Technologia dmuchanych desek SUP: zastosowanie fizyki w kształcie deski SUP

Jako stosunkowo młody sport, stand up paddleboarding szybko się rozwinął w ostatniej dekadzie, a technologia nadmuchiwanych paddleboardów rozwijała się równolegle. Deski SUP można zobaczyć na wodach na całym świecie i występują w różnych kształtach, rozmiarach i konstrukcjach. Te różnice nie są tylko powierzchowne; odgrywają znaczącą rolę w doświadczeniu wiosłującego na wodzie.

Ale skąd mamy pewność, co sprawia, że deska jest szybsza? Co naprawdę wpływa na to, jak deska porusza się w wodzie? Istnieją sposoby, aby badać i mierzyć wydajność deski. W tym celu nasz zespół badawczo-rozwojowy zastosował dziedzinę fizyki zwaną Obliczeniową Dynamiką Płynów (CFD). Dzięki CFD mogli uzyskać bardziej naukowe zrozumienie wydajności desek paddleboard. Przygotuj się na trochę nauki o SUP!

Model SUP zeskanowany w 3D do symulacji CFD

Technologia nadmuchiwanego paddleboardu: Rozkład nauki na czynniki pierwsze

Czym więc jest CFD? To technika służąca do badania fizyki ruchu płynów. Wykorzystuje liczby i dane do analizy i rozwiązywania problemów związanych z przepływem płynów, w tym przypadku wody wokół deski paddleboard. Mówiąc prosto, gdy deska paddleboard porusza się w wodzie, jej wydajność jest wpływana przez samo przemieszczanie wody, które powoduje.

Aby zmierzyć ten wpływ, przeprowadza się symulację CFD z użyciem pliku Computer-Aided Design (lub CAD). Wyniki symulacji pokazują nam właściwości fizyczne, takie jak prędkość i ciśnienie, które można wykorzystać do oceny wydajności deski. Na przykład, analizując linie prądu, możemy zobaczyć, jak pole przepływu wokół deski i kontur deski (lub kształt deski) mogą zostać ulepszone, aby zmniejszyć opór i opór hydrodynamiczny. Ta technika jest szeroko stosowana w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo, a nawet sprzęt sportowy!

Linie prądu wokół deski SUP w symulacji CFD

Co za opór!

Nasz zespół przeprowadził serię symulacji CFD na Waterwalker 126. Powyższy obraz pokazuje linie prądu wokół deski. Krzywe linii prądu reprezentują lokalną prędkość przepływu. Jak widać, przepływ zatrzymuje się na dziobie deski, a następnie przyspiesza wzdłuż burty, która ostatecznie oddziela się przy rufie. Tworzy to opór na desce, który powstaje, gdy ciało stałe (deska) styka się z cieczą (wodą).

Istnieją dwa główne typy oporu, które deska do wiosłowania doświadcza podczas poruszania się w wodzie. Jeden nazywa się oporem ciśnienia, a drugi oporem ścinania. Chociaż oba wynikają z ruchu deski w wodzie, mają różne przyczyny i skutki.

Obrazy CAD pokazujące wysokie i niskie ciśnienie na dziobie i rufie

Opór ciśnienia

Opór ciśnienia wynika z różnicy ciśnień między dziobem a rufą deski. Gdy wiosłujesz, woda przed deską jest wypychana do przodu, a w zamian woda próbuje wypchnąć deskę do tyłu. Ta interakcja tworzy stosunkowo wysokie ciśnienie na dziobie.

Jednocześnie, gdy deska porusza się do przodu, na rufie tworzy się strefa niskiego ciśnienia, a woda jest zasysana, aby wypełnić tę przestrzeń. Różnica między wysokim ciśnieniem na dziobie a niskim ciśnieniem na rufie tworzy opór ciśnienia, który działa przeciwko ruchowi do przodu deski. Dlatego deski wyścigowe mają ostre dzioby i wąskie rufy, aby różnica ciśnień między dziobem a rufą była mniejsza, co zmniejsza opór ciśnienia.

Obraz CAD pokazujący naprężenia ścinające na spodzie deski do wiosłowania

Opór ścinania

Opór ścinania, który również wynika z ruchu względnego, nie opiera się na różnicy ciśnień między dziobem a rufą. Zamiast tego opiera się na oporze na powierzchni deski i wpływa na części deski mające kontakt z wodą, czyli burty i spód deski.

