En segelbåt dras eller sugs framåt, söker alltid jämvikt och segling är hela tiden en kompromiss. Utan skillnaden i täthet mellan vatten och luft, skulle segling mot vinden vara omöjligt. Det här, och det faktum att en segelbåt i själva verket har flera olika vingar, är en mer vetenskaplig sida av att segla, som få väder- och inbitna seglare tänker på. Då kan det till exempel vara svårt att förstå varför en segelbåt kan gå upp till 2–3 gånger snabbare än vinden.
Text: Ari Nykvist
Det finns segelbåtar som kommer upp i farter över 60 knop, som går mer än dubbelt så snabbt som vinden och som nästan kan segla rakt mot vinden. Men det finns också sådana vars maxfart är 4–5 knop och som nästan inte alls kan kryssa mot vinden. Det gemensamma för alla de olika seglande farkosterna är ändå att de drar nytta och påverkas av luft och vatten i rörelse. Och egentligen är det här med att segla teoretiskt sett mycket mer komplicerat än det verkar. Det vet Mikael Still, båtkonstruktör, världsmästare i havskappsegling och kommodor för Wasa Segelförening.
– Vi kan intuitivt förstå att en segelbåt kan segla i medvind. Men att den kan segla snabbare när vinden blåser från sidan är kanske inte lika intuitivt. Att det överhuvudtaget är möjligt att segla mot vinden beror först och främst på att båten samtidigt befinner sig i två olika medier. Skrovet och kölen befinner sig i vatten, medan seglet befinner sig i luft. Hemligheten bakom att segla mot vinden är att de två medierna har helt olika densitet, det vill säga täthet.
Båtens segel fungerar enligt samma princip som en flygplansvinge. När vinden blåser runt ett segel skapas ett övertryck på lovartssidan (vindsidan) och ett undertryck på läsidan. Tvärtemot vad man kanske kunde föreställa sig är undertrycket på läsidan mycket större än övertrycket på lovartssidan. Vinden suger seglet mer än den trycker på det. Den samlade kraften i ett segel verkar mer eller mindre vinkelrätt mot seglets korda. Ju högre upp mot vinden seglaren styr sin båt, desto mera måste hon skota in seglet för att det inte skall fladdra i vinden. Men ju mer seglet skotas in, desto större del av kraften riktas tvärskepps (åt sidan) medan den framdrivande kraftkomponenten bara blir mindre. När en båt seglar dikt bidevind (så nära vinden som möjligt) är sidkraften cirka fem gånger så stor som den framdrivande kraften.
Kölen är båtens andra vinge
Också båtens köl fungerar som en vinge. Den lyftkraft som en vinge producerar är proportionell mot, bland annat, mediets täthet och infallsvinkeln (vinkeln mellan vingen och flödet av luft eller vatten). Ett av kölens jobb är att producera en kraft som är lika stor som, och riktad i motsatt riktning till, den ovan nämnda sidkraft som seglet producerar. Tack vare att vattnets täthet är cirka 800 gånger större än luftens, kan kölen producera tillräckligt mycket sidkraft vid tillräckligt liten infallsvinkel för att avdriften skall hållas vid några få grader.
– Segling är equilibrium, jämvikt. Avdriftsvinkeln växer tills kölens sidkraft exakt matchar seglens sidkraft. Farten ökar tills skrovets framdrivningsmotstånd är lika stort som seglens framdrivande kraft. Ett tredje par som strävar efter jämvikt manifesteras i något som seglaren känner av väldigt påtagligt – att båten kränger.
Seglets sidkraft verkar högt uppe i segelplanet medan kölens sidkraft verkar långt nere i kölen. Det vertikala avståndet mellan dessa utgör den krängande armen och den krängande kraften (sidkraften) multiplicerad med den krängande armen bildar det krängande momentet.
Redan Arkimedes insåg att vattnet utövar en uppåtriktad kraft på ett flytande föremål och att kraften är lika stor som föremålets tyngd. Skrovets flytkraft verkar i centrum av undervattenskroppen medan tyngden verkar i tyngdpunkten. När båten kränger förflyttas flytcentrum från båtens centrumlinje mot lä, medan båtens viktcentrum förblir stationärt. Avståndet i sidled mellan flytcentrum och viktcentrum utgör den rätande armen, och båtens massa multiplicerad med den rätande armen bildar det rätande momentet.
– Båtens krängningsvinkel kommer att öka tills det rätande momentet är lika stort som det krängande momentet. Ännu ett equilibrium är uppnått, säger Mikael Still leende.
Att segla är att kompromissa
Segling är balans, men segling är också kompromiss. Antag att seglarens destination ligger rakt i vindögat. En segelbåt kan alltså inte segla rakt mot vinden. Moderna båtar med djup köl och effektiva segel kan segla cirka 40 grader från vinden, men inte högre. För att nå sin destination måste hon kryssa, det vill säga först segla dikt bidevind på den ena bogen för att sedan gå över stag (vända cirka 90 grader genom vinden) och segla dikt bidevind på den andra bogen. Ofta blir seglaren tvungen att göra många slag under en kryss.
För att segla kortaste väg till destinationen vill seglaren gärna segla så högt mot vinden som möjligt, men ju högre upp mot vinden hon seglar, desto mer måste hon skota in seglet, och desto mindre del av seglets kraft kommer henne tillgodo som framdrivande kraft. Hon seglar högt på bekostnad av farten. Det kan vara frestande att lätta litet på skotet och därmed rikta mera av seglets kraft framåt för att öka farten. Men ju mer seglaren lättar på skotet desto mer måste hon falla av (styra bort från vinden). Ju mer seglaren faller av desto längre blir vägen.
