ヨットはなぜ風上に上れるのか？（再）

質問

ヨットはなぜ風上に移動できるのか、という質問の回答に関して少しだけ疑問が残ります。もちろん以前の質問の回答に対して他意はありません。純粋な好奇心のみによる疑問とご理解下さい。自信なしで回答しようとしたら締め切られていたこともありまして。(^^;)また、管理者にお願いして回答を割り込ませるだけの自信もありませんので、新たに質問を起こすことにしました。

　まず、飛行機ならともかくあのスピードでセールの表裏にかかる風圧の差によって発生する揚力だけで大きなヨットが風上にのぼるだけの力を得られるでしょうか。

　ディンギー以下の船しか操船したことがありませんので自信なしですが、ヨットには水中でセンターボードなどが受ける抵抗の中心と水上でセールが風から受ける力の中心が存在しますよね。その原理をテコに例えて水中の抵抗の中心点を支点、風から受ける力の中心点を力点とします。

　以下、風に対して９０度の角度で帆走していることを想定します。風軸に対して力点が後方にあるとき後ろを押される形で船は風上を向き、逆なら風下をむきます。当然そのままだと回転しっぱなしですので、目的の向きになった時点で、支点と力点の関係を平衡状態に戻さなければいけません。舵のない帆船、例えばウィンドサーフィンが風上にのぼる原理として昔、これにまつわるウェザーヘルムとかリーヘルムとかの言葉を聞いたことがあるのですが、ヨットではどうなんでしょうか。

　歴史的に伝統的な日本の帆船は風上に上れず、ヨーロッパの大航海時代を支えた航海術と大きな差を生じてしまったのは、このあたりの技術の差だったはずです。詳しい方の説明をいただければ幸いです。

回答No.3

noname#2748

昔の横帆船では確かに揚力を得るというより、昇りの場合風を偏向させる役割しか持たなかったかもしれません。この場合、平らな板を風に対して大きな迎角を持たせたのと同じ効果で推進力を生んでいると考えられるでしょう。ただしこれでは昇りの角度が大きく取れないことも事実でしょう。過去の帆船でも船首にバウスプリットを設け数枚の縦帆を持たせたり、船尾にガフリグやガンターリグを装備して少しでも昇りの角度を稼ごうとしているの物が多く見られるます。また、横帆船では横流れに対する抗力は長い水線長に頼る方式が多く、現在の縦帆船のような積極的な方法は取られていなかったようです。その結果同じクローズドホールドでも角度にはだいぶ差があるようです。

クローズドホールドでのデッキ上の風速が早いのは確かに実際の風速＋艇速になるので、実際よりもかなり速くなります。しかし、セールに対する揚力の点ではこの速度問題になると考えられます。クローズドホールドでは体感するよりも実際の速度はかなり低くなるのは事実ですが・・・

お礼

さて上の補足の話は、私がずっっと若い頃関東某県でウィンドサーフィンのインストラクター（のまねごと）をしていたときに先輩から聞いた（ような気がする）話を私の理解なりに書いたものです。

　先輩は自分もヨットに乗るくせにヨット乗りは船のことをよく知らないといつもこぼしていました。確かに今回のことも、特に揚力の論理に関してネットで調べてみると、自分の疑問に関してそれを解決する記述に出会うことがなく戸惑うばかりです。

　それは、例えば「揚力」に関してですが、揚力はセールの表裏に発生する気流の速度の差によって発生し、その向きは気流の向きに直交するということを考えると、船をのぼらせるメインの力になりうるか、という点で疑問がやはり残ります。

　それから、やはり複雑な水中抵抗と海上で受けるさまざな力の複合的な作用によって、風上に帆走できる、揚力だけでは説明できないと考えてしまうのです。

　ただ私にとって、自分の考えが間違っていれば、それを訂正することによって大きな利益になると思うので、ちょっとつっこんでその考えを書いてみました。適切な批判を待つことにします。

　それはそれとして、私はジジイ（すでにそうですが）になっても海を楽しんでいきたいと思ってます。ヨットに乗る人から見るとちまちまとした世界に見えるかもしれませんが、ウィンドから得られる生理的快感はなにものにも代え難いと感じています。そろそろ今年もシーズンは終わりですが。

　回答いただき感謝します。

補足

正確には分かりませんがガフリグやガンターリグはあくまでも補助的な機能だと認識しています。またトリムやヒールに関しても二次的で補助的な原理（重要ですが）だと考えます。

　それでは私なりの考えで、その原理をむきだしにするためにある思考実験を試みてみます。実験の前提として、平水面で風向きとその強さは一定とします。船には舵はなく、進行方向と同じ向きで真ん中のセンターボードの前後に２本のマストがあり、それには単純なブーム（横木）とセールを備えているとします。セールはいつでもシバー可能とします。（シバーとは、ロープをゆるめるなどして船がセールに受ける力をキャンセルする動作のことです）また、船の水中抵抗の中心はセンターボード上にあるとします。

　この船が真横９０度から風を受けてバランスよく帆走しいるとします（アビーム）。その時、前の方のセールをシバーさせます。どういうことが起こるかというと、船は水中抵抗の中心から見て後方を押される形で、船首を風上に向けます。そのままだとデッドゾーンに入ってしまいますので、途中でシバーを止めて、風の力を戻します。そうすると船は風上を向けてずっと走ることができます。

　今度はアビームの状態から、後方のセールをシバーリングさせます。そうすると水中抵抗の中心より前方を押されることになりますので、船は風下を向きます。ある向きに直線で走っていこうとすれば、目的の方向に向いたときにシバーリングを止めて、船のバランスを戻してやらなければいけませんが。

　つまり、バランスさえ取れていれば、舵のある船ならこのバランスを認識することなしに操船できるということになります。またこの理屈が正しいとすると、風上に帆走させる大部分の力は、風がセールから受ける力そのものということになりそうです。

　考えてみると、セールの構造は飛行機の翼のように基本的に剛体でできているわけではなく、進行方向に対して左右どちらにもふくらみ風の力を効率的に船体に伝えるようになっています。また、センターボードの操作ができる船体では、センターボードの操作と舵の操作が矛盾した場合、舵を破損しかねないという話も聞いたことがあるような気がします。

　前回の、普通の船はウェザー気味に設計してあるという話ですが、水中抵抗の中心より風力中心が進行方向に向かって後方に設定してあるといういみではないでしょうか。ですから、船を押さえるように走らないと、自然に風上を向いてしまうということだと解釈しています。

　もちろん「揚力」という要素を除外することはできませんが、揚力自体が速度の２乗に比例するので、船をのぼらせるための主な力にはなり得ないと思うのです（歩く速さでもクローズは可能）。また、船や艤装を設計する上で、揚力を意識するようになったのは１９世紀に入ってからのはずで、それまでの船には結果としてわずかな揚力がはたらいたとしても、それだけではやはりヨーロッパの大航海時代を支えるだけの操船技術とはなりえなかったと理解しています。