Gdy deska porusza się w wodzie, bardzo cienka warstwa płynu przylega do powierzchni deski powodując naprężenia ścinające, które spowalniają deskę. Opór wywołany tym naprężeniem ścinającym to opór ścinania. Dlatego deski wyścigowe są węższe i bardziej opływowe, ponieważ te cechy pomagają zminimalizować kontakt z wodą i tym samym zmniejszyć opór ścinania.

Wykresy pokazujące wpływ prędkości i kąta na różne typy oporu

Jak inne czynniki wpływają na opór

Prędkość

Poza kształtem deski SUP, warunki wiosłowania również wpływają na wielkość oporu ciśnienia i oporu ścinania. W naszym badaniu zbadaliśmy wpływ prędkości deski SUP i kąta nachylenia. Zarówno opór ciśnienia, jak i opór ścinania są związane z prędkością deski w wodzie. Im szybciej płyniesz, tym większy opór się pojawia. Jednak oba typy oporów zachowują się inaczej przy różnych prędkościach. Opór ciśnienia zaczyna się od mniejszej wartości, a następnie rośnie znacznie szybciej wraz z prędkością deski w porównaniu do oporu ścinania, gdzie efekt jest bardziej stopniowy.

Kąt

Kąt deski zależy od tego, gdzie stoi wiosłujący na desce. Im dalej z tyłu stoisz na swojej desce paddleboardowej, tym bardziej dziób unosi się z wody, tworząc większy kąt natarcia. Im większy kąt natarcia, tym bardziej rośnie opór ciśnienia, podczas gdy opór ścinania maleje z powodu mniejszej powierzchni kontaktu z wodą.

Płetwy

Istnieją także inne rodzaje oporu. Opór powodowany przez płetwy jest jednym z nich. Płetwy odgrywają ważną rolę w kontrolowaniu kierunku deski. I chociaż może się wydawać, że to stosunkowo niewielka część deski, płetwa powoduje zauważalny opór. W naszym badaniu stwierdziliśmy, że przy niskich prędkościach opór powodowany przez płetwy był bardziej znaczący. Wraz ze wzrostem prędkości deski, płetwy generowały mniejszy opór. Czynniki takie jak układ płetw i ich kształty odgrywają rolę w określaniu oporu, więc istnieje potencjał do optymalizacji układu i kształtów płetw.

Lepsze deski dzięki nauce

Co więc mówią nam te wszystkie odkrycia? Ostatecznie kwantyfikujemy, jak kontur deski i inne czynniki można zoptymalizować, aby zmniejszyć opór. Opór zdecydowanie wpływa na wydajność deski i twoją przyjemność na wodzie, spowalniając cię i zmuszając do większego wysiłku. Rozumiejąc dokładnie, które obszary generują opór i w jakich ilościach, możemy lepiej optymalizować nasze projekty, aby zmniejszyć opór, zwiększyć stabilność i ślizg oraz zapewnić ci najlepsze doświadczenie SUP na wodzie!

Zawsze pracujemy w laboratorium, aby wyciągnąć jak najwięcej z naszego sprzętu i stosować odkryte spostrzeżenia w projektach i kształtach naszych desek do paddleboardingu. Chociaż mogłoby się wydawać, że rozwiązaniem jest tworzenie wąskich desek z zwężonym dziobem i rufą, aby zminimalizować opór, to jednak złożona interakcja czynników takich jak stabilność, objętość i przeznaczenie musi być brana pod uwagę. Obserwuj kolejne posty techniczne podobne do tego w przyszłości.

Im lepiej rozumiemy, gdzie i jak opór wpływa na SUP w wodzie, tym lepiej możemy dostarczyć idealne połączenie wydajności i stabilności dla każdej aktywności lub zastosowania SUP. Dzięki pomocy CFD możemy tworzyć dokładniejsze modele, przeprowadzać bardziej istotne testy i wyciągać bardziej wpływowe wnioski. Dzięki tym ulepszonym technikom, będącym częścią naszego procesu badawczo-rozwojowego, jesteśmy podekscytowani, że możemy pchać ten sport do przodu!

Parafrazując postać Matta Damona w filmie Marsjanin: „W obliczu przytłaczających przeciwności pozostaje nam tylko jedna opcja. Będziemy musieli naukowo rozwiązać ten problem.”