TECHNISCHE UNrVERSITEIT Laboratorium voor Scheepshydromechanica Archief Mekelweg 2,2628 CD DeHt Tel .' 015 - 706873 - Fm 015 ^ 781838
De Invloed van Rating Rules en van Aëro- en
Hydrodynamisch Onderzoek op het Ontw erpen
van Zeiljachten.
Ir. N . T. van Harpen
Inhoud
pagina
1. Het ontwerpen van zeiljachten
Inleiding ^ Historische ontwikkeling 2
Het ontweq)proces van zeiljachten 6 Literatuur over het ontwerpen van zeiljachten 10
2. Fundamentele problemen bij het ontwerpen van zeiljachten
Hydrodynamische weerstand en dwarskracht 11
Aërodynamica van de zeilen 13 Stabiliteit en zeewaardigheid 15
Prestatievoorspelling 17
3. De invloed van de Rating Rules op het ontwerpen van zeiljachten
Builders Measurement Rule 19 Wijzigmg van de rompvorm. Ballast en stabiliteit 22
Length and Sail Area Rule 29 Intemational Measurement Rule 37 De Royal Ocean Racing Club Rule, de Intemational Offshore Rule en
het Intemational Measurement System 55 4 . De Nederiandse bijdragen aan onderzoek en ontwikkeling
Proeven bij het Nederlands Scheepsbouwkundig Proefstation en de ontwikkeling
van het Intemationale 5 Meter jacht 62 Het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde van de Technische Hogeschool Delft 65
MARIN en de America's Cup 1983 67
Literatuur
De Invloed yan Rating Ruies en van Aëro- en
Hydrody-namiscii Onderzoeli op liet Ontwerpen van Zeiljachten.
1. Het ontwerpen van zeiljachten
Inleiding
De geschiedenis van het moderne zeiljacht gaat terug naar het begin van de vorige eeuw. Het wedstrijdzeilen in boten van verschillend ontwerp en grootte deed al spoedig de behoefte ontstaan aan regels op grond waarvan verschillende schepen met elkaar vergeleken konden worden voor wat betreft hun snelheid in wedstrijden. Het gevolg is geweest dat de meetregels steeds weer een grote invloed hebben gehad op de rompvorm en de vorm en grootte van het zeilplan. Meestal was de bouwer van het jacht ook de ontwerper. De theoretische achtergronden van hydro- en aërodynamica, zoals wij die nu kennen, waren voor een groot deel onbekend of men baseerde zich op theorieën die niet wetenschappelijk onderbouwd waren. Toch hebben de resuhaten van wetenschappelijk onderzoek de ontwikkeling van de jachtvormen aanzienlijk beïnvloed.
Lord Dunraven, de Engelse uitdager voor de America's Cup in 1893 en 1895 omschrijft een jacht alsvolgt:
Het schip moet licht genoeg zijn om gemakkelijk voortbewogen te worden door een matige wind, stijf genoeg om haar zeiloppervlak te dragen in een harde wind, ondiep genoeg om gemakkelijk in dok te gaan en om snel te lopen. Ze moet diepgang genoeg hebben om aan de wind te varen, breedte genoeg om haar stabiliteit te geven; ze moet lang genoeg zijn om met ruime wind hard te lopen, en kort genoeg om snel door de wind te gaan; laag in het water om niet te veel wind te vangen, met voldoende vrijboord om geen water aan dek te krijgen Ze moet breed, smal, lang, kort, diep, ondiep, rank, stijf zijn Het is niet verwonderlijk dat ontwerpers slapeloze nachten hebben en dat iets dat lijkt op een definitief en ideaal type onmogelijk te bereiken is. Het ontwerpen van jachten is het zoeken naar de gunstigste combinatie van vorm en afinetingen van zowel romp als tuig, berustend op kennis van hydro- en aërodynamica en daarbij strevend naar een sterk maar toch zo licht mogelijk schip. Bovendien wordt van een jacht verwacht dat het een genoegen is om er naar te kijken. Inhaerent aan het ontwerpen is het feit dat de ontwerper steeds weer te maken heeft met een compromis tussen veel, dikwijls niet expliciet in waarden uit te drukken invloedsfactoren, waardoor het uiteindelijk resultaat niet geheel rationeel te verklaren is. Dit betekent dat het een deels intuïtief proces is, waarbij alleriei afwegingen gemaakt worden, die zich voor het grootste deel onttrekken aan de waarneming van de buitenstaander.
Voordat de kennis op het gebied van de aëro- en hydrodynamica zover ontwikkeld was dat men door onderzoek in windtunnels en sleeptanks, betrouwbare, reproduceerbare resuhaten kon krijgen, moest de jachtontwerper zich geheel laten leiden door zijn ervaring, die hij door trial and error tijdens zijn loopbaan opgedaan had. Omdat in het algemeen de fysische grondslagen niet of onvoldoende bekend waren is sprake van een proces van geleidelijke verbetering: zeker niet van een stapsgewijze wetenschappeüjke benadering. De kennis en ervaring die een ontwerper in de begintijd van het jachtontwerpen nodig had om succes te boeken wordt dikwijls beschouwd als een kunst die je al of niet beheerste. Omdat objectieve, wetenschappelijke maatstaven om de merites van verschillende ontwerpen te vergelijken tot voor kort eigenlijk ontbraken, moest men zich behelpen met een kwalitatieve beschrijving en met de resultaten van het zeilen in de praktijk tegen soortgelijke jachten.
