Hoe werkt een zeil op een zeilboot?

Om te weten hoe een zeilboot vooruit komt moet je weten hoe een zeil op een zeilboot werkt. In dit artikel leg ik je dat graag uit. Ik leg je uit hoe het vleugel (profiel) werkt, hoe er lift ontstaat en welke krachten er aanwezig zijn op een zeiljacht. Dit is de basistheorie van het zeilen en onmisbaar om je boot beter te trimmen.

• Flexibele vleugel
• Lift en de Wet van Bernoulli
  • Kiel: een vleugel ónder water
  • Roer: genereert ook lift
• Veelgestelde vragen

Volgens de definitie is een zeil een “doek op een schip dat bedoeld is om de kracht van de wind te vangen en om te zetten in een voortstuwende kracht voor het schip”.

Deze definitie doet denken aan de vierkante zeilen van ra-getuigde schepen uit het verleden, die praktisch alleen met de wind mee konden zeilen. Terwijl de meeste (open) zeilboten en zeiljachten tegenwoordig gebruik maken van zeilen die veel meer te vergelijken zijn met een high-tech vleugel van een vliegtuig dan met een “doek op een schip”. Temeer als je bedenkt dat veel moderne zeilschepen bijna tegen de wind in kunnen zeilen en sommige zeilboten aanzienlijk veel sneller kunnen varen dan de windsnelheid waarmee zij voortgestuwd worden.

Een zeil is meer dan “een doek op een schip”. Als je weet hoe een zeil werkt, kun je dit in je voordeel gebruiken om de performance van de boot te verbeteren en daarmee sneller en comfortabeler te zeilen.

Hoe kan het dat een zeilschip bijna tegen de wind kan zeilen?
En waarom kunnen sommige boten met de juiste zeiltrim sneller zeilen dan de windsnelheid?

Flexibele vleugel

Alhoewel er tegenwoordig ook boten met echte vleugels (zowel boven- als onder water) bestaan, worden de zeilen om praktische redenen op veruit de meeste zeilboten en zeiljachten gemaakt van flexibel materiaal. In een ver verleden werden hiervoor dierenhuiden gebruikt, later werden geweven materialen gebruikt waarmee vooralsnog alleen voor-de-wind gevaren werd. Tot ca 1000 na Christus vertrouwde men voor andere koersen op de kracht van tientallen of honderden slaven om het schip voort te stuwen.

De steeds grotere schepen vroegen om grotere zeilen die onder invloed van de windkrachten in het midden bolden. In de loop der tijd moet het tot de zeelieden zijn doorgedrongen dat het schip sneller en hoger aan-de-wind kon varen wanneer de zeilen onder een hoek op de windrichting getrimd werden. Tot zij er uiteindelijk achter kwamen dat, wanneer één van de zijkanten van het zeil maar ver genoeg naar voren werd getrokken, het schip door een onbekende kracht haast tegen de wind in kon varen… het vleugelprofiel was ontdekt!

Lift en de Wet van Bernoulli

Het duurde nog tot 1738 tot het fenomeen dat een zeilschip met de juiste zeiltrim ook aan-de-wind kon zeilen theoretisch onderbouwd werd. Professor Daniel Bernoulli was een Zwitserse wis- en natuurkundige die met name bekend werd door zijn “Wet van Bernoulli”. Deze man leefde overigens in zijn eerste vijf levensjaren in Nederland (Groningen).

Kort samengevat stelde hij in de “Wet van Bernoulli” dat binnen een gas- of vloeistofstroom de som van de statische druk en de stuwdruk (snelheid) constant is. Dat betekent dat bij een grotere snelheid de druk minder wordt en bij een lagere snelheid de druk toeneemt. Dit klinkt wellicht wat abstract maar komt sterk versimpeld (!) neer op het volgende:

1. Luchtdeeltjes verplaatsen zich evenwijdig aan elkaar.
2. Een zeil of vliegtuigvleugel vormt een hindernis.
3. Aan de voorkant van de vleugel worden de deeltjes gedwongen uitelkaar te gaan.
4. Deeltjes aan de bolle kant (lijzijde van het zeil) komen in een vernauwing terecht tussen het profiel en de luchtdeeltjes die op enige afstand hun rechte baan volgen.
5. De luchtdeeltjes aan de lijzijde van het profiel (of de bovenkant van de vleugel) zullen sneller bewegen (Venturi-effect) waardoor de druk in dit gebied afneemt (wet van Bernoulli) en het profiel in deze richting “gezogen” wordt.
6. Met andere woorden: er ontstaat lift.

