1. Mala brodogradnja

Hidrodinamika: Vjetar

Vjetar spada u one pojave koje nas neprekidno okružuju, i upravo zato mnogi od nas misle da o vjetru znaju sve, ali istom kada se malo detaljnije zamislimo nad njim shvatimo da je riječ o jednoj čudesnoj meteorološkoj pojavi, neobičnoj sili koja oduševljava svojom kompleksnošću

Vjetar predstavlja strujanje zraka većeg obima, odnosno strujanje većih zračnih masa u odnosu na površinu Zemlje. Vjetrovi se obično dijele prema brzini i smjeru, područjima u kojima pušu i učincima koje izazivaju. Prema dužini trajanja vjetrovi mogu puhati nekoliko minuta kao na primjer tijekom oluje, dok lokalni vjetrovi termičkoga porijekla mogu trajati i do nekoliko sati, a mogu se pojaviti i snažni kratkotrajni udari vjetra. Snažni vjetrovi nešto dužeg trajanja nazivaju se oluje. Dugotrajni vjetrovi imaju različita imena povezana s njihovom prosječnom snagom. Postoje i globalni vjetrovi koji nastaju zbog razlike u apsorpciji sunčeve energije između različitih klimatskih zona na Zemlji.

Vjetar općenito nastaje uslijed strujanja zraka iz područja višeg u područje nižeg tlaka i uvelike je ovisan o kolebanju tlaka zraka kao i o razlici temperature zraka.O vjetru se može puno pisati, prvenstveno u meteorološkom smislu, ali u ovom tekstu naglasak će više biti dan na značajke koje bi mogle biti interesantne jedriličarima.

Brzina i smjer vjetra

Vjetar se prvenstveno definira smjerom i brzinom. Budući da se vertikalna komponenta brzine vjetra u pravilu ne mjeri, za određivanje smjera i brzine dovoljne su dvije sprave: jedna za određivanje smjera, a druga za određivanje horizontalne komponente brzine vjetra. Pod smjerom se smatra strana svijeta odakle vjetar puše što je sasvim suprotno od kursa broda koji označava stranu svijeta prema kojoj brod plovi. Smjer vjetra određuje se stupnjevima, tako da horizont ima podjelu od 0 do 360 stupnjeva u smjeru gibanja kazaljke na satu, pri čemu se vrijednost od nula stupnjeva podudara sa sjeverom. Drugi i stariji način određivanja smjera vjetra je prema stranama svijeta, a u pomorstvu se obično upotrebljavao prikaz s podjelom horizonta na 32 dijela, svaki od 11,25 stupnjeva, s označenim glavnim vjetrovima. Ovakva podjela potječe još iz doba jedrenjaka, i danas ima tek simbolični značaj.

Sprava za određivanje smjera vjetra zove se vjetrulja. To je vrlo jednostavni, a vjerojatno i najstariji meteorološki instrument. Sastoji se od nesimetričnoga tijela koje se slobodno okreće oko vertikalne osi i koje se uvijek postavlja u smjer vjetra. Dio vjetrulje, najčešće u obliku strelice, pokazuje smjer odakle puše vjetar.

Sprava za mjerenje brzine vjetra zove se anemometar. Osnovni tip anemometra temelji se na okretanju tijela koje je izloženo vjetru. Najčešće se sastoji od tri do četiri polulopte koje su preko kratkih poluga pričvršćene na vertikalnu os oko koje se okreću. Okretaji se zatim odgovarajućom formulom pretvaraju u brzinu vjetra.

Ove dvije sprave dovoljne su za određivanje i mjerenje vjetra na kopnu, ali na moru stvari stoje ipak nešto drugačije. Naime, mjerenje smjera i brzine vjetra na plovilu nije tako jednostavno zbog utjecaja gibanja plovila. Vjetrulja i anemometar na plovilu koje se kreće mogu registrirati samo prividni vjetar, tj. vjetar koji se osjeća na plovilu. Prividni vjetar naziva se ono kretanje zraka koje nastaje zajedničkim djelovanjem pravoga vjetra i vjetra koji nastaje uslijed gibanja plovila.

