Skrovlig eller slät yta? Spelar det någon roll?
Hur ofta ser du över skrovet på din båt? Hur viktig är ytans skick? Spelar det någon roll när du ”bara” cruisingseglar? Spelar det någon roll när du kappseglar? Hur stora är fartförlusterna? Finns det en ”tillåten” skrovlighet? Frågorna är många. Lars Larsson, Professor i Hydrodynamik vid Chalmers, har svaren. Det här är första artikeln i en serie om teorierna bakom design, konstruktion och andra mer eller mindre förklarliga fenomen inom seglingsområdet.
Traditionella båtbottenfärger, även kallade antifoulingprodukter, som på kemisk eller biologisk väg förhindrar påväxt räknas som bekämpningsmedel, är giftiga för människor och miljö och håller på att fasas ut. Det finns helt giftfria renhållningsalternativ men de är i regel inte lika ”praktiska”. Små spår i ytan, som på en gammal vinylplatta, hindrar till exempel påväxten av havstulpaner. Man kan även förhindra påväxt med diverse ultraljudssystem och klassisk, regelbunden rengöring av botten. Till de mer praktiska alternativen hör den nya generationen bottenfärger med riktad inverkan som innehåller mindre gift. Med tanke på den pågående utvecklingen finns det risk för att vi, i alla fall under en övergångsperiod, kommer se mer nedsmutsning och beväxning (så kallad fouling) på våra båtar.
Flöde nära skrovet
När båten rör sig genom vattnet drar skrovytan med sig ett tunt lager vatten. Det tunna lagret kallas gränsskikt och är några centimeter tjockt för de flesta båtar. Precis vid skrovets yta ligger vattnet som klistrat mot ytan, där finns ingen relativ rörelse, skrovet och vattnet rör sig med samma hastighet och riktning. Tvärs gränsskiktet ökar vattnets relativa hastighet gentemot skrovet från 0 upp till båtens hastighet i gränsskiktets yttersta skikt. Inom gränsskiktet är flödet kring större delen av båten oregelbundet (turbulent) men det finns en väldigt tunn film närmast skrovet, det viskösa underskiktet, där flödet till största delen är jämnt (laminärt).
Tillåten skrovlighet
Om skrovytans ojämnheter ligger inbäddade i det viskösa underskiktet påverkas inte motståndet. Ytan är då ”hydrauliskt glatt”. Det här är en mycket god nyhet då det innebär att det finns en gräns för hur mycket vi behöver slipa och polera en yta. Var den gränsen går varierar över ytan och beror på skrovets form och hastighet genom vattnet. Då hastigheten är den parameter som har störst inflytande kan man göra en rimlig uppskattning av den tillåtna skrovligheten genom att endast ta hänsyn till båtens fart genom vattnet. Figur 1 visar hur den tillåtna skrovligheten varierar med hastigheten. Skrovligheten mäts här i mikrometer (1/1000mm) och hastigheten i m/s (1 knop ≈ 0,514m/s). En konventionell segelbåt på 36 fot går sällan fortare än 8 knop (≈4 m/s) om den inte är planande. Det ger en tillåten skrovlighet på 25 mikrometer vilket motsvarar kornstorleken på sandpappret P600. Vi kan nu dra slutsatsen att skrovytans ojämnheter på den här båten inte bör överstiga 25 mikrometer vilket kan vara svårt att få till med vanlig pensel eller roller utan att slipa efteråt. Men är man en riktigt seriös kappseglare som inte vill lämna några fördelar till motståndaren kan det vara värt besväret.
Figur 1. Tillåten skrovlighet vid olika hastigheter.
Penslade och rollade ytor
Ojämnheter på målade ytor efter pensel och roller varierar beroende på färgens viskositet som i sin tur beror på rådande temperatur och fuktighet under påstrykningen. Andra faktorer som påverkar är originalytans skick, kvalitet på pensel och roller, målarens skicklighet och hur fort färgen torkar. Figur 2 visar hur båtens friktionsmotstånd varierar med ytans skrovlighet om denna är större än den tillåtna. Beräkningen är gjord för en Folkbåt men kan appliceras på andra båtar då farten är den dominerande faktorn.
