Artikkelen beskriver friksjonsmotstanden som vannet påfører båtskroget, og hvordan en regattabåt må behandles for å redusere denne motstanden mest mulig.
Det er vanlig å dele motstanden mot en båts bevegelse fremover i vannet i flere komponenter. En av disse er bølgemotstanden, den knyttes til energien som kreves for å «brøyte» vannet til side, med baug- og hekkbølge som resultat. En annen er friksjonsmotstanden, den er direkte avhengig av arealet av skroget som er i berøring med vannet, altså skrogets "våte flate". Det er denne siste komponenten vi er opptatt av når vi forsøker å redusere motstanden ved å gjøre skrogoverflaten glatt.
En annen slags friksjon
Friksjonen mellom skroget og vannet er ikke som friksjonen vi har når vi skyver en bok bortover på et skrivebord. Molekylene i boken og skrivebordet gnis mot hverandre, men blir ikke revet løs. Mellom skroget og vannet er det litt annerledes. Langs hele skroget vil der alltid være et tynt lag med vannmolekyler som «limer» seg fast til skroget. Utenfor dette laget vil vannmolekylene gli fra hverandre, det skjer gradvis etter hvert som molekylene ligger lengre og lengre borte fra skroget. Vi kan tenke oss dette som om vannet danner mange tynne lag utenpå hverandre, fra innerst, der vannet ligger i ro i forhold til skroget, og utover til det ytterste laget som ligger i ro i forhold til sjøen som båten seiler gjennom.
Av dette følger at motstanden ikke stammer fra «gnissingen» mellom skroget og vannmolekylene, men skyldes kreftene som holder vannmolekylene sammen i vannet og motsetter seg å bli flyttet i forhold til hverandre. Kraften som driver båten fremover går med til å dra vannmolekylene fra hverandre. Hadde væsken vært seig som sirup (høy viskositet), så var motstanden stor. Men i vann derimot (liten viskositet), er motstanden forholdsvis liten.
Kjemien spiller ingen rolle
Av dette forstår vi at det ikke betyr noe hvilken "kjemi" skrogoverflaten består av. Om overflaten er dekket med silikon, eller et bunnstoff som inneholder grafitt eller teflon, slik at den kjennes glatt ut ved berøring, så spiller dette ingen rolle for friksjonen mot vannet. De innerste vannmolekylene sitter uansett i tilnærmet ro i forhold til skrogoverflaten. En annen sak er at slike stoffer kanskje kan gjøre det vanskeligere for biologisk groe å feste seg på overflaten og skape ujevnheter.
Laminær strømning og turbulens
Strømningsformen som er beskrevet her, med mange lag som glir utenpå hverandre, kalles "laminær". Vi finner dette mønsteret ved baugen, i forkanten av kjølen og i forkanten av roret. Men slik laminær strømning er ikke stabil over en lengre avstand. Et stykke bak forkanten slår strømningen over i en mer rotet form med mange, tilfeldige hvirvler. Denne turbulente oppførselen krever adskillig mer energi enn laminær strømning, energien til dette tas fra skroget som derved får øket motstand. Friksjonen kan her øke til det mangedobbelte.
Mot akterenden av skroget, river strømningslagene seg helt fra skroget og det dannes store hvirvler. Vi sier at strømningen her er "separert".
Hvor langt vannet strømmer laminært før det slår over til turbulent, avhenger av båtfarten. Lav fart gir lengre laminær strøm. Men ujevnheter i overflaten kan gi opphav til tidlig turbulens. Dessuten spiller skrogets form en rolle. Skroget er gjerne utformet ut fra andre hensyn enn at det skal støtte en laminær strøm. Sterk krumming og kantete former kan fremskynde turbulens. En form som bidrar til å opprettholde laminær strømning, er det vi forbinder med "strømlinjeformet".
Siden laminær strøm gir lavere friksjon enn turbulent strøm, er det om å gjøre å opprettholde laminær strøm langs skroget lengst mulig.
Hydraulisk glatt
Det innerste vannlaget, det som er tilnærmet stillestående i forhold til skroget, er bare en brøkdel av en millimeter tykt. Hvis skroget har ujevnheter som er mindre enn tykkelsen på dette vannlaget, så merkes ikke disse ujevnhetene, de påvirker ikke det større strømningsmønsteret. Skroget regnes da som «hydraulisk glatt». Større ujevnheter enn det som svarer til hydraulisk glatt, påvirker både laminær og turbulent strømning og øker friksjonen, særlig om vi er i en sone med laminær strøm der ujevnhetene bidrar til å provosere fram omslag fra laminær til turbulent strømning
Hvor glatt er hydraulisk glatt?
