Navigation och Meteorologi med Roger Nilson och Lage Larsson är en serie artiklar som behandlar navigation och meteorologi ombord på en havskappseglingsbåt. Senast fokuserade Lage på vågor, och hur man kan utnyttja dessa i praktiken för att segla lite snabbare än konkurrenterna när det går sjö. Tanken med den här artikeln är inte att krångla till seglandet, utan snarare bidra med förklaringar vad gäller vindar och krafter i olika typer av luftmassor, och förhoppningsvis ge en del ”ofanupplevelser”. Artikeln publicerades i #1 2020.

NAVIGATION OCH METEOROLOGI
för kappseglare med Roger och Lage

Lage Larsson, född 1946, har haft ett särskilt intresse för marint väder, speciellt med inriktning på kappsegling, under hela sitt aktiva båtliv. Hans första båt var en egen eka för att ro till skolan i Kristinehamns skärgård.

Vindar och krafter i olika typer av luftmassor

Kan vi blint lita på vår vindgivare i toppen? Bara faktumet att den sitter i toppen, strax ovan hela segelplanet, borde få oss att fundera. Hur blåser det egentligen längre ner där seglet är som bredast? Visst har dagens vindgivare utvecklats att visa en synnerligen god noggrannhet och snabbt följa med förändringar när byar kommer och går, information som gett oss erfarenheten att segla både fort och rätt vid olika vindhastigheter. Hur kommer det sig då att båten inte går lika bra vissa dagar som den oftast gör vid samma vindhastighet från givaren där i toppen?

Om vi sätter ner handen i vatten som strömmar med en hastighet av 10 m/s så blir kraften mot handen betydligt större än om vi håller handen på samma sätt i en luftmassa som passerar handen med samma fart. Detta är självklart och förståeligt eftersom vatten har betydligt större täthet än luft och därmed är tyngre. Det är lätt gjort att se på luften runt om oss som ett homogent media, men så är inte fallet. Tätheten varierar, främst med olika temperaturer, men också vid variation i fuktighet. Inte lika mycket som mellan vatten och luft, men mellan luftmassor med stora temperaturskillnader, kommer segelplanet att påverkas av olika krafter även om vindgivaren skulle snurra lika fort i de båda luftmassorna.

Låt oss gå tillbaka till vatten för att göra några jämförelser med hur olika luftmassor kan bete sig. Vatten kan strömma lugnt utan några virvlar som en stilla, flytande flod. Varje vattenpartikel rör sig i stort sett lika fort och åt samma håll. När det gäller luft kallar vi det för laminär strömning. Hela luftpaketet rör sig jämt med varje liten luftmolekyl åt samma håll. Eller så har vi en strid virvlande fors där vattenpartiklar åker åt olika håll och virvlar runt. Totalt rör sig dock vattenmassan neråt i forsen vilket är vattnets rörelseriktning. Då luft beter sig på samma sätt säger vi att den är turbulent. Vi märker det genom att det är byigt där riktningen kastar åt olika håll när virvlarna passerar. Virvlarna kan ha en diameter på knappa metern till flera hundratals meter. Varje partikel har sin egen riktning och hastighet då den passerar förbi segelplanets olika delar. Vindgivaren i toppen kastar fram och tillbaka då de olika virvlarna passerar och beskriver inget vidare hur seglet just då upplever vinden. En vindobservation från en reguljär observationsplats anger därför alltid medelvinden under en period på tio minuter, alldeles innan den tid som anges som observationstid. I en turbulent luftmassa far nämligen vindgivaren fram och tillbaka och farten på snurran far upp och ner. Snurror som består av skovlar och roterar i det horisontella planet är ofta inte lika snabba att hinna nå vindens både max- och minvärde som en propeller som snurrar i vertikalplanet. Medelvärdena från de olika givarna skiljer sig dock inte mycket åt. Propellern har också tagit över allt mer som marina vindgivare. I en laminär luftström är vinden nästan helt jämn med bara små variationer i hastighet och riktning under hela tiominutersperioden. Det innebär att du inte kan klura ut vilken typ av luftmassa du har enbart från en kuststations vindobservation.

Det karakteristiska för en laminär luftström är att luften i låg nivå kyls ner av ett kallt underlag. Det kan vara allmänt kallt vatten eller kalluft som nattetid bildats över öar och tillfälligt runnit ut över vattnet. Temperaturskiktningen blir alltså omvänd mot vad som anses normalt. Det blir varmare med höjden och det leder till att vinden bromsas upp påtagligt från masttopp ner till däck. Ni har säkert seglat i denna vädertyp. Det är då man finner att hastigheten från vindgivaren inte alls motsvaras av den dåliga fart du håller, främst på kryssen. Vinden avtar nämligen snabbt ner över segelplanet och kan, trots 5-6 m/s i toppen, vara nästan lika med noll över däck.