Lange tijd is het gewoonte geweest om ontwerpen te publiceren in de gangbare tijdschriften doormiddel van een lijnentekening, een constructieplan en een zeihekening. Opvallend is dat de bijbehorende beschrijvingen meestal zeer summier zijn en weinig zeggen over het eisenpakket dat ten grondslag lag aan het ontwerp. De ontwerpbesUssingen die tot het uiteindelijk resultaat geleid hebben zijn niet expliciet geformuleerd en kunnen dikwijls alleen maar min of meer gereconstru-eerd worden. Gezien het ontbreken van objectieve maatstaven voor de beoordeling is dit met zo verwonderiijk. De ontwerper, die een opdracht heeft gekregen voor een nieuw jacht zit echter met een probleem: hij beschikt over een aantal vergelijkingsschepen, waarvan hij alleen maar de belangrijkste karakteristieken kent. Alleriei détailgegevens zal hij eerst alsnog moeten afleiden en de redenen waarom bepaalde gegevens zo gekozen zijn als ze zijn, moet hij afleiden op basis van zijn ervaring.
Langzamerhand zijn de resuhaten van wetenschappelijk onderzoek m de hydro- en aërodynamica beschikbaar gekomen in een vorm die ontwerpers het mogelijk maakt om snel de merites van nieuwe ontwerpen zichtbaar te maken. Met behulp van deze nieuwe, kwantitatieve, methoden is het echter ook mogelijk om ook van oude ontwerpen de werkelijke kwaliteiten zichtbaar te maken. Een fraai voorbeeld hiervan is te vinden in de analyse van de potentiële vaareigenschappen van de Defiance, een mogelijke verdediger van de America's Cup in 1914, zoals beschreven m [1].
Historische ontwikkeling
De Engelse aanduiding van een scheepsontwerper is Naval Architect. Zijn fiinctie komt inderdaad sterk overeen met die van de bouwkundig architect: de scheepsontwerper is intermediair tussen een opdrachtgever en de werf die het schip bouwt.
Vele eeuwen is de fimctie van ontwerper en bouwer van schepen gecombineerd geweest in die van meestér-scheepsbouwer, degene die de bouwwerf runde. Het ontwerp kwam tot stand door te kijken naar de ervaringen met voorgaande schepen en door vervolgens eventueel wijzigingen aan te brengen die verbeteringen moesten betekenen. Een geleidehjke evolutie vanuit een ambachtelijke benadering. Tot ongeveer 1700 [2] was het de gewoonte om voor het ontwerp enkele vaststaande formules te gebruiken voor de verhoudingen van de hoofdafinetingen en de onderdelen, waarmee de scheepsbouwer volgens het type schip, maar verder naar eigen inzicht, kon variëren. Voor het overige had hij voldoende aan het bestek, dat wil zeggen de hoofdafinetin-gen, die hij samen met zijn opdrachtgever van te voren vastlegde. Nauwgezette toepassing van de bouwregels zorgde ervoor dat het gewenste eindprodukt aan het emd van de rit tot stand kwam. Van technische tekeningen o f modellen werd, behalve bij de Engelse Marine, geen gebruik gemaakt. Volgens Samuel Pepys [3], werd door de Engelse scheepsbouwer Sir Arthur Deane om-streeks 1680 voor het eerst een gewichtsberekening gemaakt en de waterverplaatsing uitgere-kend.
Vanaf ongeveer het begin van de 17e eeuw werd door verschiUende wis- en naüiurkundigen gewerkt aan problemen die een rol spelen bij het scheepsontwerp: druk in een vloeistof (Stevinius en Pascal) en weerstand (Newton, Bernoulli, Euler en d'Alembert). Hoewel zij hun resuhaten uitvoerig publiceerden, drongen deze niet door tot de scheepsbouwers. Eerst in 1746 pubUceerde Pierre Bouguer "Traité de Navire", een complete studie over scheepsbouw. Behandeld werden:
scheepssterkte in relatie tot de verdelmg van de lading over de lengte van het schip, het bepalen van oppervlakken met behulp van de trapeziumregel, stabiliteit in termen van het metacentrum, scheepsweerstand, krachten uitgeoefend door de wind op de zeilen en scheepsbewegingen m zeegang. Het was het begin van het gebruik van wetenschappelijke methoden in een van oudsher ambachteüjk vak. Toch drong de wetenschap maar zeer langzaam door, onder andere als gevolg
van het feit dat de scheepsbouwmeesters nauweUjks voldoende geschoold waren en door hun conservatieve aard. Men had te maken met opdrachtgevers, kapiteins en zeeUeden die, begrijpe-lijk, op safe speelden. Bovendien, door de complexe aard van het gedrag van het schip onder zeer wisselende omstandigheden, bleek het niet mogehjk een eenduidig antwoord op de gestelde vragen te krijgen.
Tegen het einde van de 18e eeuw was de Zweedse scheepsbouwer en -ontwerper Frederick Chapman algemeen bekend door zijn deskundigheid en door het schrijven van een boek over scheepsbouwkunde [4], waar een fi-aaie collectie scheepstekeningen deel van uit maakte (figuur
1).