U pomorstvu se kao jedinica za jakost vjetra upotrebljavala Beaufortova ljestvica prema kojoj se vjetar procjenjuje prema njegovim učincima. Izradio ju je 1805. godine Sir Francis Beaufort (1774.-1857.), britanski mornarički časnik i hidrograf. Beaufortova ljestvica je 1874. godine prihvaćena za međunarodnu upotrebu. Beaufort je ljestvicu sastavio u doba jedrenjaka, pa je stoga pri procjeni jakosti vjetra uzeo djelovanje vjetra na izloženu površinu jedara. Ljestvica se kasnije više puta dotjerivala i mijenjala, a često se i sada prilagođava posebnim prilikama i svrhama. Ljestvica se povezala i s odgovarajućom visinom valova, a obično se daju i brzine vjetra u čvorovima, m/s i km/h. Tablicom je ustaljena i terminologija za različitu jakost vjetra i uzburkanost mora. Budući da je zbog trenja vjetar neposredno iznad uzburkanog mora slabiji nego u visini od nekoliko metara, često se u tablici kao podloga za procjenu uzima brzina na visini od pet ili deset metara nadmorske visine. Prikazana je tablica s jakostima vjetra prema Beaufortu i odgovarajućih brzina vjetra u m/s, km/h i čvorovima.

Za brzo preračunavanje brzine vjetra prema Beaufortovoj ljestvici u brzinu u m/s, može se primijeniti slijedeće pravilo: 2 x jakost prema Beaufortu - 1. Na primjer, za jakost od pet Beauforta slijedi: 2 x 5 - 1 = 9 m/s. Za preračunavanje brzine vjetra iz m/s u čvorove, brzina u m/s se mora podijeliti s 0,514. Na primjer, za brzinu vjetra od 8,0 m/s slijedi: 8,0/0,514=15,6 čvorova. Obratno, za preračunavanje brzine u čvorovima u brzinu u m/s, brzina vjetra u čvorovima se mora pomnožiti s 0,514.

Uslijed trenja o površinu mora brzina vjetra je neposredno uz površinu vrlo mala i svoju stvarnu vrijednost poprima tek na otprilike deset metara visine. Upravo zbog toga na startu regata s jedrilicama različitih veličina veće jedrilice s visokim jarbolima su u velikoj prednosti jer njihova jedra većom površinom zahvaćaju područje s jačom cirkulacijom zraka.

S porastom visine osim povećanja brzine dolazi i do promjene smjera vjetra. Vjetar u gornjim slojevima, ali sada se govori o visini od nekoliko kilometara, skreće na udesno. Ponekad ta razlika može iznositi i do 15 stupnjeva! Ova pojava, koja je prisutna naročito ljeti, može biti od značaja jedriličarima koji tada prema oblacima koji se kreću na visini mogu približno odrediti smjer vjetra koji se još nije spustio u niže slojeve. Očekivani smjer u tom se slučaju okvirno određuje tako je smjer vjetra 15 stupnjeva više ulijevo. Smjer gibanja vjetra nije, kako se to općenito uzima, vodoravan već vjetar puše pod kutom od približno četiri stupnja u odnosu na površinu mora. Skretanje vjetra prema gore je sasvim neovisno o jakosti i smjeru vjetra, godišnjem dobu kao i dobu dana.

Utjecaj kopna na vjetar

Na vjetar veliki utjecaj ima i kopno koje djeluje na njegovo nastajanje ili usporavanje te promjenu smjera. Sposobnost kopna da dovede do nastajanja vjetra ima svoj uzrok u izjednačavanju razlike temperature između mora i kopna. Ova pojava u pravilu se može promatrati samo za lijepa vremena. Izjednačavanje je najjače kad je razlika temperature između mora i kopna najveća, što je u pravilu ljeti između 13 i 15 sati. Moguće je da bi u tom smislu pri lijepom sunčanom i tihom vremenu kod starta regate u podne trebalo izabrati kurs uz samu obalu.