Låt oss för enkelhetens skull ange den kraft vinden kan utsätta seglen för som kg/ytenhet, även om det inte är helt korrekt. Att stor segelyta ger mer kraft är inget nytt. Överdelen av seglet, där det blåser, är tyvärr inte särskilt stort. Över nedre delen av seglet, där vi har största ytan, är det i stället inte mycket till vind. Du seglar alltså nästan enbart på toppen i en laminär luftström. Det är nästan bara fartvinden som passerar över den nedre, bredare delen av segelplanet. Twisten blir stor då bommen måste skotas i mitten och toppen får falla ut för att ge lite fart framåt. I ett sådant läge stämmer varken routing eller polardiagram speciellt bra. På våra breddgrader kan en sådan här luftmassa komma och gå från ena dagen till den andra, eller rent av bara bli en nattsituation. På andra platser i världen, främst där man har en ständig kall havsström, gör den förhärskande laminära luftströmmen att stor segelyta i toppen är en klar fördel, se Figur 1 och 2.

Figur 1. Fördelning av vinden från 15 meters höjd ner till marken i en laminär luftström. En vindgivare i masttoppen skulle kunna visa 5 m/s, medan det halvvägs ner inte blåser mycket mer än 2-3 m/s, Strax ovan marken är det nästan vindstilla. Mittenbilden visar ett vanligt segelplan som skall omvandla vind till kraft. Trycket mot seglet kan man, med lite fusk, beskriva med kg/yta. Det blåser bra i toppen, synd bara att det är så lite segelyta där. I bilden till höger visar pilarna hur mycket kraft vi får i seglets olika nivåer. Räknas krafterna samman får vi den totala kraften seglet lämnar ifrån sig som ytan av figuren. Man ser tydligt att huvuddelen ligger i övre segelplanet.

Figur 2. Fördelning av vinden från 15 meters höjd ner till marken i en turbulent luftström. Som väntat jobbar sig vinden nästan ända ner till höjd med bommen i den turbulenta luftströmmen innan den avtar påtagligt. Segelplanet (mittenbilden) har samma utseende för vinden att projicera sig i som i Figur 1. Den kraft varje del av seglet kommer att utveckla ses i den högra bilden. I det här exemplet blir den cirka tre gånger större jämfört med exemplet i Figur 1.

Att få rigg och trim helt symmetriska för både babord och styrbord segling är i den här vädertypen, vill jag påstå, nästan omöjligt. Det är nämligen inte bara det att vindhastigheten bromsas upp påtaglig och allt mer ner genom segelplanet, vindriktningen i en laminär luftström vrider även vänster. Det innebär att den faktiska vinden i nedre delen av segelplanet öppnar upp den skenbara vinden i låg nivå för babords hals vilket ger mindre twist för den bogen.

För styrbords hals, där den skenbara vinden i låg nivå minskar vindvinkeln, innebär det att twisten ökar. Det är alltså olika twist för de två bogarna. Figur 3, 4 och 5 förklarar resonemanget.

Figur 3. Vindar i form av kraftpilar som påverkar en segelbåt under kryss. Den gröna, heldragna pilen är sann vind i toppen av seglet, den meteorologiska vinden, alltså den vind du skulle få om båten ligger still. Blå, heldragen pil är den sanna vinden i seglets nedre del, utmed bommen. Den vinden är alltid svagare på grund av en mer eller mindre uppbromsande effekt av underlaget. Adderar du till fartvinden, då båten sätter fart, får man skenbar vind. Den skenbara vinden är streckad, grön i toppen av seglet och streckad, blå i botten. En vindex rättar in sig efter den skenbara vinden, svart pil, eftersom det är den som seglet utsätts för. Oftast sker det ingen påtaglig vindvridning ner över segelplanet och då har vi de vindar jag beskrivit ovan. Över kallt vatten, och i en utpräglad, laminär luftström, vrider vinden vänster på väg ner utefter seglet vilket demonstreras av de röda pilarna.

I Figur 4 har vi en båt som kryssar för styrbords hals. Twist är skillnad i vindvinkel mellan toppens skenbara vind och den skenbara vinden utmed bommen. Om vinden enbart bromsas upp är det vinkeln mellan den gröna, streckade och den blåa, streckade pilen som utgör twisten. Om vinden även vrider vänster ner över seglet blir det vinkeln mellan den gröna, streckade och den rödstreckade pilen. I det här fallet är vinkeln stor vilket innebär mycket twist.

Figur 4. I vissa luftmassor går det inte att få ett jämt och likt trim under kryss för både babord och styrbords hals.

Figur 5. Här har vi slagit över till babords hals och även här vrider vinden vänster, vi är ju i samma luftmassa. Twisten (vinkeln mellan den gröna streckade pilen och den röda streckade pilen) blir nu betydligt mindre. I ett sådant här fall får man inte bara ändra om twisten för de olika bogarna, utan även trimma om seglen över lag för att suga ut fullt på båda kryssbenen. Det är ett ytterlighetsfall med så stora skillnader. Har du seglat i bleke, men med tillräckligt med vind i toppen, då har du upplevt det.