Fig. 1: Tekening van een Engels speeljacht uit Chapman's Architectura Navalis Mercatoria In zijn voorwoord somt Chapman de eisen op die aan een goed schip gesteld moeten worden. Vervolgens wordt in een aantal hoofdstukken aangegeven op welke manier de verschillende gegevens, nodig om de eisen vast te leggen of te beoordelen, uitgerekend kunnen worden. Zijn beschrijvingen zijn kort, toch slaagt hij erin om aan te geven op welke manier een ontwerper te werk moet gaan. De verschillende hoofdstukken omvatten o.a.: waterverplaatsing berekend met de regel van Simpson, stabiliteit met een duidelijke bespreking van de rol van het metacentrum, het drukkingspunt, het centre o f effort van de zeilen en opmerkingen over de afinetingen van mast, rondhouten en tuig. Hoewel Chapman niet voldoende kennis had om de weerstand goed te verklaren, beschrijft hij een aantal sleepproeven en realiseert zich dat deze er niet in slagen zijn
berekeningen te bevestigen. Chapman merkt op "dat geconcludeerd mag worden dat de wetenschap van het bouwen van schepen nooit een staat van perfectie zal bereiken en dat we niet in staat zijn schepen alle eigenschappen te geven die ze zouden moeten hebben, tenzij theoretische en praktische kennis verenigd worden".
Aan het eind van de 18e eeuw was in de VS, onder invloed van specifieke eisen als beloodsing en douanetoezicht, een ontwikkeling naar snellere schepen ingezet. In de periode 1805-1815 ontstond in de Chesapeake Bay in Virginia het type dat nu bekend staat als de Baltimore Clipper. Behalve voor beloodsing en douanetoezicht werden de Baltimore Clippers ingezet voor smokke-len en kaapvaart in de Engels-Amerikaanse ooriog van 1812, en later ook in de slaven- en opiumhandel. Figuur 2 geeft een lijnen- en zeilplan van een Baltimore Clipper [5].
Figuur 2: Baltimore Clipper
Gedurende de 19e eeuw nam de belangstelling voor snelheid onder zeil flink toe: de wereld werd kleiner naarmate de snelheid van vervoer toenam. Onder invloed hiervan ontwikkelden de scheepsbouwers omstreeks 1840 het snelle clipperschip, nog steeds in een geleidelijk proces van
verbeteren vanuit het bestaande. De bekendste ontwerpers waren Donald Mckay, John W. Griffiths en William H. Webb (VS) en in Engeland de werf van Alexander Hall & Sons in Aberdeen [6] en [7].
Omstreeks 1850 heeft de scheepsbouwkunde zich, mede als gevolg van het voortdurend zoeken naar grotere snelheden onder zeil, zover ontwikkeld dat zich o.a. in Boston [8] de eerste scheepsarchitecten vestigen, die niet meer tevens optreden als meestér-scheepsbouwer op een werf. Het vak bleef echter wel sterk berusten op ervaring, opgedaan in de praktijk: men begon zijn carrière ahijd als leerjongen op een werf
In 1815 werd in Engeland de Royal Yacht Squadron opgericht. De meerderheid van de jachten van de leden van de club kwamen sterk overeen in type en afinetingen met de "revenue cutter" van die tijd. Men ging uit van de vormen van de snelste loodsboten of inspectieschepen. Iemand die een nieuw schip wilde hebben ging naar een werf die bekend stond om de kwaliteit en snelheid van eerder gebouwde jachten. Op grond van de gecombineerde ervaring van opdrachtgever en scheepsbouwer kwam een nieuw ontwerp tot stand. Deze gang van zaken is tot op de dag van vandaag op veel werven gangbaar. Onder invloed van vooral de America's Cup wedstijden specialiseerden zich, in de loop van de tweede helft van de vorige eeuw, een aantal werven op de jachtbouw, waarbij voor het (hydro- en aërodynamisch) ontwerp steeds meer gebruik werd gemaakt van jachtontwerpers of ontwerpbureaux die hetzij door de opdrachtgever(s), hetzij door de werf ingehuurd werden. De uitwerking van het ontwerp in de constructietekeningen gebeurt in een nauwe samenwerking tussen ontwerper en werf, waarbij de werf zijn lange bouwervaring inbrengt. Veel jachtontwerpers, die zich later zelfstandig gevestigd hebben, zijn hun carrière begonnen op het ontwerp- en constructiebureau van een gerenomeerde werf
Volgens [9] is de term "jachtontwerper" omstreeks 1875 voor het eerst gebruikt. Eerst in 1884 werd in Lloyd's Yacht Register onderscheid gemaakt tussen de ontwerper en de bouwer. Een van de eerste die de term gebruikten was de Engelse ontwerper Dixon Kemp die in 1876 zijn eerste boek "Yacht Designing" publiceerde.
Een aantal ontwikkelingen heeft gemaakt dat in de relatie opdrachtgever-ontwerper-bouwwerf, de ontwerper in de loop der jaren een steeds zelfstandiger positie is gaan innemen:
- het beschikbaar komen van resuhaten van wetenschappelijk onderzoek in toepasbare vorm, de ontwikkeling van nieuwe materialen, waardoor Uchtere schepen, dikwijls in serie, gebouwd kunnen worden,
- het toenemen van de complexiteit van- en het aantal meetformules voor wedstrijden, het toenemen van de grootte en de complexiteit van jachten,
de toenemende belangstelling voor de veiligheid van jachten,
- de toepassingsmogelijkheden van de computer waardoor de ontwerper ook steeds meer taken bij de voorbereiding van de bouw, van de werf overneemt.
