Mastprofilens aerodynamik

Mastprofilens aerodynamik

En översikt av teorin bakom mastprofiler

Masten har som uppgift att styva upp riggen och är därmed en mycket vital del, men den är också ett nödvändigt ont som en aerodynamiker helst skulle vilja slippa. Hållfasthetskrav på masten ger dess minimidimensioner, sedan gäller det att utifrån dessa krav på mastprofilens längd och bredd att göra det bästa av situationen. Även vant och stag bromsar båten, men masten kan utöver att den bromsar också allvarligt störa vindens strömning över storseglet.

Ett ofta refererat experiment om mastens störning på storseglet presenteras i boken Sailing Theory and Practice från 60-talet av C.A. Marjhaj. Där visar experimenten att störningen ökade när mastens tvärsnittsdiameter ökade och att om tvärsnittets diameter var 12,5 procent av seglets längd så försvann nästan hälften av storseglets drivande kraft. Experimenten genomfördes med en cirkulär profil och av engelskans namn på denna typ av motstånd, form drag, kan man ana att effekten beror på profilens form.

Vi kan här kalla området med kraftig turbulens, eller störd luft, bakom en mast för separationsbubbla, luftströmmen har separerat från mast och segel. Hur länge luftflödet är separerat från mast och segel och därmed bubblans storlek och form beror främst på profilens form, men även på seglets form. En stor bubbla ger stort motstånd och stor negativ påverkan på seglet. Förenklat kan man säga att den del av seglet som är inuti bubblan inte gör någon nytta.

Mast med cirkulärt tvärsnitt

En mast med cirkulär profil, vilket fortfarande är vanligt på till exempel mindre jollar, lämnar efter sig en stor bubbla. En cirkulär profil bromsar därmed mycket och en stor del av storseglet påverkas. Så länge som framkanten på profieln är cirkulär så spelar formen på det övriga tvärsnittet ingen större roll, allt är redan förstört. En rund profil gör ett dåligt första intryck som inte går att reparera.

Separationsbubblan bakom olika mastprofiler. En helt cirkulär profil, en profil med dimples och en elliptisk profil. Detta är bara illustrationer, i verkligheten är bubblan ofta mycket större och skotar man seglet för hårt kan det separerade flödet på seglets läsida sträcka sig hela vägen till akterliket.

Även andra runda eller sfäriska kroppar som skall röra sig genom luften har problem med en stor bromsande bubbla. Det bästa exemplet där man har gjort något åt problemet är golf, för att minska golfbollens motstånd har bollen små gropar över hela ytan. Dessa gropar, eller dimples, ökar turbulensen i luftströmmen utmed bollen så att flödet separerar senare från profilen och ger paradoxalt nog en mycket mindre bubbla. Dimples får golfbollen att flyga minst dubbelt så långt och även på en mast skulle dimples minska bubblans storlek och ge en mer effektiv rigg. Det går även att tänka sig andra geometriska lösningar än gropar, till exempel små kanter längs med masten ger motsvarande effekt.

Andra tvärsnitt

Golfspelaren har inte möjlighet att använda något annat än runda bollar. Seglaren kan dock välja en annan profil. Om mastens framkant görs mindre trubbig kan separationsbubblan minskas avsevärt. En elliptisk profil som är 1.8 ggr längre än vad den är bred upplevs kanske för ögat som rund, men den elliptiska profilen har vid rätt vindhastighet en tiondel av motståndet och mycket mindre bubbla jämfört med ett cirkulärt tvärsnitt. Den mindre bubblan innebär att en större del av storseglet är effektivt. Effekten blir alltså dubbel, mindre broms från masten och mer kraft ur seglet.

Problemet med ett avlångt tvärsnitt är ju att vinden sällan, för att inte säga aldrig, kommer rakt framifrån. I till exempel halvvind blir bubblan för en avlång profil väldigt stor, dock spelar den bromsande effekten inte lika stor roll då. Eftersom formen inuti bubblan inte spelar någon större roll kan man genom att kapa profilen i bakkant få en något lättare mast, ungefär samma egenskaper vid bidevind och en något mindre bubbla vid öppnare bogar.

En avlång profil får en stor separationsbubbla när vinden inte kommer rakt framifrån. Separationen påverkas inte mycket vid bidevind om man kapar bort profilens bakkant, men profilen blir lättare och separationsbubblan kan blir något mindre när vinden inte kommer rakt framifrån.

Vill man skapa en mycket effektiv rigg och därmed minsta möjliga separationsbubbla måste profilen vara avlång och mycket strömlinjeformad, profilen måste också alltid peka med sin framkant rakt mot vinden. En vridbar mast är då enda alternativet. Det är lite mer praktiskt komplicerat att göra spridare med mera till en rigg med vridbar mast, men till exempel båtar i klassen Open 60 anser att det är värt besväret.

Verkliga mastprofiler

Den beskrivning som getts här är baserad på exempel med enkla geometriska former där det också finns många vetenskapliga experiment. Verkliga mastprofiler har mycket mer avancerade tvärsnitt som ofta är resultat av många års mätningar och försök. Exakt vilken mastprofil som passar vilken båt styrs också av hur båten är tänkt att seglas.

Genom att ha brett mellan sidovanten, rätt antal spridare och genomgående mast kan också styvhetskraven på masten, och därmed även profildimensionen, minskas och det påverkar också aerodynamiken positivt. Sedan får vi inte heller glömma bort att ett rätt skotat för- och storsegel också hjälper till och minskar effekterna av separationsbubblan.

Men de grundläggande egenskaperna och problemen är alltid de samma och det gäller för oss seglare att hantera dem.

Hans Liwång

Text och bild publicerades ursprungligen i Segling, 2006