Přesnější model sil na C2


Pro zájemce o přesnější rozbor sil, působících na kánoi, si přesněji sepíšeme složky sil, které mají vliv na jízdu, točení a naklánění.

Jaké pojmy musíme znát

K pochopení je potřeba znát tyto pojmy:
• Síla,
• Rozklad síly na složky
• Moment síly
• Působiště síly
• Těžiště

Moment sil je dán velikostí síly, velikostí ramene (vzdáleností působiště síly od osy) a úhlem mezi silou a ramenem.


Větší síla, delší rameno a úhel bližší 90° (vždy pravý obrázek) způsobují větší moment a tím i více ovlivní otáčení.

Síly. působící na loď s pádlujícím jezdcem


Síly můžeme rozdělit podle toho, na co působí,

  • na loď
  • na pádlo
jakým směrem působí
  • v ose lodi
  • napříč
  • svisle
a zda se jedná o sílu
  • hydrodynamickou
  • hydrostatickou

Následující obrázek, tabulka a text mají každou složku síly označenou stejnou barvou.
Každá síla působí posuv lodi v podélném nebo příčném směru. Kromě toho, pokud působí v určité vzdálenosti od těžiště (rameno), působí i otáčení lodi ve všech třech osách.




Tabulka sil na loď a pádlo



Vztlak můžeme po celé ploše lodi sečíst a dostaneme jednu sílu, která má své působiště v bodě Cb. Toto místo se nazývá střed (těžiště) výtlaku. Jeho poloha není konstantní, posouvá se jak při náklonu do stran tak při náklonu v podélném směru.

Tíha jezdců je nejjednodušší - působí vždy svisle dolů, nezávisle na hladině a náklonu lodi. Působiště této síly je v určité výšce nad palubou, čím menší, tím lépe. Při náklonu se těžiště vychýlí na stranu náklonu.

Síla vody podélná - rovnoběžná s osou lodi je dána jejím tvarem, přesněji, tvarem té části objemu, která je pod hladinou a dále závisí na rychlosti. Je na konstruktérech lodí, aby tuto sílu minimalizovali a přitom nezhoršili točivost a stabilitu. Zákonitost, podle které tato nežádoucí síla narůstá s rychlostí, je poměrně složitá, existuje dokonce určitý rychlostní limit, který loď nemůže překonat, pokud po hladině neklouže. Tento limit záleží na délce lodi.
Dále je velmi důležité, jaká je hloubka vody pod lodí. V mělké vodě loď vytlačuje vodu pod sebou do větší vlny a pádlování je při stejné rychlosti mnohem namahavější, než ve větší hloubce. Proud teče v zatáčkách nejrychleji u vnějších břehů, je tam i největší hloubka, ale je to současně i nejdelší dráha, je nejrychlejší jízda zatáčkou vždy kompromisem.

Síla vody svislá - síly na příď a záď lodi. Zajímají jednak slalomáře v souvislosti se zatápěním zádi při pivotech, dále jsou podstatné při průjezdu velkými vlnami a válci. Dnes je tendence nafouknout přední části především kajaků, pro sjezdy extrémních řek i na těžké slalomové trati je to dobré. Naopak při menších vlnách jede lépe loď s plošším předkem, protože jede rovně, vlny ji méně vyhazují nahoru. Podrobněji se touto problematikou zaobírá člověk nejpovolanější, konstruktér lodí a majitel firmy Galasport - Vladislav Galuška, odkaz je na konci kapitoly.

Síly na loď v příčném směru jsou podstatné pro stabilitu, protože je to důležitá problematika, budeme jí věnovat samostatnou část - Stabilita lodi.
dynamické síly od proudu je nutné je kompenzovat náklony. Závisí na úhlu náběhu vody na trup lodi, při nulovém nebo velkém náklonu

Pokud voda tlačí jinak na příď než na záď, vzniká v příčném směru moment síly - snaží se loď otočit.
Je opět na konstruktérech lodí, aby moment síly, působící při otáčení ani ne tak minimalizovali, ale nastavili na správnou hodnotu. Když je příliš malý, loď se “motá”, když je velký, loď špatně zatáčí. Ideálně je to vyřešeno u moderních slalomových lodí, kdy jezdec zatopením zádi může moment, bránící otáčení, zmenšit (zkrátí se rameno síly). Při normální poloze je loď méně točivá, proto jede rovně.

Stabilita lodi

Moment síly, který působí vychýlené těžiště jezdců, je kompenzován posunutím působiště síly

Stabilita lodi bez vlivu pádla je daná tím, co se děje při náklonu. Při naklonění lodi s tím, že jezdci jsou vůči lodi stále ve stejné pozici, dochází k posunutí působiště jejich tíhy. Současně se posunuje i působiště vztlakové síly.
Je rozhodující, co se posune víc:

  • Pokud byste plavali na kulaté kládě, při naklonění se vůbec neposune působiště vztlaku a proto se okamžitě převrátíte
  • Na velké ploché desce se při naklonění opírá voda o její okraj, takže se působiště velmi znatelně posouvá a deska je stabilní.
  • Loď se naštěstí chová víc jako deska (ne sjezdová :-). Ploché dno lodi ji až do úhlu kolem 90° vzhledem k hladině vrací do rovnováhy.
Závislost momentu síly, který vrací loď do rovnováhy, na úhlu jejího naklonění se nazývá křivka stability. Čím je plošší, tím snáze se loď převrátí, pro plavbu je důležitá část od 0 do 90°, pro eskymáka část od 90° do 180°.