Toenemende specialisatie is het gevolg, waarbij meer en meer in een team gewerkt wordt, en voor deeltaken (bijvoorbeeld het ontwerp van het interieur) externe deskundigheid wordt ingehuurd. De ontwerper is een generaüst geworden, die de resuhaten van andere vakgebieden in overieg met opdrachtgever en werf vertaalt naar optimale oplossingen.
De introductie van wetenschappelijke methoden bleef een moeilijke zaak: de ervaring en opleiding van jachtontwerpers schiet m het algemeen te kort om de merites van resuhaten van onderzoek goed te kunnen beoordelen. Nog recent verklaarde de bekende Amerikaanse ontwerper Olin J. Stephens [10], dat hij, temgkijkend, teveel vertrouwd had op ervaring en te weinig gebruik gemaakt had van de kennis die hij had op grond van het gedurende vele jaren uitvoeren van
sleepproeven met jachten. In 1968 was Stephens voorzitter van het International Technical Committee van de Offshore Rating Council, met als opdracht het formuleren van een nieuwe rating rule voor wedstijden van zeegaande zeiljachten, waaruit de lOR, de International Offshore Rule is voortgekomen. De groep bestond uit succesvolle jachtontwerpers en ervaren jachtmeters, maar achteraf blijkt het verrassend hoe smal de basis van dit werk geweest is: men kwam tot een resuhaat, een goed werkbare meetregel, met een absoluut minimum aan numerieke input. De werkmethode was vergelijkend, uitsluitend ondersteund door ervaring. De lOR-rule heeft geleid tot schepen met een hoog zwaartepunt, een relatief grote breedte en een kleine waterverplaatsing. Deze combinatie heeft een slechte stabiliteitsomvang tot gevolg, hetgeen tot gevaarlijke situaties op zee kan leiden. Had men meer gekeken naar de ook toen beschikbare gegevens over het verband tussen snelheid en stabiliteit en hulp gevraagd aan een universiteit voor de statistische verwerking, dan had men waarschijnlijk een betere rule ontworpen, aldus Ohn Stephens.
Het ontwerpproces van zeiljachten
Bekende jachtontwerpers hebben geprobeerd hun ervaring op te schrijven en hebben een beeld geschetst van het ontwerpproces van zeiljachten, o.a. [11], [12] en [13]. Duidelijk blijkt het deels intuïtieve karakter van het proces, waarbij als gevolg van de vele, dikwijls niet kwantitatief vast te leggen invloedsfaktoren, regelmatig teruggekomen moet worden op eerder in het proces genomen beslissingen. De klassieke voorstelling van het ontwerpproces van schepen in het algemeen, is door middel van een iteratieve spiraal [14]. In [15] is de ontwerpspiraal gegeven voor het ontwerpen van zeiljachten (figuur 3).
Opdat» of data for nmxt Itmratton
Prop»ll»r and mngin»
Figuur 3: Ontwerpspiraal van jachten volgens Larsson
E l f verschillende segmenten zijn onderscheiden en ieder segment komt overeen met een afgeba-kend stuk werk door de ontwerper of het ontwerpteam. Niet iedere taak hoeft in iedere slag uitgevoerd te worden en de te gebruiken hulpmiddelen kunnen ook van segment tot segment verschillen. Naarmate het proces convergeert naar de uiteindelijke oplossing worden meer segmenten doorlopen en worden nauwkeuriger methoden gebruikt.
In het begin heeft de ontwerper alleen de specificaties van het jacht. Gebaseerd op zijn ervaring of op gegevens van andere jachten, neemt hij vervolgens de hoofdgegevens van de romp aan. Dimensieloze parameters als waterverplaatsing/lengte, zeiloppervlak/natoppervlak, stabiliteitsarm en metacentrumhoogte, kunnen vervolgens berekend worden en een ruwe controle op de prestaties kan gedaan worden aan de hand van statistische gegevens van andere jachten. In de eerste gang door de spiraal springt de ontwerper van het eerste segment naar het laatste: de evaluatie is nogal benaderend. In de tweede slag, nadat hij de hoofdafmetingen heeft aangepast, kan het tijd worden om het ontwerp van de romp, de kiel, het roer en het zeilplan uit te werken. Daarnaast kan een eerste schets van het ontwerp van het dek en de inrichting gemaakt worden. Op deze gegevens berust namelijk een eerste schatting van het gewicht, noodzakelijk voor de stabiliteitsberekening. Het ligt in de verwachting dat noch het gewicht, noch de stabiliteit direct goed zullen zijn, zodat nog enkele iteraties nodig zijn. De volgende stap omvat de nauwkeurige bepaling van de materiaalafinetingen van de romp, de dimensionering van de tuigage en de keuze van de motor. Eerst dan kan een nauwkeurige gewichtsberekening gemaakt worden. Als de ontwerper dicht bij zijn optimale oplossing is, kan deze nauwkeurig geëvalueerd worden met een Velocity Prediction Program (VPP). Wanneer men niet beschikt over een dergelijk programma, moet de evaluatie plaats vinden op basis van de ervaring van de ontwerper.