Figur 2. Friktionsökning för olika skrovligheter.
Figur 2 visar att friktionsmotståndet kan öka med så mycket som 20% vid 7 knop och en relativt blygsam skrovlighet på 100 mikrometer vilket är normalt för penselstrukna ytor. För en yta med en skrovlighet på 500 mikrometer kan motståndet öka med så mycket som 80%. Det totala friktionsmotståndet på kryssen i frisk vind är uppskattningsvis 1/3 av det totala motståndet. En segelbåt med 100 mikrometer skrovlighet som gör 7 knop på kryssen har ökar sitt totala motstånd genom vattnet med 7% på grund av skrovligheten. Detta motsvarar en fartförlust på 1,5% som lite grovt motsvarar tre båtlängder per sjömil.
Havstulpaner
Figur 2 tar inte hänsyn till eventuell påväxt av havstulpaner då höjden normalt hamnar utanför intervallet. Havstulpaner som har suttit en månad eller två mäter ofta 3-5 mm. Figur 3 visar hur havstulpanhöjden påverkar friktionsmotståndet för en helt beväxt yta.
Figur 3. Ökning av friktionsmotstånd för olika havstulpanhöjder.
Havstulpaner kan mycket väl vara orsaken till att friktionsmotståndet skjuter i höjden. Med en höjd på 5 mm och 7 knops fart ökar motståndet nästan tre gånger jämfört med motståndet för en slät yta. I föregående kryssfall skulle detta öka det totala motståndet med 2/3 vilket motsvarar en fartförlust på 1 knop. Även om inte hela ytan är beväxt medför begränsad påväxt av havstulpaner en avsevärd motståndsökning. På en yta som täcks till 30% av havstulpaner blir effekten naturligtvis mindre men motståndsökningen kommer ändå leda till en fartförlust på omkring en halv knop.
“En segelbåt med 100 mikrometer skrovlighet som gör 7 knop på kryssen ökar det totala motståndet genom vattnet med 7% på grund av skrovligheten. Detta motsvarar en fartförlust på 1,5% som lite grovt motsvarar tre båtlängder per sjömil.”
Köl och roder
För köl och roder råder speciella omständigheter. Gränsskiktet är i regel laminärt över främre delen av profilen vilket är fördelaktigt ur friktionssynpunkt. Man bör dock vara medveten om att en alltför skrovlig yta kan orsaka turbulent flöde även här och om det händer ökar motståndet betydligt. Idag kan man inte exakt beskriva kraven för de här ytorna men det är rimligt att tillämpa samma begränsningar som för tillåten skrovlighet i Figur 1. Det är speciellt viktigt att undvika påväxt av havstulpaner i det här området då höjden många gånger kan överstiga köl- eller roderprofilens nosradie och därmed påverka dess tänkta form. Ytan framför maximala tjockleken på köl och roder är den viktigaste på hela båten vad gäller skrovlighet. Om man inte mäktar med att hålla efter hela båten skall man utan tvekan prioritera dessa områden och se till att ytorna är tillräckligt släta och hålls rena.
Lär dig mer
Vill du veta mer kan du skaffa boken ”Principles of Yacht Design” (fjärde upplagan, 2014) av Lars Larsson, Rolf E Eliasson och Michal Orych. En kurs baserad på boken kommer att hållas i Stockholm, Göteborg och Malmö vintern 2016. Mer information hittar du på www.isyd.org.
Text: Professor Lars Larsson
Vi tackar förlaget Adlard Coles Nautical, London, för möjligheten att publicera figurerna som är lånade ur boken ”Principles of Yacht Design”.
Lars Larsson artiklar om teorierna bakom design och konstruktion av segelbåtar:
#1 Skrovlig eller slät yta – spelar det någon roll?
#2 Varför är en lång båt snabbare än en kort?
#3 Brett och platt akterskepp – ett lyckat koncept – eller inte?
#4 Varför är stora båtar slankare än små?
#5 Snabb eller långsam? Hur bedömer man en segelbåts prestanda?
Foto: Search Magazine