Åter till den turbulenta luftströmmen som man bör dela upp i två delar utefter hur man upplever vindarna. Är virvlarna stora, flera hundra meter i diameter, kommer virveln huvudsakligen framifrån och träffar främre segelplanet från masttopp ner till bommen ungefär samtidigt. Den nya vindens riktning och hastighet blir i stort sett lika genom hela segelplanet. Trimmet står sig bra, det gäller bara att falla eller lova och jobba med vagnen om det krävs för att få mesta kraften ur vinden eftersom vindhastigheten åker kraftigt upp och ner. Varje by ger mycket kraft eftersom det blåser mycket även längre ner i segelplanet där det är mycket yta. Det här liknar mycket en vanlig, byig sommardag med hög fin luft och stackmoln som kommer och går. Däremot beter sig luften mer komplicerat då virvlarna är små. Detta förekommer ofta då vinden börjar öka i en från början stilla, laminär luftström. Gradienten skärps och vinden ökar först flera hundra meter ovan den laminära luftströmmen ännu liggande i botten. Den kraftigare vinden jobbar sig neråt och i gränsskiktet till den laminära luften bildas en påtaglig turbulens av små, men intensiva virvlar. Du som seglare märker det först när vindökningen kommer. Även om vindgivaren i toppen bara ökar med någon m/s så får du ett påtagligt tryck i seglen. I den nya turbulenta luftströmmen får du betydligt mer vind ända ner i segelplanet med ett totalt stort krafttillskott. In över land ökar turbulensvirvlarna i storlek på grund av dagens allmänna konvektion, så kustnära eller i inre skärgårdssegling, hamnar vi i läget jag beskrivit ovan med stora virvlar. Seglar du i en renare havsmiljö, eller en bit ut från kusten, förblir virvlarna relativt små. Det leder till snabba vindändringar, framför allt riktningen som kastas fram och tillbaka. Du hinner inte med i varken kurs- eller trimändringar vilket gör att du tappar en del kraft. Du seglar för högt eller för lågt mest hela tiden. Rent teoretisk borde man kanske skota lite lösare och akta sig för stumt akterlik, låta seglen själv gör jobbet och försöka rätta in sig efter vindkasten.

Då har vi undersökt hur luftmassors olika ”strömförhållande” påverkar krafterna i ett segelplan. Kraften påverkas även av luftmassans täthet och därmed vikt. Den största betydelsen har luftens temperatur. Ju kallare desto större täthet och därmed tyngd. Hur luftens tryck förändras med temperaturen kan man beskriva med Boyles lag och då lika gärna studera hur tätheten varierar med temperaturen som har ett enkelt förhållande. Vi studerar förhållandet mellan temperaturerna i Kelvin för de två luftmassorna. 273°K motsvarar 0°C. Låt oss ta två luftmassor som kan förekomma på våra breddgrader under en seglingssäsong; en kylig dag med 5°C och en varm med 30°C vilket motsvarar 278°K samt 303°K. Förhållandet mellan temperaturerna i K blir 303/278x100% =108,9%. Lite förenklat blir trycket (kraften) cirka 9% större den kallare dagen.

När det gäller hur luftens fuktighet påverkar trycket blir beräkningarna betydligt mer komplicerade. Att själv kunna avgöra luftens fuktighet kan också vara svårt utan ordentlig mätutrustning. Det finns varma, fuktiga luftmassor och tvärt om. Även kall luftmassa kan vara både fuktig och torr. Det vi skall ta fasta vid är att vattenånga är en relativt lätt gas om man jämför med luftens viktigaste beståndsdelar som är syre och kväve. Ju mer vattenånga vi har i en luftmassa, desto mindre syre och kväve innehåller den. En fuktig luft har alltså mindre tryck än en torr med samma temperatur. Mellan tummen och pekfingret motsvarar det cirka 3% i viktskillnad mellan en mycket torr och en genomfuktad luftmassa med samma temperatur. Jag föreslår att vi för fortsatta resonemang slopar fuktighetsförändringarna som någon viktig faktor.

Låt oss till slut ta upp en rätt vanlig väderutveckling för att använda våra nyvunna kunskaper som kan förklara en hel del, framför allt för att ge dig rätt som tycker att du en kall kylig dag får märkbart mer kraft i seglen än de 9% som vi räknade ut ovan. En kraftökning på 9% ner över ett segelplan har inte så stor påverkan på själva känslan under segling. Under routing över längre sträckor kan det däremot ha betydelse. Du kan komma att styras mot en plats där du med några timmar missar en markant omläggning till mycket gynnsamma vindar som gör att du snabbt tappar placeringar. Tänk dig att du seglar i en varm och typisk, laminär luftmassa. Du vet nu att det innebär att vinden bromsas upp påtagligt ner över seglen. Det är alltså inte mycket kvar av givarens 6 m/s ett antal meter ner över seglen. En kallfront passerar, temperaturen faller markant och luften blir turbulent. Trots att det enligt givaren blåser ungefär lika mycket är det mer tryck i seglet. Den kyligare luften ger ett visst krafttillskott, men det som markant ökar trycket är att hela segelplanet får mer vind.

Hoppas att jag inte krånglat till det, utan snarare tagit bort en del av frustationen de dagar trim eller polardiagram inte stämmer fullt ut.

Text och illustrationer Lage Larsson