In sommige segmenten blijkt een interne iteratie nodig: in het bijzonder bij het ontwerp van de rompvorm. Als waterverplaatsing en de verdeling daarvan over de lengte van te voren vast liggen, kan het enkele iteraties kosten om daar aan te voldoen. In het segment waarin de hydrostatische gegevens en de stabiliteit bepaald worden kunnen enkele iteraties nodig zijn om de juiste inzinking en trim te vinden wanneer het schip grote hellingshoeken aanneemt.
Scharping heeft in [16] de ontwerpspiraal verder uitgewerkt, waarbij een aantal aspecten concre-ter zijn ingevuld.
Figuur 4: Ontwerpspiraal volgens Scharping
In [17] wordt een analyse gegeven van verschillende synthese-gerichte modellen voor het ontwerpen van schepen en vliegtuigen. Met behulp van deze modellen blijkt ook het ontwerppro-ces van zeiljachten te beschrijven te zijn.
In het ontwerpproces worden op synthese gerichte activiteiten afgewisseld met activiteiten gericht op analyse. Synthese is het samenstellen van elementen tot een nieuw geheel, terwijl analyse is het onderzoeken van een complex systeem, de elementen ervan en de relaties daar tussen. Synthese gaat vooraf aan analyse, maar vullen elkaar aan. Sandor [18] beschreef het ontwerpproces in zeven stappen (figuur 5):
Stap 1: Probleem formulering en definitie. Het probleem kan slecht geformuleerd zijn. De ontwerper begint het probleem te formuleren en definiëren in termen van "doelen".
Stap 2: Het verzamelen van kennis. De ontwerper boort kennisbronnen (theoreti-sche of empiri(theoreti-sche) aan en evalueert deze op bruikbaarheid.
Stap 3: Formulering van het ontwerp-concept en synthese. Ontwerpontwerp-concepten worden geformuleerd en beschreven en vervolgens invulling gegeven door de synthese of generatie van geometrie of van geometrische concepten.
Stap 4: Analyse: om de prestatie van het concept te evalueren, moeten analyse-modellen (theoretische of empirische mathematische of materiële modellen) opgespoord of ontwikkeld worden. Deze modellen kunnen de prestatie van een
geheel systeem of van componenten 5. Ont^^:el•pprocesvolgemSandor voorstellen.
Stap 5: Evaluatie en optimahseren. De materiële of mathematische modellen worden geëvalu-eerd en geoptimalisgeëvalu-eerd met behulp van geschikte methoden.
Stap 6: Presentatie: de resuhaten van de stappen (1) tot (5) worden gedocumenteerd en gepresenteerd voor beoordeling en kritiek.
Ten behoeve van het ontwerp van schepen en vUegtuigen zijn voor de verschillende stappen in het ontwerpproces computerprogramma's ontwikkeld. Deze "Synthesis-models" hebben betrekking op een deel van het ontwerpproces, d.w.z. zowel synthese- als analyse-aspecten worden beschouwd. StapI ProblMmforinuIering ea -deflailie Stap 2 Keaais verzaraelea Stap 3
Formulering van het ontwerpconcept & SYNTHESE Stap 4 ANALYSE Stap 5 Evaluatie en optimalisatie Stap 6 Presenutie
Een nadere beschouwing van deze modellen laat zien dat zij allemaal drie basiscomponenten bevatten: initialisatie, synthese en analyse. Initialisatie is gebaseerd op een database van eerdere ontwerpen (vergelijkingsschepen). Deze gegevens worden gebruikt om schattingen te maken van de ontwerpparameters. De synthesecomponent bouwt voort op de initialisatie, door óf de ontwerper in de gelegenheid te stellen de uitgangsparameters te wijzigen, öf door het mogelijk te maken een geheel nieuwe geometrie "ab initio" vorm te geven. De analysemodules evalueren de prestatie van het ontwerp.
In figuur 6 zijn de verschillende stappen in het ontwerpproces van zeiljachten geordend in een dergelijk synthesemodel. OntwcqicB v«a JkchtM Oalwtrp p i r u s r t t n G«omrtri« nHnp cn dek Z«a.catnI(pUD Mcxoreoichrocf iDrichHugcaaHniitliig HjdrxljTiimfci AenNljraunka VeUltbild
Figinir 6: Synthese model van het ontwerpen van zeiljachten
Literatuur over het ontwerpen van zeiljachten
Meer dan 60 jaar geleden schreef Norman L. Skene zijn klassieke boek Elements of Yacht De sigti [19], dat sinds dien een aantal keren herzien is door Francis S. Kinney. Door vele ontwerpbureaux en amateurontwerpers wordt dit boek nog steeds gebruikt, hoewel een aantal hoofdstukken, o. a. over materialen, verouderd is. Een ander klassiek boek uit die tijd is Howard I . Chapelle's Yacht Designing and Planning [20], dat op een aantal aspecten aanzienlijk dieper ingaat dan Skene. In
1952 verscheen Sailing Yacht Design [21] door Phillips-Birt, dat echter weinig meer gebruikt wordt. In 1963 publiceerden Hemy en Miller een uitstekend paper voor de Society of Naval Archhects and Marine Engmeers: Sailing Yacht Design - An Appredation of a Fine Art [22]. Meer recente boeken zijn: Modern Developments of Sailing Yachts door D. Canell en J. Leather [23] en The Design of Sailing Yachts door P. Gutelle [24].