En enkel tommelfingerregel for hydraulisk glatt er: h= 0,2/v. Her er h høyden av skrog-ujevnhetene målt i mm og v er båtfarten målt i knop. Grensen for hvor små ujevnhetene må være for at skroget skal regnes som "hydraulisk glatt", er altså avhengig av skrogets fart gjennom vannet. Større fart krever at ujevnhetene er mindre. Formelen sier at ved en fart på 7 knop, blir h=(0,2/7)mm = 0,029mm. Dvs. at ved 7 knop må ujevnhetene være mindre enn rundt 0,03mm for ikke å påvirke strømningsmønsteret og øke friksjonen. Ved høyere fart blir kravet til glatthet sterkere. 13 knop svarer til 0,015mm. En langsom fart på 2 knop vil derimot svare til 0,10mm.
Når vannet strømmer lags skrogflaten, er friksjonen alltid høyest ved forkanten av strømningsområdet. Friksjonen synker noe etter hvert akterover. Slår strømningen over fra laminær til turbulent, så stiger friksjonen brått igjen, for så på nytt å synke litt etter litt akterover. Dette henger sammen med at tykkelsen på strømningslagene vokser akterover med strømmen. Med øket tykkelse av lagene øker størrelsen på ujevnhetene som aksepteres som hydraulisk glatt. Formelen ovenfor gir egentlig krav til glatthet ved forkanten av strømningsområdet og setter derfor litt strenge krav.
Kornstørrelse
Sandpapir nr. 400 har kornstørrelse på rundt 0,035mm, som i praksis er ganske nær 0,03mm. Dette var grensen for ujevnheter for glatt skrog ved 7 knop Dette sandpapiret kan derfor gi oss et inntrykk hvor glatt skroget bør være ved 7 knop. Men sandpapiret har skarpe korn som ved berøring vil føles annerledes enn ujevnheter på tilsvarende størrelse på skrogoverflaten.
For å vurdere hva slags sandpapir som må brukes ved vannsliping for å oppnå tilstrekkelig glatthet, er sammenhengen med kornstørrelse ikke helt relevant. Sandpapiret etterlater seg riper som er langt mindre enn kornstørrelsen. Rimeligvis vil vannsliping med sandpapir nr. 200, eller kanskje ennå grovere, gi en hydraulisk glatt overflate for 7 knops båtfart. Pusse-effekten av ulike kornstørrelser er det vanskelig å finne pålitelige data for.
Et vanlig malingsstrøk har gjerne ujevnheter på 0,05mm - 0,10mm. Hvis bunnstoffet gir en overflate med ujevnheter opp mot 0,10mm, det vil si at det viser tydelige penselstrøk, må det pusses dersom det skal bli hydraulisk glatt for båtfart rundt 7 knop og høyere.
Lengden på laminær strømning.
Hvor langt bakover kan en forvente å beholde laminær strømning? Svaret er: Kortere enn hva mange tror.
Den klassiske fremstillingen av laminær strømning kommer fram til formelen L = 2/v. Dette likner tommelfingerregelen for grensen for ujevnheter for hydraulisk glatt skrog. Men i uttrykket er nå lengden L gitt i meter, ikke mm. Og det står tallet 2 over brøkstreken, ikke 0,2. Strømningshastigheten v er fortsatt gitt i knop. Teorien sier altså at hvis overflaten er hydraulisk glatt, så kan vann strømme laminært i opptil 0,3m hvis farten er 7 knop, før strømningen slår over i turbulens. 13 knop derimot gir laminær strøm i bare 0,23m. Er farten 2 knop så vil laminær strøm kunne strekke seg til en meter. Jo langsommere fart, dess lengre kan laminær strømning opprettholdes.
Så, hvor langt bakover fra baugen må vi pusse?