– På kryss måste seglaren kompromissa mellan högre kurs (kortare väg) men lägre fart, kontra lägre kurs (högre fart) men längre väg. Den seglare som klarar av att segla både högt och snabbt är en vinnare.
Då båten kryssar mot vind, arbetar majoriteten av kraften från seglen för att kränga ner båten. Det gör att kölens motkrängande kapacitet måste utnyttjas maximalt, något som sker bäst vid stora krängningsvinklar. Men skrovets motstånd ökar vid krängning och ett brett skrov lider mer av krängning än ett smalt. Eftersom det är ovanligt att en segelbåt planar på kryss, så har dessutom det breda skrovet här ingen fördel mot det mer smala skrovet. Å andra sidan har en bred kappseglingsbåt större nytta än en smal av att hela besättningen hänger på lovartssidan (vindsidan) för att minska krängningen så att båten går hårdare.
– Att segla på kryss är en kompromiss mellan dit du vill, vindriktning, vad dina segel och ditt skrov och din köl klarar av och hur vågorna ser ut. En kompromiss mellan fart och höjd alltså. Så fort du lättar på ett hårdskotat segel då du kryssar och faller lite ner i vind, ökar farten samtidigt som du tappar i höjd, det vill säga faller ner med vinden och längre bort från din destination.
Kraften som seglet producerar är proportionell mot vindhastigheten i kvadrat. Seglen, och seglaren, känner inte av den vindstyrka och vindriktning som blåser över vattenytan (den sanna vinden) utan av den skenbara vinden, som är en kombination av den sanna vinden och fartvinden som kommer av att båten rör sig genom vattnet. När vi seglar allt från dikt bidevind till slör (med vinden in snett akterifrån) samverkar den sanna vinden och fartvinden till att den skenbara vindens hastighet är större än den sanna vindens och till att den skenbara vinden vrids förut jämfört med den sanna vinden. Det är orsaken till att båten når sin högsta hastighet för en given vindstyrka när sanna vinden är ungefär tvärs (rakt från sidan). När vi länsar (seglar undan vinden) subtraheras vår fartvind från den sanna vinden och resultatet är att den skenbara vinden är svagare än den sanna vinden. Det blir lugnt och varmt ombord, men tyvärr minskar seglets kraft väsentligt och båtens fart avtar.
– När destinationen ligger rakt undan vinden frestas seglaren att segla kortaste vägen, rakt mot målet. Detta är dock inte nödvändigtvis snabbaste sättet att nå målet. Speciellt i svagare vindar, där fartvindens subtraherande inverkan proportionellt sett är stor, lönar det sig att skära (segla en högre kurs än rakt undan vinden). Detta eftersom den högre farten mer än väl kompenserar för den längre väg som man måste segla när man först skär åt ena sidan för att sedan gippa (svänga med aktern genom vinden) och segla mot målet på motsatt bog.
2–3 gånger snabbare än vinden
America’s Cup är en av världens mest anrika idrottstävlingar och har sitt ursprung i en kappsegling som hölls runt Isle of Wight år 1851. De 72 fots katamaraner med sina speciella vingsegel som användes vid senaste America’s Cup år 2013, skar alltid ordentligt i medvind för att hinna snabbare fram till målet. De 45 fots AC-katamaraner som används i nästa AC-final i Bermuda sommaren 2017, seglar lätt 2–3 gånger snabbare än vinden och kommer upp i minst 30 knops fart, närmare 60 kilometer i timmen. Storseglet består av en solid vinge på 85 kvadratmeter som ser ut precis som en flygplansvinge med klaffar och allt. De har dessutom bärplansvingar, så kallade hydrofoils, som lyfter upp båten redan vid rätt låga farter (se artikeln intill). Därför kallas AC45-katamaranerna ofta för flygande maskiner.
– I jorden runt-tävlingen Volvo Ocean Race med stora enskrovsbåtar på 65 fot, cirka 20 meter, används svängbara djupa kölar med en tung blybulb längst ner. Genom att svänga kölen åt lovart flyttas även båtens tyngdpunkt åt lovart, varvid det rätande momentet blir större, krängningsvinkeln minskar och farten ökar.
Mikael Still utbildade sig till båtkonstruktör vid Southampton College of Technology år 1979 och blev ekonom vid Svenska handelshögskolan 1985. Han har seglat hela livet och tävlade aktivt i havskappsegling på VM-nivå 1975–1986.
Hans främsta seglingsmerit är VM-guld i ¾ ton-klassen i Plymouth, England 1976 med båten Finn Fire II, konstruerad av hans far Eivind Still och byggd av dem båda. Som rorsman hade Still engagerat den världsberömda kappseglaren och segelmakaren Bruce Banks.
Senare har Mikael bland annat konstruerat den snabbseglande uppföljaren Finn Flyer 31. Han är kommodor för Wasa Segelförening, ansvarig för föreningens seglarskola och har fungerat som navigationslärare vid olika arbetarinstitut i Österbotten (skärgårds-, kust-, och högsjöskepparkurser) i olika repriser sedan början av 1980-talet.
– Som en av de aktiva inom juniorseglingen vid Wasa Segelförening, är det roligt att se hur snabbt unga oerfarna seglare lär sig grunderna i segling. Hur fort de förstår att trimma och justera jollens segel, kurs och krängning för att maximera farten och komma så snabbt i mål som möjligt. Och känslan att forsa fram över havet i en liten jolle i över 10 knop går inte att beskriva, men att det är en fin upplevelse ser man på seglarnas belåtna miner då det går som bäst undan i lite hårdare vindar utanför klubbhamnen.