A vitorlázás fizikája

1. A-Review-of-Modern-Sail-Theory (1981)
2. Aerodynamics-Of-Sail-Interaction (1971)
3. Application-of-CFD-to-Sails (1988)
4. Boundary-Layer-Flow-and-the-Headsail (1973)
5. Checking-Trim-on-the-Wind (1973)
6. How-a-Sail-Gives-Lift (1973)
7. More-on-the-Slot-Effect (1973)
8. Origins-of-Lift (2006)

Arvel Gentry kísérletekkel mutatta ki a nyomáskülönbség kialakulásának okát. Elmélete szerint a mozgásban lévő vitorla körül két áramlási mező alakul ki: az egyik a vitorla körül cirkuláló, a másik a látszólagos szél irányával és nagyságával azonos, a vitorlával nagyjából párhuzamos, súrlódásmentes áramlási mező. Mindkét áramlási mezőnek megvan a saját sebessége és iránya, melyek eredői – a látszólagos szél kialakulásához hasonlóan – összeadódnak, de egy kicsit bonyolultabb módon, mivel a vitorla körül az áramlási mezőkben az áramlások iránya és nagysága pontról-pontra változik. A vitorla körüli légáramlás sebessége és iránya ennek a pontról-pontra történő összegzésnek megfelelően alakul. A vitorla előtt a cirkulációs áramlás nem nagyon változtatja meg az eredő sebességvektorának  nagyságát, viszont jelentős, felfelé irányuló irányváltozást idéz elő. Ez a magyarázata a vitorla előtti ún. feláramlásnak (upwash). A vitorla szél alatti oldalán, a cirkulációs vektor iránya azonos a másik áramlás irányával, így azok összeadódnak, ezért a vitorla szél alatti oldalán sokkal nagyobb lesz a helyi sebesség, ami kisebb nyomást eredményez. A vitorla hátsó éle mögött a cirkulációs vektor lefelé irányul, ezért az eredő sebesség nagyságát itt is csak kis mértékben változtatja meg, viszont jelentős lesz a lefelé irányuló irányváltozás (leáramlás – downwash). A vitorla szél felőli oldalán a cirkulációs áramlási vektor iránya ellentétes a másik áramláséval, ezért ott kisebb lesz az eredő sebesség, ami nagyobb nyomást jelent.

A vitorlák közötti kölcsönhatásnál (réshatás, dűznihatás) a régi elméletek szerint a két vitorla közötti résben az orrvitorla hátsó éle és a grósz között a távolság sokkal kisebb, mint a forstág és az árboc között, és mivel azonos idő alatt ugyanolyan mennyiségű levegőnek kell átáramlania a vitorlák között, a grósz szél alatti oldala mentén sokkal nagyobb sebesség jön létre, ami növeli a szívást és így a grósz hatásosságát.

A valóságban ennek éppen az ellenkezője történik, azaz nem az orrvitorla növeli a grósz hatásosságát, hanem a grósz az orrvitorláét. A magában álló grósz és a magában álló orrvitorla körül kialakuló áramlásokat és a két vitorla kölcsönhatását vizsgálva Arvel Gentry az alábbiakban foglalta össze a vitorlák közötti kölcsönhatást.

Az orrvitorla főbb hatásai a grószra:

Az orrvitorla hatására a grósz élesebb szögből kapja a szelet, aminek  eredményeképpen a grósz szél alatti oldalának első szakaszán jelentősen lecsökken az áramlási sebesség, így kisebb lesz a nyomáscsökkenés, valamint csökken a határréteg leválásának és a vitorla túlhúzottá válásának az esélye. A grószt nagyobb állásszög-tartományban lehet hatásosabban működtetni az áramlás leválása és a vitorla túlhúzottá válása nélkül, mint akkor, amikor a grósz egymagában van. A két vitorla jelenlétében sokkal kevesebb levegő áramlik a grósz szél alatti oldala mentén, azaz a forstág és az árboc között, mint amikor a grósz magában van. A két vitorla között a grósz és az orrvitorla körül létrejövő cirkulációs áramlások ellentétes irányúak, ezért ott részben kioltják egymás hatását, így több levegő kényszerül az orrvitorla szél alatti oldalára.Az orrvitorlát közelebb húzva a grószhoz, folyamatosan csökkenő szívás alakul ki a grósz szél alatti oldalán. Amikor a grósz szél felőli és szél alatti oldalán azonosak lesznek a nyomások, akkor eltűnik a vitorla alakjának fenntartásához szükséges nyomáskülönbség a két oldal között, és a grósz belobban („ráver az orrvitorla”).

A grósz főbb hatásai az orrvitorlára:

A grósz előtti feláramlás (upwash) következtében élesebben lehet vitorlázni a hajóval az orrvitorla túlhúzása vagy lobogása nélkül, amikor mindkét vitorla fel van húzva.A két vitorla jelenlétében az orrvitorla hátsó élénél kialakuló nagyobb sebesség miatt az orrvitorla teljes szél alatti felülete mentén jelentősen megnövekszik a sebesség (nagyobb lesz a szívás), ami a felhajtóerő jelentős növekedését idézi elő.Az orrvitorla szél alatti oldalán létrejövő nagyobb sebesség azt jelenti, hogy az orrvitorla állásszögét áramlásleválás és túlhúzottá válás nélkül lehet nagyobbra állítani.A grósz megfelelő beállítása és alakja jelentős hatással van az átfedő orrvitorla hatásosságára. Minden, ami az orrvitorla hátsó élének a tartományában sebességcsökkenést okoz (mint pl. a grósz hátsó részén bekövetkező áramlásleválás) csökkenti az orrvitorla által keltett hajtóerőt.A grósz beállítása jelentősen befolyásolja a hajó szél felé való vitorlázási képességét, mivel az közvetlen hatással van az orrvitorla első élét érő feláramlásra.