Technologia

Oceaniczna Formuła 1

Numer 6/2019
Duże żaglowce, tzw. tall ships, nadal są ozdobą oceanów. Duże żaglowce, tzw. tall ships, nadal są ozdobą oceanów. Alvov / Shutterstock
Turyści w Greenwich najczęściej odwiedzają Obserwatorium Królewskie, aby podziwiać południk zerowy, ale wielu z nich dociera też nad Tamizę, gdzie w suchym doku spoczywa legenda oceanów i duma Wielkiej Brytanii – zbudowany dokładnie 150 lat temu kliper herbaciany „Cutty Sark”. W drugiej połowie XIX w. to on właśnie bił rekordy szybkości na trasach z Azji do Europy.
Reperacja kadłuba jachtu arkuszem fiberglasu.johzio/Shutterstock Reperacja kadłuba jachtu arkuszem fiberglasu.
Katamarany na regatach Formuły 18 (Włochy).Federico Rostagno/Shutterstock Katamarany na regatach Formuły 18 (Włochy).
Trimaran podczas regat wokół wyspy Wight (2018).Ian_Stewart/Shutterstock Trimaran podczas regat wokół wyspy Wight (2018).

Jak wiadomo, Anglicy najlepsze gatunki herbaty sprowadzali w XIX w. z Chin. Do czasu zbudowania Kanału Sueskiego była to daleka podróż. Żaglowce musiały okrążyć całą Afrykę, przepływając wokół Przylądka Dobrej Nadziei. Ponieważ najlepsze ceny uzyskiwał armator, którego statek pierwszy docierał do angielskiego portu, zaczęły powstawać takie konstrukcje, które zwiększały prędkość żaglowców. Miały one dość wąskie kadłuby i wysokie maszty (łączna powierzchnia żagli sięgała 3 tys. m2). Nazwano je kliprami, od dawnego angielskiego czasownika clip, oznaczającego m.in. efektowną szybkość.

Wprawdzie era kliprów – transportujących nie tylko herbatę, lecz i np. opium (wtedy zupełnie legalne) czy poszukiwaczy złota do Kalifornii i na Alaskę – minęła, gdy pod koniec XIX w. pojawiły się statki parowe, ale żaglowce nie zniknęły z mórz i oceanów. Ściganie się leży bowiem w naturze człowieka – kto szybciej, dalej, wyżej… I właśnie rywalizacja stała się siłą motywującą do budowy kolejnych coraz szybszych statków żaglowych. Można powiedzieć, że konstruktorzy jachtów (bo wielkie żaglowce, tzw. tall ships, są dziś zjawiskiem niszowym) poszli w dwóch kierunkach. Z jednej strony powstawały projekty łodzi bardzo wygodnych, zapewniających luksus, a z drugiej tworzono jachty jak najszybsze, których jedynym celem było bicie rekordów prędkości.

Dawni szkutnicy nie dysponowali komputerami ani programami do projektowania. Liczyły się przekazywane z pokolenia na pokolenie doświadczenie oraz wyobraźnia podparta intuicją. Ich konstrukcje charakteryzowały się wytrzymałością i praktycznie każda była dziełem sztuki. Chociaż zdarzały się oczywiście też spektakularne wpadki, jak ta ze szwedzkim galeonem „Vasa”, który w bardzo widowiskowy sposób zatonął na oczach tysięcy ludzi zaledwie milę od portu. Konstruktorzy nie wzięli po prostu pod uwagę tego, że zwiększone obciążenie wysokich pokładów zdecydowanie podniesie środek ciężkości kadłuba i w efekcie spowoduje utratę stabilności. Na dodatek okazało się, że kadłub był niesymetryczny, co z kolei wynikało z używania różnych jednostek miar na lewej i prawej burcie. Los „Vasy” został przesądzony, gdy nie zamknięto dolnych rzędów furt burtowych, przez które w trakcie boju wysuwane są lufy armatnie. Okręt przechylił się, zaczął nabierać wody i powoli zatonął.

Od drewna do kompozytów

Stare morskie porzekadło głosi, że dawno temu okręty były z drewna, a marynarze z żelaza. Wiele w tym prawdy, bo drewno aż do końca XIX w. stanowiło podstawowy materiał budowy żaglowców, zarówno małych, jak i dużych. Drewno w wodzie łatwo butwieje, dlatego trzeba było stale je konserwować. Najczęściej robiono to przy użyciu materiałów organicznych, takich jak smoła sosnowa, dziegieć oraz mikstury oparte na terpentynie. Czasami kadłuby powstawały z drewna bardzo odpornego na działanie wody, takiego jak teak (teczyna wyniosła, dąb indyjski), totara (zastrzalin totara) oraz niektóre gatunki cedru. Wszystkie te rodzaje drewna zawierają związki chemiczne, które przeciwdziałają butwieniu i nie wymagają częstej konserwacji.

