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「風で倒れないヨットを作る」(第12回「海の教室」)

文責:大野 誠吾 (2008年9月 3日) カテゴリ:体験型自然科学の教室(12)

行ったこと

今回の海の教室ヨットをつくろうにおいて作成したヨットが強い風に煽られ転覆する場面が多数見られた。開催されたn-1 ヨットレースではいかに倒れないヨットを作成できるかが勝敗を分けた。 このことをうけどのようにしたら倒れないヨットが作成できるか考える。 まず、大まかに考えて帆船が倒れるときには以下のような状況になっているものと考えられる。

ヨットが倒れるのにかかわる力は風が帆にあたることで加わる力(下図では風力と表現している)とヨットの重心に加わる重力、 およびセンターボードに加わる水による抵抗力である。風力は帆のそれぞれの部分に加わるがそれらをあわせるとあたかも風がマストの中心付近を押しているように加わる。 重力についてもそれぞれのパーツに加わるがそれらをまとめるとあたかも重心を引っ張るように働くと考えることができる。 さらに、水の抵抗力についても水に浸っているセンターボードの中央に加わると考える。 ヨットが傾くのは、支点(浮力の中心を支点とした)を中心としたそれぞれの力のモーメントの和をとったときに大きい方向にヨットは傾く。 モーメントは支点からの距離と力のそれに垂直な成分の積で表される。 大きい推力を得ながらモーメントを小さくするにはできるだけ支点に近い位置で力を受ければ良いことになる。これらの力の中で制御が可能なのはマストの高さである。
(センターボードは船が流されないために重要なため制御することを避けたい。)

以下にマストの実効的な高さを0にした例を示す。船の帆として帯状のものを用いそれを支えるためのマストは作成せず、陸上においてそれを固定した。 これにより風によるモーメントは浮力を中心とした支点に対してほぼ0 となり倒れることはない。ただ実際に帆としてテープを用いこのようなヨットを作成したところ、 陸上において固定されていることで帆の向きが進行とともに変わってしまうことがあることが難点であった。この方法自体は実用的ではないがマストのない帆船はタンカーなどで実用化はされており(http://www.skysails.info/)、風力を用いるエコロジーな船舶として注目を集めている。


第12回体験型自然科学の教室「海の教室」の様子はこちら



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