![]() |
Az amerikai szlengben maga a szó
?spin-out?, kitörést, kifordulást, kifordítást jelent. A kifejezés a
funboardok kialakulásával egy időben, a 80-as évek elején került a
szörfösök szótárába. A spin out jelenség a szörf esetében hasonló az
utcai motorosok kedvenc szórakozásához, a faroláshoz, csakhogy míg a
motorosok szándékosan idézik elő őrült szenvedélyüket, addig a szörf
farának kicsúszása a szkegen végbemenő fizikai folyamatok következménye.
A jelenség igen sok bosszúságot okoz a szörfösöknek, és óriási kihívást
jelent a szkegguruknak.
A spin out jelensége nem véletlenül kötődik a funboardok megjelenéséhez.
A piciny deszkák óriás őseikhez képest úgy mozognak a vízen, mint bálnák
között a repülő halak. A nagy sebesség hatására a svert nélküli
funboardokon minden hidrodinamikai erő a szkegen koncentrálódik.
Valójában nem gonosz erők, hanem fizikai törvényszerűségek következménye
a spin out. Mielőtt belemélyednénk az elméleti fejtegetésébe, tisztán
kell látni a szörfön keletkező erőket és egymásra hatásukat. Ezen kívül
nem árt felfrissítenünk fizikai tanulmányainkat az áramlástan terén is.
![]() |
A szárnyprofil működése
Minden szörfvitorla, szkeg, ugyanúgy ahogy a madár szárnya,
szárnyprofilként funkcionál. Felületén az áramló levegő hatására
felhajtóerő keletkezik. A jelenség magyarázatát egy több mint 250 évvel
ezelőtt felfedezett fizikai törvényszerűség adja (Bernoulli egyenlet),
miszerint az áramló közegben a nyomás és a sebesség összege mindig
állandó. A mi esetünkben ez azt jelenti, hogy gyorsabb légáramlás esetén
a nyomás csökken, lassúbb légáramlás esetén viszont nő. A profilt
körüláramló levegő a belépő él mentén szétválik, a görbült pályán mozgó
légrészecskék a vitorla domború oldalán felgyorsulnak. A fent említett
törvény szerint pedig a sebesség növekedése csak alacsonyabb nyomás
mellett lehetséges. A két oldal között tehát nyomáskülönbség alakul ki.
A domború oldalon alacsony nyomás, vagyis szívás, míg a homorú oldalon
túlnyomás képződik. Bármennyire is furcsa, a szívás nagysága 2-3 szorosa
a túlnyomásnak. Az így kialakuló nyomáskülönbség eredménye a profilon
kialakuló felhajtóerő. Ez az erő emeli fel a repülőgépet, ez az erő
mozgatja a szörföt.
![]() |
A szörfön fellépő erők
Mindenek előtt meg kell ismerni a szörfön keletkező összes erőt ahhoz,
hogy megértsük a spin out kialakulását. A szörf vitorlázatán
aerodinamikai erők, a vízben úszó szörftesten, szkegen hidrodinamikai
erők keletkeznek. Az aerodinamikai erők (FT) és a hidrodinamikai erők (RT)
nagysága megegyezik egymással, de ellentétes irányú. Következésképpen
amekkora döntőerő (Fh) képződik a vitorlán, ugyanakkora felhajtóerőnek
(Fs) kell keletkezni a szkegen, hogy fennálljon az egyensúly a
mechanikai törvények szerint, különben szörfünk képtelen lenne egyenes
vonalú mozgásra. A közeg sűrűsége jelentősen befolyásolja a keletkező
erők nagyságát, így a vízben, - lévén lényegesen nagyobb közegűrűségü,
mint a levegő -, elegendő egy 36 cm-es (350 cm2) szkeggel ellensúlyozni
egy 6,5 m2-es vitorlát. Fontos megjegyezni, hogy a szörfön menet közben
egy látszólagos szelet érzékelünk, ami a valóságos szél és a menetszél
eredője. A látszólagos szél azért fontos számunkra, mert ehhez kell
beállítani a vitorlánkat, és ennek hatására keletkezik a vitorlánkon a
szörföt mozgató eredő aerodinamikai erő (FT).
![]() |
Spin out elmélet
Tehát a szkeg is szárnyprofil, mint fent megállapítottuk. Felületén az
áramló víz hatására felhajtóerő keletkezik, ami egyensúlyi helyzetben
azonos a vitorlán képződő döntőerővel, csak ellentétes azzal. Ennek a
hidrodinamikai felhajtóerőnek a kialakulásához ugyanúgy, mint a
vitorlánál, valamekkora állásszögre van szükség. Ez a szög úgy jön létre,
hogy szörfünk a vitorlán támadt döntőerő miatt soha nem a kívánt irányba
halad, hanem attól néhány fokot (5-8 fok) eltérve csúszik, sodródik.