Bovenstaande uitleg over de wet van Bernoulli, de werking van een zeil en het ontstaan van lift is zoals aangegeven sterk vereenvoudigd, maar geeft de basis om het krachtenspel dat op een zeilschip werkt beter te begrijpen. Daaruit is later ook af te leiden waarom zeilboten en zeiljachten weliswaar niet recht tegen de wind in, maar toch in de richting van de wind kunnen zeilen. 

Kiel: een vleugel ónder water

Om te kunnen begrijpen waarom een zeilboot tegen de wind in kan varen, is enige kennis van het onderwaterschip nodig. 

De eerder beschreven lift is weliswaar een kracht die afhankelijk van de vorm van het zeilprofiel al enigszins naar voren gericht is, maar deze levert op een zeilboot of zeiljacht nog steeds een sterke dwarskracht op. Zonder een tegengestelde kracht, zou een zeilboot niet tegen de wind in kunnen zeilen.

Deze tegengestelde kracht wordt door de combinatie van romp, kiel en roer gegenereerd en zorgt voor de balans die nodig is om de boot met de juiste zeiltrim in de gewenste richting te kunnen laten varen. 

Zowel een kiel(vin) als het roer hebben op veel zeilboten en zeilschepen een profiel dat lijkt op het profiel van een zeil of een vliegtuigvleugel. Deze profielen werken evenals het zeil boven de waterlijn, ook onderwater als een soort vleugel en creëren (bij de juiste trim) lift.

In onderstaande, enigszins complex ogende afbeelding van een aan-de-wind zeilende zeilboot met een constante snelheid (uit “High-speed sailing” van Wolfgang Püschel), zijn de resulterende krachten R_A en R_H (rood) en F_A en D_H (groen) gearceerd om aan te geven dat de krachten elkaar in evenwicht houden en de boot in de aangegeven richting en met de aangegeven snelheid kan zeilen.

R_A = resulterende kracht van aerodynamische lift (L_A) en Weerstand (D_A)
R_H = resulterende kracht van hydrodynamische lift (L_H) en Weerstand (D_H)
F_A = uit R_A afgeleide voortstuwende krachtD_H = weerstand van romp, kiel en roer

In essentie kan een zeilboot met de juiste zeiltrim dus in een relatief kleine hoek ten opzichte van de (schijnbare) wind zeilen omdat zowel boven- als onderwater een kracht gegenereerd wordt die lift genoemd wordt en deze krachten elkaar in balans houden.

Uit dit plaatje is ook af te leiden dat weerstand (D_H) een belangrijke component is en dat de snelheid van de boot in sterke mate door de weerstand bepaald wordt.

Wil je sneller varen, moet je de weerstand dus verlagen, bijvoorbeeld door de romp van je schip schoon (en glad) te houden 😉
Daarover later meer…

Roer: genereert ook lift

Alhoewel het roer op de hiervoor getoonde afbeelding niet weergegeven wordt om de complexiteit niet onnodig te verhogen, is het wel degelijk een belangrijk onderdeel als het gaat om lift.

Met het oog op het krachtenspel én dus het generen van lift is ook het roer zeer bepalend. Het heeft namelijk op veel (moderne) schepen een profiel dat sterk op het profiel van een (symmetrische) vleugel lijkt en daarmee heeft het ook vergelijkbare eigenschappen.

Ten opzichte van de kielvin heeft het roer bovendien het voordeel dat de aanstroomhoek veranderd kan worden waardoor je deze voor een gegeven koers en omstandigheden zelf kunt bepalen.

Aan-de-wind zeilend is het daarom mogelijk extra lift te genereren door de zeilen zo te trimmen dat de aanstroomhoek van het roer optimaal is. Voor veel schepen geldt dat deze optimale hoek gemiddeld tussen 3⁰ – 5⁰ ligt. Dus dat de boot enigszins “loefgierig” is.

Op onderstaande grafiek is te zien dat de lift (liftcoëfficiënt) toeneemt met toenemende aanstroomhoek maar dat de weerstand v.a. ca 5⁰ de lucht in schiet. Daaruit kun je dus afleiden dat enige loefgierigheid goed is voor de performance, maar dat een te grote roeruitslag als een rem werkt.

Leer alles over de trim van zeilen in onze handige zeiltrim gids >>

Veelgestelde vragen