U tim se uvjetima danju kopno jače zagrije nego more pa se zrak iznad kopna zagrijava i diže u visinu pri čemu hladniji zrak s mora nadomješćuje ovaj topliji zrak. Izmjenom zraka dolazi do stalnog kružnog gibanja koje traje toliko dugo dok se razlike u temperaturama ne izjednače. Navečer, odnosno noću, događa se obratna pojava. Kopno se hladi brže od mora pa se razmjerno topliji zrak iznad mora penje u visinu, a hladniji iznad kopna struji prema moru na mjesto toplijih zračnih masa koje su se digle u visinu. Tipični ovakav vjetar koji na Jadranu nastaje danju je ljetni maestral, a noću burin. Za nastajanje ovog strujanja nije uvijek nužna interakcija mora i kopna. Naime, slične pojave nastaju i kada se radi o zemljanom ili kamenom tlu te šumi ili polju. Bitno je samo da nejednako zagrijavanje površina dovede do osjetnih razlika u temperaturi. Na šumovitoj obali večernji vjetar će se pojaviti kasnije i u slabijem obliku, dok će se s polja i kamenitog tla ranije pojaviti jači vjetar s kopna. Zbog toga možda ne bi trebalo jedriti noću u blizini šumovite obale. Kameniti dijelovi kopna i polja preko dana u većoj mjeri djeluju usisavajuće, za razliku od šumovitih obala koje u danima tišine uzrokuju vrlo ograničen, ali ustaljen vjetar prema kopnu.

Osim što kopno utječe na nastajanje vjetra, ono djeluje i na njegovo usporavanje i promjenu smjera. Ukoliko vjetar puše s kopna, a u blizini obale postoji nekakva zapreka (npr. visoka litica) pojavljuje se područje zavjetrine čija veličina otprilike odgovara četverostrukoj visini zapreke. Učinak zavjetrine je tim veći što je jedrilica bliže obali. Zavjetrina ne ovisi samo o visini zapreke već i o njenoj vrsti. Tako se na primjer kod šume koja se nalazi na ravnoj obali može prepoznati veliki pojas zavjetrine, premda obala ne predstavlja stvarno i visoku zapreku. Širina zavjetrinskog pojasa može ići i do 500 metara. Uzrok ove pojave leži u usporavanju vjetra do čega dolazi uslijed velikog trenja zraka o krošnje drveća. Naravno, radi se o slučaju kod kojeg vjetar dolazi s kopna.

Drugi je slučaj kada vjetar puše s mora prema obali. Ukoliko se radi o zapreci veće visine, jedrilicom se može upasti u vjetar koji se isto kao i valovi odbijaju od zapreke. Ovaj se utjecaj u većoj ili manjoj mjeri pojavljuje kod svake obale. Učinak odbijanja može se osjetiti u pojasu kojem je najmanja širina jednaka visini obale pa ukoliko se radi o vjetru koji nije termičke prirode, ne bi trebalo ploviti blizu obale.

Osim na jakost vjetra, kopno djeluje i na promjenu smjer vjetra. Kada vjetar puše iz unutrašnjosti kopna prema obali pod nekim kutom, na obalnom rubu vjetar će skrenuti u skoro okomiti smjer prema obali, a kasnije će opet poprimiti smjer koji je imao nad kopnom. To znači da će vjetar izravnije puhati s kopna kako se jedrilica približava kopnu. Ova činjenica bi se možda mogla praktično iskoristiti tako da se, ukoliko se želi iskoristiti prednost jedrenja u blizini obale, jedri dužim dionicama s istim uzdama bočno okrenuti prema obali, što se eventualno može prekinuti samo kratkim okretima na drugu stranu.

Na sličan način skreće i vjetar koji pod nekim kutom puše prema kopnu. Kod približavanja kopnu vjetar mijenja svoj kosi smjer tako da na obalnu crtu dolazi više okomito, da bi nakon toga nad kopnom opet zapuhao u prijašnjem smjeru. Ova promjena smjera vjetra obično dovodi do strujanja vode u blizini obale budući da vjetar dio svoje energije predaje vodi. Zbog toga se pojavljuje strujanje vode paralelno s obalom pa bi zbog toga prema prilici kod križanja trebalo izbjegavati blizinu kopna.

Sve navedeno o utjecaju kopna na brzinu i smjer vjetra ne bi trebalo uzimati zdravo za gotovo budući da je teško u par rečenica obuhvatiti sve moguće lokalne prilike koje bi mogle djelovati na promjenu brzine i smjera vjetra. Međutim, vjerojatno bi se boljim općenitim poznavanjem prilika u kojima nastaje vjetar i utjecaja kopna na njegovu brzinu i smjer, uz nezaobilazno uvažavanje lokalnih prilika, svaki dašak vjetra mogao bolje iskoristiti, što bi u konačnici moglo osigurati i pobjedu u nekoj obalnoj regati.