolutionerats genom ankomsten av hydrofoil-stödda katamaraner, känd som "folier". Dessa fartyg, mer besläktad med högpresterande flygplan än yachter, kombinera aerodynamikens och hydrodynamikens lagar för att skapa fartyg med hastigheter på upp till 50 knop, vilket är mycket snabbare än vinden som driver dem.

En F50 katamaran som förbereder sig för Sail GP -serien bröt nyligen till och med denna barriär, uppnå en otrolig hastighet på 50,22 knop (57,8 mph) som bara drivs av vinden. Detta uppnåddes i en vind på bara 19,3 knop (22,2 mph). F50 är 15 meter långa, 8,8 meter breda hydrofoil-katamaraner som drivs av styva segel och har en sådan häpnadsväckande hastighet att Sail GP har kallats "seglingens Formel 1". Hur kan dessa yachter gå så fort? Svaret ligger i en enkel vätskedynamik.

När ett fartygs skrov rör sig genom vattnet, det finns två primära fysiska mekanismer som skapar drag och saktar ner fartyget. För att bygga en snabbare båt måste du hitta sätt att övervinna dragkraften.

Den första mekanismen är friktion. När vattnet rinner förbi skrovet, ett mikroskopiskt vattenlager fästs effektivt på skrovet och dras tillsammans med båten. Ett andra lager vatten fäster sedan på det första lagret, och glidningen eller klippningen mellan dem skapar friktion.

På utsidan av detta är ett tredje lager, som glider över de inre lagren och skapar mer friktion, och så vidare. Tillsammans, dessa lager är kända som gränsskiktet - och det är skärning av gränslagrets molekyler mot varandra som skapar friktionsmotstånd.

En yacht gör också vågor när den skjuter vattnet runt och under skrovet från fören (fram) till båtens akter (bak). Vågorna bildar två distinkta mönster runt yachten (ett i varje ände), känd som Kelvin Wave -mönster.

Dessa vågor, som rör sig i samma hastighet som yachten, är väldigt energiska. Detta skapar drag på båten som kallas vågskapande drag, som är ansvarig för cirka 90% av den totala dragningen. När båten accelererar till snabbare hastigheter (nära "skrovhastigheten", förklaras senare), dessa vågor blir högre och längre.

Dessa två effekter kombineras för att producera ett fenomen som kallas "skrovhastighet", vilket är det snabbaste båten kan färdas-och i konventionella enskrovsbåtar går det väldigt långsamt. En enkelskrovsbåt av samma storlek som F50 har en skrovhastighet på cirka 12 mph.

Hydrofoils

Dock, det är möjligt att minska både friktions- och vågbildande drag och övervinna denna hastighetsgräns för skrov genom att bygga en yacht med hydrofoils. Hydrofoiler är små, undervattensvingar. Dessa fungerar på samma sätt som en flygplansvinge, skapa en lyftkraft som verkar mot gravitationen, lyfta vår yacht uppåt så att skrovet är fritt från vattnet.

Medan flygplanets vingar är mycket stora, den höga densiteten av vatten jämfört med luft gör att vi bara behöver mycket små hydrofoilbåtar för att producera mycket av den viktiga lyftkraften. En hydrofoil bara storleken på tre A3 -papper, när du rör dig i bara 10 mph, kan producera tillräckligt med hiss för att hämta en stor person.

Detta minskar avsevärt ytan och volymen på båten som är under vattnet, som minskar friktionsmotståndet och det vågbildande draget, respektive. Den kombinerade effekten är en minskning av det totala motståndet till en bråkdel av dess ursprungliga mängd, så att yachten kan segla mycket snabbare än den kunde utan hydrofoiler.

Den andra innovationen som hjälper till att öka hastigheten på racingbåtar är användningen av styva segel. Den tillgängliga kraften från traditionella segel för att driva båten framåt är relativt liten, begränsad av det faktum att segelns styrkor måste verka i jämvikt med en rad andra krafter, och att tyg segel inte gör en idealisk form för att skapa kraft. Stela segel, som mycket liknar en flygplansvinge, bildar en mycket effektivare form än traditionella segel, ger effektivt yachten en större motor och mer kraft.

När båten accelererar från dessa segels drivkraft, den upplever det som kallas "skenbar vind". Tänk dig en helt lugn dag, utan vind. Som du går, du upplever en vind i ansiktet med samma hastighet som du går. Om det också blåste en vind du skulle känna en blandning av den verkliga (eller "sanna" vinden) och vinden som du har genererat.

De två bildar tillsammans den skenbara vinden, som kan vara snabbare än den riktiga vinden. Om det finns tillräckligt med sann vind i kombination med denna skenbara vind, då kan betydande kraft och kraft genereras från seglet för att driva båten, så den kan lätt segla snabbare än själva vindhastigheten.

Den kombinerade effekten av att minska motståndet och öka drivkraften resulterar i en yacht som är mycket snabbare än för några år sedan. Men allt detta skulle inte vara möjligt utan ytterligare ett förskott:material. För att kunna "flyga", båten måste ha en låg massa, och hydrofoil själv måste vara mycket stark. För att uppnå den nödvändiga massan, styrka och styvhet med traditionella båtbyggnadsmaterial som trä eller aluminium skulle vara mycket svårt.

Det är här moderna avancerade kompositmaterial som kolfiber kommer in. Produktionstekniker som optimerar vikten, styvhet och styrka tillåter tillverkning av strukturer som är starka och lätta nog att producera otroliga yachter som F50.

The engineers who design these high-performance boats (known as naval architects) are always looking to use new materials and science to get an optimum design. In theory, the F50 should be able to go even faster.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.