わかくさモノ造り工房

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作品が増えて来ましたので、最新ページ以外も観に行って頂けると幸いです。

【ヨットのしくみ】センターボードによる横流れの補正

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前回の続きで

センターボードとはなんじゃらほい

ということになるのですが

読んで字の如く、センター(中央)にあるボード(板)のことであります

 

結論から言いましょう

表題にあるように

ヨットが帆走する際、風の力で発生する推進力のうち、横流れする力を打ち消す作用があります

 

前回のおさらいをしてみましょう

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セイルに上手いこと風を流すと一定方向に力(揚力)が発生します

さて、この揚力を示した矢印

船の形から推測される進行方向を向いていませんよね

なんなら船が上を向くようにスマホをちょいと左45°回転させてみてください

 

ね?

 

そうなんです、風に対して切り上がろうとした場合、どう頑張っても斜め前方が限界なんですね

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そこでセンターボードが活躍します

船底の中央(左右からは完全に正中、前後からみてもほぼ中央)から

ニョキっと水中に生えてくる感じ

470級 

画像をご覧になるとお分かりになると思いますが

縦方向(進行方向)には出来るだけ抵抗を減らす

横方向に対しては出来るだけ抵抗を増やす

形状をしている訳ですよね まぁ板ですから

 

いちおう図で説明しておきましょう

数学や物理でお馴染みの「ベクトル」が出てきますが、大層なハナシでは有りませんのでご心配なく

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セールに風が流れると、揚力(水色矢印)が発生します

これを進行方向とその直角方向にベクトルを分解します

いわゆる分力ってやつね

センターボードによる抵抗で横方向のベクトルは打ち消されてしまいます

結果として進行方向のベクトルだけが残されて

船は前進するという訳です

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しかもこのセンターボード

競技用の小型ヨット(ディンギー)では可動式のものが多いです 

以前記事にした作品を利用して説明してみますと

まずは、やや古典的なヨットである「スナイプ級」

スナイプ級センターボード 可動

これはアルミ製のやや重い板を上から下に差し込む感じ

 

続いて

ついこの間作った「470級」
470級センターボード 可動

ピボットタイプというセンターボードで

回転軸が設定されており

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スイングしながら水中に下ろしていくタイプです

 

やや時代が新しいセンターボードで

木製の芯にガラス繊維(グラスファイバー)、樹脂などで周囲をガチガチに固めてあり

人間が一人乗ったくらいではびくともしません

 

もちろんスナイプ級のセンターボードも金属製なので頑丈ではありますが・・・

 

時代が進むにつれ、材質もどんどん新しいものに更新されていき

センターボードは細く、長く(より深く)、薄く、軽くそして頑丈になって行くわけです

 

さらに時代が進んで、最新型のヨットに至っては強度が飛躍的にUPした炭素繊維(カーボンファイバー)を用いたものが出てきますが、それは話が逸れるのでまた後日

 

このようにセンターボードは、深さ(横流れ抵抗に関与する面積)をコントロールできるんです

風に対する進行方向によってこれらを操作します

また陸揚げして船を格納する際にはこのボードを収納したり、外したりできます 

 

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大まかなセンターボードの役割を説明しました

ここでまたいくつか疑問が出てきます

 

・横流れ抵抗はいいとして、横からモロに風を受けたら船がすっころぶじゃん?

→帆船のヒール(傾斜)について

 

・センターボードって昔からあった訳じゃ無いじゃん

昔はどうしてたの?

キール(竜骨)の歴史について

 

・横流れを防ぐ他の方法 メリットとデメリット

→船体形状 復元力などについて

 (古今東西ごちゃ混ぜという暴挙に出てみる予定)

 

連載第2回目にして早くも収集がつかなくなってきているような気がしないでもないような気がしますが

それぞれ気が向いた順に解説していきましょう

 

 

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なぜ帆船・ヨットは風の力で前に進むのか?

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はじめに

新シリーズ というか

伏線回収 というか

今まで言葉足らずで語り尽くせなかった部分 というか

 

帆船・ヨットに関する記事をボチボチ掘り下げてみようと 思っているのです

 

です・・・です・・・です・・・

 

ですが・・・

 

細かく語ろうとすると分量が膨大で、ジャンルも多岐に渡ります

帆船の歴史 船体やセイルの発展・進化

そこから現代のヨットに繋がる過程

ヨットの種類、構造、走り方、さらにその進化

私の頭の中はまさにカオス状態

そのため、どこから手を付けたらいいか分からないし、どこで収束したらいいかも悩ましいところです

 

しかしながらヨットや帆船のペパクラ、ペーパーモデルを

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(クリックでリンク記事に飛びます)

かなり重要な位置に置いているブログである以上、いつまでもこのテーマから逃げている訳には参りません

 

せっかく自由に好きなことが書けるブログです

思いついた項目、書きたい内容からどんどん書いていって

あとから記事を整理することによって話を纏めていきましょう

(それだと今までと変わらん気がするが まあいいや)

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原始的な帆船の原理 

さて、最初に帆船の核心部分に触れておかなくてはいけません

なぜ風の力で前に進むのか

これを理解しておかないとセイルの発展史も船形の発展史も語れません

 

 

まずはイメージしやすい推進力から考えてみます

 

例えば・・・

 

風の強い日にコートを着て外に出ましょう

風に背を向けコートを

バッ!!

