Zeilen Natuurlijk

De natuurkunde van het zeilen. Deel 1.

Op het eerste gezicht een overbodige kreet: we doen allemaal niets liever dan dat, naar ik aanneem. Maar hier wordt iets anders bedoeld, namelijk dat er een serie artikeltjes start over het zeilen.
Tot voor kort was zeilen de enige manier om een geplande reis te maken naar een zelf gekozen bestemming, uitsluitend met gebruikmaking van natuurkrachten. En dat al eeuwen lang! De komende artikelen zullen nu gaan over de natuurkunde van het zeilen, maar dan op een luchtige manier en met zo weinig mogelijk formules. Voor iedereen die er nu spijt van heeft dat hij of zij vroeger op de natuurkundelessen niet goed heeft opgelet.
Als je een vraag mocht hebben: richt hem aan de redactie. Zo mogelijk wordt deze dan behandeld in een van de afleveringen! Zo; tijd om opnieuw te beginnen met de eerste aflevering:

Wat drijft ons?

Toen in de eerste helft van de negentiende eeuw de eerste ijzeren schepen verschenen waren de zeelieden zeer wantrouwend. Hoe kon je immers schepen bouwen van een materiaal dat veel zwaarder dan water is? Wat ze even vergaten was dat er nogal wat botters op de bodem van de Zuiderzee terecht waren gekomen; en die waren toch echt van hout, en hout hoorde te drijven!
figuur 1. Dus is de vraag eerder: wanneer drijft iets? Laten we even een gedachtenexperiment doen, uitgebeeld in fig.1
We kijken naar een wateroppervlak in rust. Nu denken we het water even als een vaste stof en halen een hoeveelheid weg in de vorm van het onderwaterschip van een bootje. (a). Nu leggen we het bootje in de kuil, en alles is opnieuw in evenwicht. (b). Kennelijk is het gewicht van het verdrongen (verplaatste) water gelijk aan het gewicht van de boot. We hebben nu dus de "drijfwet":

(1) Een drijvend voorwerp verplaatst een gewicht aan water gelijk aan zijn eigen gewicht.

Dit heeft enkele leuke consequenties. Een kubieke meter zoetwater weegt ongeveer 1000 kg. Een bootje van één ton ( de Drifter met wat spulletjes aan boord) verplaatst dus duizend liter water. Een kubieke meter zeewater is zwaarder: deze weegt 1025 kg. Als de Drifter dus het Marsdiep uitvaart hoeft hij maar 976 liter te verdringen; hij ligt dan een héél klein beetje hoger. Je zult het niet merken, maar het effekt in het veel zwaardere Dode-Zeewater zou veel duidelijker zijn.
Hoe zit het nu met die gezonken botter? Die verplaatst zijn volume aan water. Onder water ondervindt hij een opwaartse kracht gelijk aan het gewicht van dit water; dit komt neer op 1 kg/ liter. Nu speelt het zg. soortelijk gewicht een rol.

Het soortelijk gewicht is gedefinieerd als:
het gewicht van een volume van een stof gedeeld door het gewicht van eenzelfde volume water.
Eenvoudiger: het gewicht in kilogram van één liter van die stof.

Voor water is dit dus 1; voor vurenhout ca. 0,5; voor aluminium 2,7;
voor staal 7,85; voor glasvezel/polyester (van de Drascombes) 1,26.
Wat die botter betreft: het s.g. van met water verzadigd eikenhout ligt heel dicht bij de 1. En er was aan boord een boel smeedijzer, zoals beslag, delen van visgerei, potkacheltjes, ankers e.d.; dus wilde het geheel wel naar beneden, al zal het niet erg zwaar op de bodem liggen.

Kunnen we ook aan de oppervlakte blijven als we volslaan? Met bootjes kan dat tegenwoordig. De truc is om het door het volgelopen schip verplaatste volume te vergroten, zonder de constructie te veel te verzwaren. De opdrijvende kracht wordt zodoende groter.
Een eeuw geleden werden in reddingsboten reeds luchtkasten toegepast. Dit beproefde recept past Drascombe ook toe. Je verliest wat volume, dus potentiële bergruimte, maar dat is slechts beperkt: het betreft hier een lichte boot die bovendien niet geballast is. Bij de vroegere loodskotters was dit geen optie. De eikenhouten wanden waren anderhalf inch dik, de spanten navenant zwaar, en de helft van het gewicht bestond uit gietijzer of lood.
Kijk naar fig. 1 en je ziet dat je onzinkbaar bent als het gehele volume van het schip onder de waterlijn als luchtkast is uitgevoerd. Niet echt praktisch, want van loodskotters, en veel van de oude schepen, zat meer onder dan boven water. Er zou zodoende weinig nuttige ruimte binnen overblijven! Met de dunne en lichte rompen van moderne jachten, en ballastpercentages van 30%, is de luchtkast-oplossing wel haalbaar.
De Belgische Etap en de Engelse Sadler zijn de bekendste merken die de romp dubbelwandig uitvoeren. De ruimte ertussen volschuimen met PUR-schuim en voilà: onzinkbaar. Tijdens een proef met één van de kleine Etaps bleek het zelfs doenlijk om met de volgelopen boot zeilend de dichtstbijzijnde haven te bereiken. Niet comfortabel, maar je kunt er mee thuiskomen!
Een Franse watersportjournalist heeft de proef uitgevoerd met een Lugger. Ook deze bleef aan de oppervlakte drijven. Alleen was het overblijvende vrijboord gering, en kwam er water door de zwaardkast. Het leegmaken van de boot bleek dus lastig zonder speciale voorzieningen. Maar je kunt je drijvend houden; bij de boot blijven dus als je volslaat!


figuur 1. Grappig is dat bovenstaand drijf-fenomeen ook met gassen werkt. Onlangs was een presentator op TV met een aquarium gevuld met zwavelhexafluoride. Dit is een gas dat vijf maal zo zwaar is als lucht. Het levert een drijfvermogen op van vier maal het gewicht van lucht (even nadenken!) en dat is ca. vier gram per liter.
De presentator vormde een kommetje van aluminiumfolie en liet dit "drijven" op het zware gas. Het maakte zelfs dobberbewegingen! Door het kommetje vol te scheppen met het onzichtbare gas bracht hij het vervolgens tot zinken.
Dit volgt precies dezelfde wet als met water. Slechts het feit dat het drijfmedium en de scheidslijn met de lucht onzichtbaar waren maakte het zo spectaculair. Zie ook fig. 2.


Tot slot een vraagstukje.
figuur 1. In een klein tuinvijvertje ligt een bootje. In het bootje zit een man, die een grote steen bij zich heeft. Een waarnemer aan de kant tekent nauwkeurig de waterspiegel aan. Fig.3.
Nu laat de man de steen voorzichtig, zonder te spatten, overboord zakken. Wat ziet de waarnemer aan de kant?
Drie mogelijkheden:
A. De waterspiegel rijst een beetje; behalve het bootje verplaatst nu ook de steen water.
B. Er gebeurt niets: binnen het systeem vijver/bootje wordt geen massa verwijderd en ook niet toegevoegd.
C. De waterspiegel zakt: onder water verplaatst de steen minder volume dan in het bootje.

De oplettende lezer zal hier geen moeite mee hebben. Daarom ook: niet inzenden, en ook geen prijsje. In de volgende aflevering komt de oplossing.

Graag tot ziens dus!
Wouter Bijster.