In 1987 publiceerde Scharping in Duhsland: Konstruktion und Bau von Yachten, waarvan in 1994 een geheel bijgewerkte, tweede druk verscheen [16]. Scharping gaat uitvoerig op sommige onderwerpen in en geeft zeer veel gegevens en tekeningen van gebouwde schepen, maar laat de integratie tot een nieuw ontwerp voor een groot deel aan de lezer over.
In 1994 verscheen Principles of Yacht Design door Larsson en Eliasson [15]. In dh boek wordt een ontwerpaanpak beschreven, gebaseerd op statistische gegevens van eerder gebouwde schepen, gepresenteerd in direct bruikbare vorm en aansluitend bij de nieuwste resultaten van wetenschappelijk onderzoek.
In [25] geeft van Oossanen een systematische aanpak voor het ontwerp van de romp, kiel en roer, eveneens gebaseerd op statistische gegevens met gebruikmaking van de resultaten van weten-schappelijk onderzoek.
De theoretische kant van het zeilen en de hydrodynamica, de aërodynamica en het gedrag in zeegang van zeiljachten is zeer uitvoerig behandeld door C. A. Marchaj, in een drietal boeken: Sailing Theory and Practice [26], The AeroHydrodynamics of Sailing [27] en Seaworthiness -the Forgotten Factor [28]. In 'The Symmetry of Sailing, The Physics of Sailing for Yachtsman, [29] wordt door Ross Garrett de theorie in een korter bestek behandeld en toegankelijk gemaakt. Larsson gaf een overzicht van de Uteratuur en van het onderzoek in: Scientific Methods in Yacht Design, gepubliceerd in Annual Review of Fluid Mechanics 1990 [30].
Onderzoek aan zeiljachten wordt regelmatig gerapporteerd op een aantal symposia. De twee bekendste daarvan zijn de tweejaarlijkse symposia in Annapolis, USA: The Chesapeake Sailing Yacht Symposium (SNAME) en in Amsterdam de Symposia on Yachtarchitecture (HISWA). Opvallend is dat op de Amerikaanse symposia de nadruk ligt op onderzoek, terwijl in Amsterdam ook expliciet aandacht geschonken wordt aan het ontwerpen.
Een uitgebreide behandeling van de constructie en bouw van jachten is te vinden in: Reinke, Lütjen und Muhs: Yachthau [31] en in het boek van Scharping [16].
2 , F u n d a m e n t e l e p r o b l e m e n b i j h e t o n t w e r p e n v a n z e i l j a c h t e n
Hydrodynamische weerstand en dwarskracht
Een belangrijk probleem bij het jachtontwerp is om binnen de voor een ontwerp gestelde eisen een minimale hydrodynamische weerstand te krijgen. De vraag is welke invloed de lengte, waterverplaatsing, breedte, diepgang en vorm op de weerstand hebben. Als een jacht aan de wind zeilt wordt de zaak ingewikkelder: helling en drift hebben een grote invloed op de weerstand en daarmee op de prestatie van het jacht. Weerstand kan verdeeld worden in drie componenten.
De stroming over de romp, kiel en het roer resuheert in een wrijvings- of visceuze kracht, die afhankelijk is van het kwadraat van de snelheid van het jacht. Daarnaast veroorzaakt de stroming langs de romp een drukverhoging bij de boeg, een drukveriaging midscheeps en een verhoging van de druk bij het achterschip, overeenkomstig de lagere snelheden van de stroming bij voor- en achterschip en de hogere snelheid midscheeps, ten opzichte van de snelheid van de boot. Dh geeft aanleiding tot een golftop bij de boeg en het achterschip en een golfdal midscheeps. De romp levert energie om deze golven op te wekken die tot uidrukking komt als een weerstand. Naar mate de snelheid van de boot toeneemt, neemt deze golfweer-stand onevenredig toe, ongeveer met de zesde macht van de scheepssnelheld. Wanneer aan de wind wordt gevaren ontwikkelen romp, kiel en roer een dwarsscheepse kracht, die even groot en tegengesteld gericht is aan de door de zeilen veroorzaakte dwarskracht. Om deze dwars-kracht op te wekken moet de waterstroom een zekere hoek maken met de langsscheepse as van de boot (de drifthoek). Door de drifthoek drijft de boot zijdelings af De op de boot werkende zijdelmgse kracht als gevolg van de drifthoek heeft ook een component in een richting tegengesteld aan de baan
van het jacht, de z.g. gëmduceer-de weerstand. Deze weerstand is zichtbaar in de vorm van draai-kolken in het zog van het jacht. De geïnduceerde weerstand is ongeveer evenredig aan het kwa-draat van de drifthoek en is in de meeste gevallen niet groter dan
10 tot 15% van de totale weer-stand bij het zeilen aan de wind. Wanneer onder invloed van de wind het jacht een helhngshoek aanneemt zal de weerstand toene-men omdat in dat geval de vorm van de romp onder water niet meer symmetrisch is. Zowel de wrijvings- als de golfweerstand nemen toe.