Pro samotnou loď by křivka vypadala zhruba takto: Je to taková lehce pokřivená sinusoida - pokřivení je dáno nesymetrií mezi palubou a dnem lodi.



Pokud si do lodě sedne posádka, křivka se mění: Když sedí jezdci rovně, je nula na začátku a na konci křivky, ale střední nulová, tedy rovnovážná poloha, se posouvá.

Závislost stability na těžišti a tvaru dna

Čím větší je plocha pod první částí křivky, tím hůř se loď převrací. Tvar křivky se dá vypočítat - pro konstantní ponořený objem při různých náklonech se počítá integrál průřezu dna vynásobeného souřadnicí. Poloha těžiště křivku ovlivňuje zcela zásadně - zvýšení těžiště ji zploští a zúží, stačí pár centimetrů a plocha se tím změní velmi výrazně.

Zde je zajímavá jedna věc, uváděná v odborných článcích: loď s naprosto plochým dnem není nejstabilnější. Náběh křivky je sice pro ploché dno velmi strmý, ale při větším náklonu je křivka užší a dříve dochází k překlopení. Má to ale jeden háček. Výzkumné práce v této oblasti počítají s konstantní výškou těžiště ode dna lodi. Na kánoi ale musíme mít nohy v širokém rozkleku a pod sebou, prakticky tedy u lodi s vypouklým dnem je těžiště o něco výš nade dnem a stabilita větší není. V každém případě při plochém dně má křivka strmější náběh - loď se hůř naklání z “nuly”, ale loď s oblým dnem má větší stabilitu při velkém náklonu.
Takže to jsme dost podrobně rozebrali hydrostatickou sílu a moment, který způsobuje. V obrázku je zobrazena zeleně.


Pokud se tedy budeme zabývat pohybem, nakláněním a otáčením lodi, můžeme síly přiřadit takto:

Pohyb vpřed: Síla na pádlo v podélném směru - Podélná síla na loď
Podelný náklon, zanoření zádi či přídě: Svislá síla na pádlo, + svislá dynamická síla na loď + podélný posun působiště vztlaku + posun polohy těžiště jezdců (=zaklonění či předklonění) vůči působišti výtlaku.
Příčný náklon: Síla na pádlo + posun těžiště jezdců + posun působiště vztlaku
Točení: Síla na pádlo - hydrodynamický odpor

Proudění vody kolem pádla a efektivní záběr


Zatím jsme si vysvětlili statickou sílu na pádlo. Nyní si vysvětlíme několik aspektů pohybu pádla při záběru.
Voda proudí kolem pádla a vznikají ztráty. Zde je přehled energie, která při záběru nenávratně zmizí, není použitá pro pohyb lodi. A k tomu i návod, jak každý druh uniklé energie minimalizovat.
  • Energie vody, kterou uvede pádlo do pohybu dozadu: Nelze eliminovat, loď jede dopředu jen tehdy, když odsunujeme vodu dozadu
  • Energie spojená se “šplouchnutím” pádla do vody: Zabrat musíme až tehdy, kdy je pádlo úplně ponořené.
  • Energie spojená s obtékáním pádla: Lze zmenšit použitím pádla s vypuklým listem.
  • Energie příčného pohybu pádla při zasazení a vytažení: Záleží na tvaru pádla, tenké a vypuklé pádlo ji minimalizuje
  • Energie vody tlačené pádlem nahoru nebo dolů: Ztrácí se tehdy, když pádlo není kolmo k hladině. Lze zmenšit kvalitním záběrem.
  • Energie, kdy se pádlo otáčí kolem vodorovné osy - tím je myšleno to, že na začátku záběru je list našikmo dopředu a během záběru se narovnává, při špatném záběru se naklápí i vzadu: Lze zmenšit kvalitním záběrem.
  • Energie vtáhnutí vzduchu za listem pádla: Tomu se nesprávně říká kavitace, správně ventilace. Zamezí se tomu tahem za pádlo, až je ve vodě.




Odkazy:


Vliv tvaru pádla na sílu:
Fluid forces on kayak paddle blades of different design
D. Sumner,* E.J. Sprigings, J.D. Bugg,*
and J.L. Heseltine*
Sports Engineering Journal 1/6 March 2003, Springer London,

Paddle/blade testing for canoes and kayaks: Feasibility of an innovative methodology
http://www.strath.ac.uk/na-me/research/researchareas/centreformarinehydrodynamics
/paddlebladetestingforcanoesandkayaksfeasibilityofaninnovativemethodology/

***

Vliv tvaru slalomového kajaku na jízdní vlastnosti.
http://www.skhubertus.com/2008/galasport/galasport.htm


Návrat na začátek stránky