Powoli jednak zaczęto wzmacniać konstrukcje drewniane elementami z żelaza, żeliwa (stop żelaza z węglem), a potem ze stali. Jednym z pierwszych elementów wykonywanych z metalu była stępka (kil). Zwiększało to, co prawda, masę kadłuba, ale obniżało też środek ciężkości, dzięki czemu uzyskiwano lepszą jego stabilizację. Wraz z upowszechnieniem się stali to właśnie ona stała się podstawowym materiałem do produkcji kadłubów żaglowców. Dawała jednostce wytrzymałość, ale należało też dokładnie zabezpieczać elementy metalowe przed korodującym działaniem wody morskiej. Kolejnym materiałem stosowanym do budowy kadłubów było aluminium i jego stopy, czyli materiały znacznie odporniejsze na korozję niż żelazo i stal, a do tego znacznie lżejsze.

Prawdziwa rewolucja nastąpiła jednak w XX w., gdy na rynku pojawiły się rozmaite tworzywa sztuczne. Plastik, a w zasadzie jego połączenie z innymi materiałami, czyli kompozyty, jest do dziś najważniejszym materiałem do wyrobu kadłubów. Na początku wytwarzano je z tzw. fiberglassu, czyli mat z włókna szklanego wiązanych żywicami, zwykle poliestrowymi. Najpierw powstawała forma, zwana popularnie kopytem, na którą nakładano kolejne warstwy maty szklanej, utwardzanej żywicą. Na koniec całość pokrywano tzw. żelkotem (ang. gelcoat), czyli termo- lub chemoutwardzalną żywicą epoksydową albo poliestrową, dzięki której osiągano gładkość powierzchni. Często na żelkot kładzie się jeszcze topcoat, czyli ostateczną wierzchnią cienką warstwę, najczęściej barwioną.

Twórcy współczesnych kompozytów do budowy jachtów czerpią całymi garściami z osiągnięć inżynierów pracujących na rzecz lotnictwa, wyścigów Formuły 1 czy nawet przemysłu kosmicznego. Dziś nie jest rzadkością wykorzystywanie takich materiałów jak włókna węglowe czy kevlar. Nowoczesne tworzywa kompozytowe mają bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną, twardość i niezwykłą odporność na działanie wody morskiej, co czyni je wręcz idealnymi materiałami do wykonywania kadłubów oraz innych elementów łodzi regatowych.

Zmiany nastąpiły też w budowie masztów. Kiedyś wykonywano je z drewna, podobnie jak kadłuby. Już jednak w latach 30. XX w. zaczęto wprowadzać maszty aluminiowe, znacznie lżejsze i wytrzymalsze. Dość szybko zaczęto też eksperymentować z kompozytami, a na przełomie stuleci coraz częściej sięgano po włókna węglowe. Co ciekawe, ostatnio wraca się do masztów stalowych. Mają one mniejszą średnicę niż odpowiedniki z kompozytów i aluminium, co zmniejsza opór opływającego je powietrza.

Jeśli chodzi o żagle, to początkowo wykonywano je z lnu albo z bawełny. Niestety, materiały te miały wiele wad. Należało utrzymywać je w stanie suchym, bo inaczej butwiały i się rozpadały. Poza tym odkształcały się i czasem po kilku dniach solidnego sztormu nadawały się tylko do wymiany. Żeglarze pamiętają też, że były bardzo ciężkie. Dlatego w połowie XX w. dość szybko wszechobecną bawełnę zastąpiono lekkimi tworzywami sztucznymi – najpierw znanym już od II wojny światowej nylonem. Dziś większość żagli wytwarza się z dakronu (włókna są z PET, surowca używanego np. do wyrobu butelek). Nowocześniejsze tworzywa to kevlar, spectra (odmiana polietylenu) czy nawet włókna węglowe.

Konstrukcje

Współczesne konstrukcje – zarówno małych łódek regatowych, jak też wielkich żaglowców – powstają najpierw w komputerach projektantów. Ponieważ jacht porusza się na granicy dwóch ośrodków – wody i powietrza – projektant musi uwzględnić prawa hydrodynamiki oraz aerodynamiki. Najczęściej na podstawie rysunków teoretycznych tworzy się najpierw modele jachtów, które testuje się następnie w tunelach aero- i hydrodynamicznych. I dopiero po modyfikacjach powstają prototypy w skali 1:1, nadające się do sprawdzenia w warunkach rzeczywistych.