Figuur 7 geeft een overzicht van de verschillende krachten die op een zeiljacht, bij het zeilen aan de
wind, werken. Figmir 7: Krachten op een zeiljacht aan de wind
Figuur 8 laat het aandeel van de ver-schiUende weerstandscomponenten ten opzichte van de totale weerstand zien als functie van de boot-sneUieid voor een schip van ongeveer 7 meter lengte op de waterlijn.
Buhen beschouwing is gebleven de extra weerstand die een boot onder-vindt wanneer tegen de golven als gevolg van de wind (zeegang) in gezeild wordt.
Figuur 8: Weerstandcomponenten voor een boot van ongeveer Lwl = 7.00 m.
De wrijvingsweerstand is voornamelijk afhankelijk van het oppervlak van het zich onder het wateroppervlak bevindende gedeehe van de romp en van de oppervlakken van kiel en roer. De wrijvingsweerstand kan dus tot een minimum worden terug gebracht door het "nat oppervlak" zo klein mogelijk te maken en door er voor te zorgen dat de stroomlijnen langs de romp zo recht mogelijk zijn.
In figuur 8 is te zien dat boven een bepaalde snelheid de golfweerstand enorm gaat oplopen. D h gebeurt wanneer de lengte van de opgewekte boeg/hekgolf ongeveer overeenkomt met de lengte van de boot op de waterlijn. De bijbehorende bootsnelheid is ongeveer 2 . 5 0 / L ^ ^ in knopen. Door de (effectieve) lengte op de waterlijn zo groot mogelijk te maken kan de golfweerstand verminderd worden. Dh kan worden bereikt door de waterverplaatsing over de gehele lengte van de waterlijn te verdelen. Als er meer volume naar de boeg en het achterschip wordt gebracht, zal de effectieve "golfmakende lengte" van de romp langer worden, met andere woorden de afstand tussen de golftoppen bij boeg en achterschip wordt groter, waardoor een hogere snelheid bereikt kan worden.
Het vermogen om hoog aan de wind te zeUen wordt bepaald door de mate waarin de romp, kiel en roer in staat zijn een grote dwarskracht op te wekken zonder een aanmerkelijke weerstandsverhoging. DQ dwarskracht op kiel en roer worden op precies dezelfde manier opgewekt als de opwaartse kracht op vUegtuigvleugels. Omdat zowel over bakboord als over stuurboord dezelfde krachten moeten kunnen worden opgewekt, moeten de profielen van kiel en roer symmetrisch zijn. Hierdoor wordt de maximaal te bereiken dwarskracht-weerstand-verhoudmg beperkt tot ongeveer 10. De romp is door zijn vorm niet in staat veel dwarskracht te leveren: de belangrijkste bijdragen moeten kiel en roer leveren. Als de kiel te klein is, zal een grote drifthoek nodig zijn om de dwarskracht te produceren, wat met zich mee brengt dat de weerstand van de romp aanzienlijk zal toenemen, waardoor de prestaties aan de wind
teren. Wanneer de kiel te groot is wordt welliswaar een grote dwarskracht geleverd, maar zal het aanzienlijke nat oppervlak van de kiel ook weer de weerstand vergroten.
Het optimaliseren van romp, kiel en roer naar de kleinst mogelijke weerstand betekent het vinden van een compromis tussen soms tegenstrijdige overwegingen. Door met een model van een jacht sleepproeven in een sleeptank uh te voeren is het mogelijk een betrouwbare voorspel-ling te maken van de weerstand onder verschiUende omstandigheden van heUing en drift. Door vergelijking met de resuhaten van andere, soortgelijke, schepen kan een indruk verkregen worden van de kwaUtehen van het nieuwe ontwerp. Eventueel zuUen naar aanleiding van de sleepproeven wijzigingen aan romp, kiel of roer uitgevoerd worden.
De mogelijkheden om de verschillende weerstandscomponenten uit te rekenen onder verschü-lende omstandigheden, zijn beperkt of vragen een grote rekencapacheh.
Het uitvoeren van sleepproeven of het uitgebreid berekenen van de prestaties zijn dure aangelegenheden, niet in het minst door de vereiste speciaUstische kennis. AUeen in bijzondere gevaUen (America's Cup, speciale eisen of grote (wedstrijd)belangen) zal men veel mspanning en geld steken in een uitvoerige en zo nauwkeurig mogelijke prestatievoorspeUing. De ontwerper van meer alledaagse jachten zal voor een groot deel terug moeten vallen op gepubUceerde resuhaten van andere schepen en op zijn ervaring.
De eerste sleepproeven met scheepsmodellen werden al in 1717 uitgevoerd, het lukte echter niet, door gebrek aan physisch mzicht, de verschijnselen juist te verklaren en een goede voorspelling van de weerstand op ware grootte te maken. In 1860 stelde een groep Engelsen aan de Admiralheh voor om zowel snelheid als weerstand te meten door proeven met een schip op ware grootte. WiUiam Froude, een in die jaren al bekend civiel ingenieur, was het hier niet mee eens, vanuh zijn overtuiging dat de wrijvingsweerstand onafliankelijk van de overige weerstandscomponenten behandeld kon worden en hij was van mening dat hierover eerst meer duidelijkheid moest komen, alvorens een schip te slepen. Froude kreeg geld om de eerste moderne sleeptank te bouwen in Torquay. Door vlakke platen en modellen te slepen bleek Froude in staat om de weerstand als gevolg van wrijving te bepalen als fimctie van de sneUieid en de lengte van de plaat. Verder kon hij laten zien dat de totale modelweerstand, na aftrek van de wrijvingsweerstand, evenredig is met de modelschaal. Daarna zijn met de Greyhound proeven op ware grootte gedaan: de resuhaten bevestigden de inzichten van Froude volledig. Wüüam Froude is daarmee de grondlegger geworden van het moderne sleeptankonderzoek.
