なぜヨットは風上に向かって進むのか？

 

ヨットは風の力だけで風上に進むのだが、そこには自ずと限界があり、真向いの風に逆らって進むことは出来ないが、真向いの風に対して３５～４５°辺りの角度で進むことが可能なのである。しかし４５°とはいえ、風が吹いてくる方向へ風に逆らって進むのだから、そこにヨットの魅力がある。

 《「揚力」の正体》

 

飛行機はなぜ空を飛べるのか？それは翼に「揚力」が生じ、機体が空中に浮くからである。ということはよく知られている。

ヨットもセールとキールに「揚力」が生じ、その絶妙なバランスで、風上に進むのである。

 

それではその「揚力」について少し考えてみたい。

図1は「揚力」発生のメカニズムである。

 

図1の流体は飛行機の翼やヨットのセールに対しては風の流れであり、ヨットのキールに対しては水の流れである。

 

図1の要点は流体の一様な流れに薄い板を置いた場合、板の角度（「迎え角」という）を流れに平行な状態（「迎え角」ゼロ）から流れに垂直な状態（「迎え角」９０°）まで、いろいろ変えてみると、一様であった流れに変化が生じる点である。

 

それをまとめると次のようになる。

①    板の「迎え角」がある角度になると、板に「揚力」が生じる。「揚力」は流れに直角に生じる。

②    板の「迎え角」が増えれば「揚力」は増して行くが、ある角度を超えると「揚力」は激減する。「迎え角」が９０°になると「揚力」はゼロとなる。

③    一方、一様な流れに薄い板を置くと、板に「抗力」が生じる。「抗力」は流れ方向に生じる。

 

④    「抗力」は板の「迎え角」が増えれば増えるほど大きくなる。「迎え角」が９０°になると「抗力」は最大となる。

 

 

　　　

           図2-1は真後ろから風を受けている場合で、「揚力」はゼロでセールに加わる「抗力」のみでヨットは前進しているが、「抗力」は「揚力」と比べて小さいので効率の良い走り方ではない。このセール展開を「ランニング」という。

図2-2は斜め前からの風をセールはある「迎え角」で受けている為、セールに「揚力」と「抗力」が発生しているが、「揚力」は風と直角方向に発生するので斜め前向きの力となっている。このセール展開を「クローズホールド」という。

　　　

　　　　 図2-3は斜め後ろからの風をセールはある「迎え角」で受けている為、セールに揚力と抗力が発生しており、この場合揚力は前進方向に発生するので、ヨットを前進させるのに有効に働いている。このセール展開を「リーチ又はクォータリー」という。

《ヨットのキールによる「揚力」の発生》

 

そこで登場するのがヨットのキールから生じる「揚力」である。

私たちが扱うヨットは船底にバラストキールが付いている。バラストとは重りであり、このバラストのおかげで起き上がりこぼしの原理で転覆しにくくなっている。

 

もう一つ、バラストキールには重要な仕事がある。それはキールが水面下で水の流れによって「揚力」を発生させている現象である。このキールによる「揚力」こそ「なぜヨットは風上に向かって進むのか？」という謎を解くための大きな鍵となる。

 

キールは図4の様にヨットの船底の中央部に船体に並行して固定されている。その形状は翼状で、断面は左右対称になっている。

そのキールに「揚力」を発生させるには、水の流れに対して「ある角度」にしなければならないが、ヨットは真っ直ぐ進んでいるわけだから、水流はキールの真正面に当たり「揚力」は発生しないはずである。

ところが、実際には図5の様にヨットは風下に流されながら進んでいるのである。この横流れしながら前に進むことを「リーウェイ」という。「リーウェイ」しながら進むヨットのキールを考えると、水流は真正面ではなく斜め前から当り、ある「迎え角」で水流が当たるため、キールからも「揚力」が発生するのである。

 

その上、水の密度は空気の８００倍もあるので、キールの面積は小さいし「迎え角」も小さいが、そこから発生する「揚力」はかなり大きなものになる。

そして、この大きな「揚力」は、ヨットを風上に押し上げる力となり、これが「セール力」の横方向の成分（横力）を打ち消す要素となる。

 

飛行機にたとえれば、セールがエンジンでキールが翼と考えてもいい。水面下の翼によって、宙に浮く代わりに船体を風上に押し上げ、風下に流されないようにしているわけだ。

《ヨットの「セール力」と　　　　　　　　「キール力」の絶妙なバランス》

 

キールは図6の様に水流方向と直角に「揚力」を発生すると共に水流方向に「抗力」も発生し、これら水面下で発生する力を合成したものを「キール力」と呼んでいる。

クローズホールド時に生じる「セール力」（大部分は横方向の力となるが）は、図7の様に「キール力」によって打ち消される。「セール力」の前進成分が「キール力」の「抗力」より優れればヨットは加速し、「セール力」と「キール力」が釣り合うとヨットは同じ速度で走り続ける。「セール力」が足りなければ減速する。

 クローズホールド時には、キール力がいかに重要かが分かる。

これが、ヨットが風上に向かって進む理屈である。空気と水の性質の違いを巧みに利用した、絶妙なバランスの上に成り立っているのである。