Vi kan altså ha laminær strømning over de første 30 cm fra baugen hvis farten er 7 knop. Men da må ujevnhetene ikke være større enn 0,03mm. Derfor bør den første halv-meteren pusses godt. Her må vi til med sandpapir nr. 180 - 220. Er vi først i gang, kan vi gjerne strekke området til en meter. Tilsvarende gjelder for kjøl og ror. Forventer vi ennå større båthastigheter enn 7 knop, så må fremkant, dvs. de første 20-30 cm av baug, ror og kjøl gjøres enda glattere. Dette er særlig aktuelt for båter som skal plane.
Ved 4 knop kan vi kanskje få laminær strøm fra baugen og akterover den første halvmeteren. Har vi pusset dette stykket med tanke på hydraulisk glatt for 7 knop, så er denne jobben allerede gjort.
Aktenfor den første halvmeteren får vi laminær strøm bare ved 2-3 knops båtfart eller langsommere. Her er kravet til glatthet 0,07 -0,10mm. En slik glatthet er ikke vanskelig å oppnå. Tynne strøk med et bunnstoff som påføres jevnt og omsorgsfullt på et underlag som er glatt, vil tilfredsstille dette kravet. Dette er kvaliteten på glattheten vi bør holde de første meterne bak den fremste, finpussede sonen.
Noen undersøkelser hevder at ved lav fart kan det være mulig å beholde tilnærmet laminær strømning så langt som 1/3-del av skroglengden, forutsatt at skroget er glatt og ikke krummer noe særlig i lengderetningen. Det hender jo at vi seiler i henimot vindstille. Dette medfører at bakover mot midten av skroget bør det pusses "sånn passe bra", og bunnstoffet påføres forsiktig. Merk at skroggjennomføringer, logg og lignende kan være opphav til større turbulenser.
Kjølen og roret bør få særlig oppmerksomhet. En moderne kjølprofil er gjerne designet for laminær strøm, i det minste fram til kjølens tykkeste punkt, og må pusses i forhold til dette.
Ujevnheter vil gi øket friksjon også i områder med turbulent strømning. Her er kravene til glatthet lavere. Ujevnheter som forårsakes av penselstrøk med bunnstoff vil ikke ha betydning. Men ujevnheter som skyldes begroing kan øke turbulensen og dermed motstanden. Skroget må fortsatt holdes rent.
Er det så viktig ?
Ett spørsmål gjenstår: Hvor dramatisk er det å ha et skrog som ikke er hydraulisk glatt ? Er all pussingen med vannslipepapir verdt strevet og alt griseriet?
Det er ikke enkelt å gi et kvantitativt svar. En kilde oppgir at for en 40 fots båt på kryss i 7 knop, vil en ru flate som svarer til 0,1 mm sandkorn, kunne øke friksjonen med 25% sammenlignet med et hydraulisk glatt skrog. Men det er ikke åpenbart hvor sterkt båtfarten blir påvirket av friksjonskraften.
Ved lav hastighet, altså ved svak vind, er friksjonen den dominerende motstanden, og som dermed har mest å si for hvilken fart båten oppnår. Men bølgemotstanden utgjør en større andel ved større båtfart og dominerer ved skrogfarten.
En kilde peker på at kjøl og ror må gjøres spesielt glatt på grunn av funksjonen de har med å skape løft. Allerede ved 0,010mm ruhet synker løftet med 25% og motstanden kan øke med 30%. Konklusjonen her er at kjølen må finpusses og roret helst poleres.
Det samlede budskapet er sannsynligvis at uten å pusse skroget og gjøre det hydraulisk glatt, der det trengs, vinner man ikke i VM. Men en seier i den lokale onsdagsregattaen er fortsatt godt innenfor rekkevidde. Her vil en effektiv berging av spinnakeren kunne bety mer enn et hydraulisk glatt skrog.
Stig Gard Paulsen, 4.5.2025
Strømningsfenomen ble studert av Osborne Reynolds mot slutten av 1800-tallet. Han kom fram til at strømning i væsker og gasser styres av treghetskreftene og friksjonen. Strømningen følger et felles mønster hvis det blir tatt hensyn til de store forskjellene i tetthet og viskositet.
Reynoldstallet beskriver forholdet mellom treghetskreftene og friksjonskreftene. Tallet er definert som :
Re = (strømningslengde x tetthet x strømningshastighet) / viskositet
For strømning over store, plane flater, har strømningen alltid slått over fra laminær til turbulent strøm når Re er mer enn 1 million.