Ennek következtében a szkeget a vízáram ferdén éri, és a görbült pályán
áramló vízrészecskék a szkegen nyomáskülönbséget hoznak létre. Normál
viszonyok mellett a szkeg luv (szél felőli) oldalán szívás, a lee (szél
alatti) oldalán túlnyomás uralkodik. A spin out kialakulásakor a szkegen
megszűnik, (vagy drasztikusan lecsökken) a hidrodinamikai felhajtóerő,
aminek ellensúlyozni kellene a vitorlán képződő döntőerőt, minek
következtében a deszka ütésszerűen keresztbe fordul.
![]() |
Már a spin out kutatás korai
szakaszában nagy fontosságot tulajdonítottak a szkeg körüli lamináris
áramlás turbulenssé válásának, vagyis az áramlás leszakadásának. Az
áramlási kísérletek folyamán megállapították, hogy az
áramlásleszakadásának két fő oka van. Az egyik esetben a szkeg
profiljáról a nagy állásszög miatt szakad le az áramlás, a másik esetben
pedig viszonylag kis állásszög mellett a rendkívül nagy sebesség
kavitációt okoz, ami szintén áramlásleszakadáshoz vezet. Mindkét esetben
az eredmény ugyanaz: a szkegen megszűnik a felhajtó erő, és a deszka
keresztbe fordul.
Lamináris áramlás: réteges áramlás, az adott testet körüláramló közeg
rétegei egymással párhuzamosan, különböző se-bességgel haladnak.
Legnagyobb a testtől távoli, legkisebb a testtel érintkező rétegek
sebessége. A közegellenállás kicsi.
![]() |
Turbulens áramlás: a közeg rétegei
nem párhuzamosan áramlanak, örvé-nyek keletkeznek, így megnő a
közegellenállás.
Kavitáció: alacsony nyomású közeg-ben a folyadékok forráspontja csökken,
megindul a buborékképződés. A közegsűrűség csökken.
Miután a 80-as évek végére nyilvánvalóvá vált, hogy a szkegeknek nem
csupán szilárdsági és formai szempontból kell megfelelni, hanem a rajtuk
keletkezett erők hatására egy bizonyos alakváltozásra is szükség van
ahhoz, hogy ne szakadjon le az áramlás a felületükről, a tervezők lázas
kísérletezésekbe kezdtek. A probléma persze egyáltalán nem volt új
keletű, hiszen a repülőgép szárnyprofilján keletkező turbulenciával már
régóta küzdenek a konstruktőrök. Pl. az MBB, (Messerschmidt-Bölkow-Blohm)
mérnökei olyan szárnyprofilokat fejlesztettek ki, amelyek növekvő
terhelés hatására állásszögüket megváltoztatták (automatikus állásszög
korrekció), de növekvő terhelés hatására nem növelték az állásszögüket,
hanem csökkentették azt, szinte rásimultak az áramlásra.
A szkegkísérletek során többen
arra a következtetésre jutottak, hogy a repülőgép szárnyakhoz hasonlóan,
a szkegnek túlterhelt állapotban is meg kell tartania az áramlást
önmagán, ami csak úgy lehetséges, ha az állásszög az erők hatására
automatikusan változik. Ezt a problémát az élővilág minden akadály
nélkül megoldja, gondoljunk csak a cápa, vagy a delfin testére úszás
közben, ellenben az élettelen anyagok között nem találhatók olyanok,
amelyek ezt a viselkedést követnék. Többen úgy vélték, hogy bizonyos
anyagok mégis bírnak ilyenfajta tulajdonságokkal. Egy kanadai csoport
alumíniummal próbálkozott, de a kísérletek kezdetén kiderült, hogy ez a
fém erre a célra alkalmatlan. Hugues de Turckheim, a Tiga szörfgyártó
cég egykori főkonstruktőre már közelebb járt a probléma megoldásához. A
szörfguru egy erős karbon magra számtalan réteg szálerősített, és
erősítés nélküli lágy anyagot hordott fel, és ezeket kopírmaróval
megfelelő formára alakította ki. Az akkori Tiga team tagjai nagyon jónak
tartották ezeket a szkegeket, de az állandó túlterhelés miatt
szilárdsági gondok merültek fel, ezért leálltak a további
kísérletezéssel.
A spin out kérdés az F2-es mérnökeit is foglalkoztatta. A 90-es évek
elején Molnár Ferenc, az F2-es cég egykori fejlesztő mérnöke iránymutató
megoldást dolgozott ki a spin out csökkentésére, amit szabadalom is véd.
Olyan szkeget tervezett, amely a bennük lévő erősítő szálak tudatos
elrendezésével kellő rugalmasságot mutatott az állásszög menetközbeni
megváltoztatására. A kísérletek a legnagyobb titoktartás mellett
kezdődtek 1990-ben, a Müncheni egyetem áramlástani tanszékén dr. Andreas
Keller professzor közreműködésével, aki mellesleg megszállott szörfös
is.
![]() |
Molnár Ferenc (középen) újságírókkal |
Molnár Ferenc így emlékszik az
első kísérletekre: Az már régóta ismert tény, hogy az erősítő szálak
megválasztásával a műanyagok merevségét különböző irányokba lehet
befolyásolni. Tehát azonos profil mellett az anyag szerkezetét
változtattuk, és kíváncsiak voltunk a szkegek viselkedésére. Az
áramlástani vizsgálatot - lévén nagyon drága - egy szilárdsági
laborvizsgálat előzte meg. Itt az oldalirányú terhelés hatására voltunk
kíváncsiak, nevezetesen arra, hogy az elhajlás mellett milyen állásszög
változás következik be a szkegen. Ezzel már a korai fázisban kiszűrtük
azok a szkegeket, amelyek az elhajlás mellet az állásszögüket
megnövelték. Csak ezután következett az áramlástani kísérlet.
A szkegek vizsgálatához egy befogó tárcsát kellett építeni, amely
alkalmas volt arra, hogy a szkeget az áramlási csatornába helyezzük, és
az állásszöget beállítsuk rajta. A nagy sebességű (akár 100 km/ó)
áramlási csatorna, teljesen szimulálja a valóságot. A csatornában egy
időben tudtuk mérni a felhajtóerőt és az ellenállást, ugyanis ez a két
vektorerő adja meg a szkeg jósági fokát (nagy felhajtóerő, kis
ellenállás).
Első lépésben összevetettük a különböző anyagból készült szkegeket. Egy
adott állásszög mellett fokozatosan növeltük az áramlási sebességet és
azt figyeltük, mikor következik be az áramlásleszakadás. A karbon
szkegek viselkedése lesújtó volt a spin out szempontból. A merev karbon
tüskék semmilyen rugalmasságot nem tanúsítottak, rajtuk az áramlás egy
pillanat alatt szakadt le. Az üvegszkegek már mutattak némi
rugalmasságot, rajtuk az áramlásleszakadás fokozatosan következett be,
de még mindig túl korán. Az új irányított szálelrendezésű szkegek már az
első kísérlet alatt sok reménnyel kecsegtettek.
A kísérletek alatt megfigyeltük, hogy a szkegek nemcsak elhajlanak,
hanem csavarodnak (twist) is. A nagy sebességeknél fellépő elhajlás
melletti torziót a szkegen ellenőrzés alatt kell tartani. Ebből a célból
különböző mintázatú szkegeket kellett gyártani, (aramid-karbon zebra
szkegek) amelyeknél a fő -, és tartószálaknak a beépítési iránya mindig
változott. Azt akartuk elérni, hogy egy túlterhelt állapotban, - ami
bármikor előfordul egy ugrás utáni érkezés vagy fordulás során - a szkeg
egy részén tapadjon meg az áramlás, mert akkor még lehet korrigálni. Míg
a klasszikus karbon szkegen egy pillanat alatt omlott össze az áramlás,
a mi esetünkben egy részén megmaradt, így ez csak egy enyhe csúszást
jelentett, amit még lehet korrigálni.
![]() |
Andreas Keller professzor |
Andreas Keller professzor, aki
eddigi munkája során csak merev szerkezetekkel kísérletezett, azt hitte,
hogy a mindenkori deformáció a profilon csak káros lehet. Tehát, ha egy
ideálisan megtervezett turbina lapátszárnya deformálódik, az a tervezett
hatásfokához képest romlást fog okozni. A mi esetünkben egy céltudatosan
kialakított deformáció a szkeg hatásfokát számottevően meg tudja
javítani, ugyanis kritikus helyzetben (nagy állásszög) a profil az
ellenállásértéket csökkenti, miközben a felhajtó erő növekszik. Amikor
ezt a jelenséget a mérések egyértelműen alátámasztották, akkor az F2-es
cég szabadalmat jelentett be. Ez volt a profilok hidroellasztikus
viselkedési módja.
A bizonyítás tehát sikerült. Az F2 elsőként alkotta meg a nagy
deformációk hatására állásszögüket csökkentő, a profilra
rásimuló-áramlású szkegek családját, bízva abban, hogy a szörfösök
felismerik és kihasználják a benne lévő lehetőségeket ugyanúgy, mint azt
az árbocok esetében tették. A nagy cégek fejlesztői pontosan tudták,
hogy az F2 által kitaposott utat kell követni, hiszen ha akkor ezt a
tulajdonságát a szárnyprofiloknak nem veszik figyelembe, bizonyára
megmaradtak volna a forma variálásánál, ami zsákutcába vitte volna az
egész szörfipart. A 90-es évek elején tehát olyan újdonságot adott az
F2, amiről addig még nem álmodott senki, ma pedig a legtöbb szkeg ezen
az elven működik.
Simongáti Győző - Tóth László
forrás : Petőfi Rádió/Szörfmagazin
Kapcsolódó cikkek:
Nem vagy bejelentkezve, ezért hozzászólásod csak moderálás után fog megjelenni.
Sikeresen hozzáadtuk a terméket a kosaradhoz!
Hibás email vagy hibás jelszó!
Feldolgozás folyamatban...