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と広げてみます

 

 

・・・

 

 

間違いなく警察に捕まることでしょう

警察が駆けつけるまでの間、後ろから風に押されて前のめりに倒れつつ、溝に落ちようものなら竜馬的な最期を迎えることもやぶさかではありません

 

同じことを小舟の上でしてみます

進行方向に向いて立ち、同様に後ろから風を受けたとしましょう

前のめりに倒れつつあるところを踏ん張って耐えます

この踏ん張りが作用反作用の法則で小舟に運動エネルギーを与えます

たぶん船は前に進むことでしょう

この前のめりの力を帆船における推進力と考えてください

つまり風の抵抗を受ける何か(セイルなど)を

船の上で広げ(マスト・ヤードなど)て踏ん張らせる

ことによって、最も原始的な帆船は完成です

これは洋の東西を問わず太古の昔から利用されている技術ではないかと推察します

 

有名なのはアラビア海季節風を利用した交易ですね

毎年6月~9月は南西の風が

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10月~翌5月までは北西の風が吹きます

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常に追い風になる時期を狙って航行すれば簡単に海上移動ができるという寸法ですな

一説には紀元前数世紀もの大昔から行われていたとかなんとか

 

ちなみに上の画像は最近見つけたサイト

earth.nullschool.net

から引用しています

地球上の気象状態が動画で分かる優秀なサイトです

ワタクシ気象の専門家ではありませんので、これを見て何か世の中の役に立つようなことはできません

ただ単に眺めて「すげー」してるだけですww

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帆船の歴史

----------この間の帆船の歴史は一旦すっ飛ばします----------

(あんな紆余曲折やこんな進化・発展などネタは山ほど・・・)

 

現代の帆船・ヨットの推進力 

では現代ではどうなのか?

これを解説するのに1本マスト、1枚セイルのヨットを使用すると分かりやすいです

現代のヨットは帆船としては相当に洗練されており、風さえ吹いていれば水面を移動しながらあらゆる目的の場所に到達することができます

つまり風上の目的地にも移動出来るのです

とはいえ

厳密には向かい風に対して約45°の角度までしか切り上がれないのですが

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左右にジグザグの航路を取ることによって最終的に風上の目的地に到達します

 

ではこの約45°の切り上がり

どういうメカニズムなのでしょうか?

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航空機の揚力

まずは揚力について見てみましょう

一般的によくある、「航空機がなぜ飛べるか」

航空機の主翼に発生する揚力を表したものです

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イメージ的には主翼上部の空気の層がゴムみたいに

びにょーん

引き伸ばされる感じ

かといって周囲の空気の層との兼ね合いで(ゴムとは違って)細くなったり、薄くなったりはできず

結果的にその空間全体の密度が低くなる→つまり気圧が下がる

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静止時は主翼の上面と下面は同じ大気圧で押し付け合うのですが

上図のように空気が流れることによって上面だけ押し付ける力が弱まります

だから浮き上がるんですね

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ヨットのセイルに発生する揚力

ではヨットのセイルを見てみましょう

風は画面の上から下に吹いていることになります

先ほどの航空機の主翼と同様に、揚力が発生します

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お分かり頂けただろうか

いやそんなに詳しく理解しようとしなくてもOKです

私自身も物理学的な数式を持ち出して解説出来るほど理解は深くないです

1行でまとめると

セイルに上手いこと風を流すと一定方向に力が発生するのです

このことを利用してヨットは前に進むことが出来ます

 

以上

帆船・ヨットは風によって発生する

・作用・反作用による力

・揚力

主にこの2つの力を推進力にしているというわけです

 

 

真後ろからの風について

ここで注意しないといけないのが

前半でお話した、真後ろから風を受ける方法

これは実はマズーなのです

 

先ほどのセイルに発生する揚力はあくまで

風を当てる

のではなく

風を流す

ことによって発生します

真後ろから風を当てるとどうなるか

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左右両方から均等に入ってきた風はセイルの膨らんだ先の部分で喧嘩して乱流を発生します

作用反作用という意味では推進力になりますが、揚力を発生させるためには非常に効率が悪いのです

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まだまだこれからです

ざっと簡単に説明してきましたが

ここまでがサワリの部分

まだまだ不十分です

 

何が不十分か?って

まず1つ目、ヨットに関して

上のヨットの揚力を示す矢印の方向をよく見てください

本来進むべき方向に向いてねぇ・・・・

これを補正するためのセンターボードの話

 

2つ目は帆船について

真後ろから風を受けることの非効率性の話 続き

今まで作ってきた帆船模型はすべてセイルに若干の角度を付けているのはこのためです

 

これらをそれぞれ今後の記事で解説し、話をどんどん拡げていこうかと・・・

 

 

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