Dawne żaglowce były jednokadłubowe. Dziś często widzimy konstrukcje dwukadłubowe (katamarany), a wielką popularność zdobyły też trimarany. Kadłuby najczęściej są bardzo wąskie i opływowe, co wynika oczywiście z tego, że powinny stawiać jak najmniejszy opór w wodzie. Wskutek tego w środku jest naprawdę mało miejsca, a podróżowanie nie należy do komfortowych. Nie stanowi to dużego problemu podczas kilkugodzinnych zawodów, ale wygląda to zupełnie inaczej podczas wielkich regat oceanicznych. To one, podobnie jak wyścigi Formuły 1, stymulują rozwój branży, ponieważ przyciągają uwagę bogatych sponsorów.

Te wszystkie konstrukcje możemy nazwać klasycznymi, bo poza kształtem i wykorzystywanymi materiałami żaglowce bardzo przypominają te sprzed 200 lat. Rozwój technologii pozwolił jednak na stworzenie zupełnie nowych projektów, których sprawność robi olbrzymie wrażenie. Kadłuby jachtów z tzw. hydroskrzydłami (ang. hydrofoil) przy niewielkiej szybkości płyną tak jak zwykłe. Ale gdy prędkość rośnie, siła wyporu powoduje podniesienie kadłuba, co skutkuje dodatkowym wzrostem szybkości jachtu, ponieważ zdecydowanie maleje opór hydrodynamiczny. W sieci można znaleźć wiele filmów pokazujących, jak żeglują takie jednostki. Moment wyjścia z wody robi niesamowite wrażenie, a osiągane prędkości są spektakularne. Aktualnym rekordzistą jest jacht „Vestas Sailrocket 2”, który na dystansie 500 m osiągnął imponującą szybkość ponad 121 km/h.

Inną ciekawostką konstrukcyjną było wykorzystanie zubożonego uranu. Ze względu na olbrzymią gęstość (19 g/cm3) tego metalu wykonany z niego balast miał zdecydowanie mniejszą objętość niż wykonywane z tradycyjnych materiałów, a to z kolei zmniejszało opór hydrodynamiczny. Okazało się jednak, że efekt nie był na tyle znaczący, aby ta innowacja się upowszechniła. Jedynym jachtem posiadającym tego typu balast był zbudowany w 1973 r. francuski „Pen Duick VI”.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Regaty

Oceaniczne regaty rozpalają wyobraźnię zarówno żeglarzy, jak i konstruktorów. To one od lat przyciągają bogatych sponsorów. Do najbardziej znanych należą oczywiście rozgrywane co 3–4 lata Regaty o Puchar Ameryki (America’s Cup), które pierwszy raz odbyły się w 1851 r. Ich tradycją jest to, że zwycięzca ustala trasę kolejnych. Najbliższe odbędą się w 2021 r. w Nowej Zelandii.

Największą uwagę mediów światowych przyciągają jednak regaty dookoła świata. Pierwsza edycja odbyła się na przełomie lat 1973 i 1974 jeszcze pod nazwą Whitbread Round the World Race. Wzięły w nich udział dwa polskie jachty – „Copernicus” oraz „Otago”. Potem nazwa imprezy została zmieniona na Volvo Ocean Race, a od 2019 r. obowiązuje nazwa The Ocean Race. Są to regaty załogowe, rozgrywane na jachtach specjalnie konstruowanych na potrzeby tego wyścigu.

Jednak za najbardziej ekstremalne można uznać regaty Vendée Globe. Są to wyścigi dookoła świata, ale jednoosobowe i bez zawijania do portów. Zwykle kończy je mniej niż połowa startujących. Trasa ok. 30 tys. mil morskich zajmuje rekordzistom 78 dni. W 2012 r. wziął w nich udział Polak Zbigniew Gutkowski, ale po 11 dniach musiał się wycofać z powodu awarii instalacji elektrycznej.

***

Szybko, szybciej, najszybciej

W 1972 r. powołana została organizacja The World Sailing Speed Record Council, której jedynym zadaniem jest rejestrowanie kolejnych rekordów szybkości. Pierwotnie uznawano tylko wyniki osiągane na bardzo krótkim dystansie 500 m, jednak w 1988 r. uznano, że trzeba wprowadzić więcej kategorii. Teraz możemy na oficjalnej stronie WSSRC sprawdzić, kto jest aktualnym rekordzistą na rozmaitych trasach – od najkrótszych, takich jak wyścig wokół brytyjskiej wyspy Wight (50 mil morskich), aż do najdłuższych – dookoła świata (ponad 20 tys. mil morskich). W wielu wypadkach prowadzi się osobne klasyfikacje dla łodzi jednokadłubowych, katamaranów i trimaranów. Znaczenie ma również to, czy dany rejs był jednoosobowy (podkategorie męska i damska), czy też załogowy.

01.06.2019 Numer 6/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną