Főoldal
Cikkek
Az Őrült spin-out

Az Őrült spin-out

2003.09.05

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:

:: A szörfözés úttörői 5. - Molnár Ferenc