Aërodynamica van de zeilen
De grootte van de voortstuwingskracht wordt bepaald door de vorm en stand van de zeilen. Vorm en stand van de zeUen zijn door het trimmen van mast en tuigage en door de schootvoe-ring verregaand aan te passen aan de richting en sterkte van de wind en aan de heersende zeegangscondhies. Anders dan bij romp, kiel en roer kan de zeüer aanzienlijke mvloed uitoefenen op de grootte en de richtmg van de aërodynamische krachten op de boot. Het betekent dat het moeilijk is om een voor aüe omstandigheden'geldend model op te steUen waarmee de krachten die de zeüen leveren bepaald kunnen worden. Omdat er tijdens het zeüen in principe een voortdurend evenwicht tussen de water- en de luchtkrachten moet zijn, zuüen de zeüen steeds zo ingesteld worden dat dat evenwicht ook daadwerkelijk optreedt, hetgeen inhoudt dat de luchtkrachten mede afliankeUjk zijn van de waterkrachten en dus van de vorm van de romp, kiel en roer.
Om de merites van verschillende boten te kunnen vergelijken is het derhalve nodig om te werken met gestandaardiseerde aërodynamische krachten op de zeilen, zogenaamde zeilcoëffi-ciënten. De zeilcoëfficiënten zijn zodanig bepaald dat de op de zeilen uhgeoefende krachten uhsluhend afhankelijk zijn van: het zeiloppervlak, de windsnelheid en de aanstroomhoek van de zeilen. De vorm van het tuig (hoogte/breedte en aantal en grootte van de zeilen) wordt eventueel in rekening gebracht door het gebruik van verschiUende sets zeilcoëfficiënten. Verder wordt aangenomen dat de zeilen optimaal gesteld zijn ten opzichte van de wind.
Voor het bepalen van zeUcoëfficiënten staan in principe twee wegen open: het meten in een windtunnel aan een model van zeilen en tuigage of het uitvoeren van metingen aan een jacht op ware grootte.
Bij het meten aan modellen in een windtunnel kunnen de verschillende parameters van het zeilplan gemakkelijk systematisch gevarieerd worden, waardoor een goed inzicht gekregen kan worden in optimale tuigvormen. Een probleem bij windtunnelproeven is echter het op schaal namaken van het dunne, flexibele zeil waarvan de vorm verandert, afhankelijk van windsterkte en richting. Windtunnelproeven worden dan ook veelal uitgevoerd met dunne, plaatvormige, stijve modelzeilen. In [26] en [27] zijn de resuhaten van vele windtunnelproeven met zeUen samengebracht.
De pionier op het gebied van sleeptankproeven met zeiljachten. Prof Kenneth S. M . Davidson, verbonden aan het Stevens Institute of Technology in Hoboken, USA, kwam omstreeks 1932 op de gedachte om metingen te doen aan een jacht op ware grootte, terwijl daamaast met een model proeven in de sleeptank uhgevoerd werden [40]. Met het jacht Gimcrack werden testvaarten uhgevoerd waarbij gemeten werden: grootte en richting van de schijnbare wind, heUingshoek en bootsnelheid. In de sleeptank werden de weerstand en dwarskracht gemeten bij verschillende drift- en helhngshoeken. Met behulp van de windsnelheden, de bekende krachten op de romp en het zeiloppervlak werden vervolgens zeilcoëfficiënten bepaald als functie van de helhngshoek. Deze z.g. Gimcrackcoëfficiënten zijn sindsdien door vele instituten tot in deze tijd gebmikt om vanuh sleeptankgegevens te komen tot een prestatievoorspelling op ware grootte. Met het doel om te komen tot een opvolger van de Intemational Offshore Rule werd door het Massachusetts Institute of Technology het Irving Pratt Ocean Race Handicapping Project uhgevoerd. Een van de onderdelen was bet bepalen van nieuwe zeilcoëfficiënten, gebaseerd op de modeme tuigages en zeilen. Ware grootte metingen werden gedaan met de jachten Baybee (USA) en Standfast (Nederland), terwijl overeenkomstig de procedure,
gevolgd door Davidson, in de sleeptank de bijbehorende hydrodynamische krachten bepaald werden [32] en [33]. De voorgestelde coëfficiënten werden gebmikt in het oorspronkelijke Velocity Prediction Program, dat tijdens het Pratt Project ontwikkeld werd.
Hazen [34] pubhceerde een aërodynamisch model waarin de lift en weerstandcoëfificiënten voor ieder individueel zeil bepaald kunnen worden. Een gewogen gemiddelde, gebaseerd op het oppervlak van ieder zeil apart levert de totale zeilkrachten. Hazen is uhgegaan van gegevens uh verschillende bronnen, waaronder de Baybee/Standfast-coëfificiënten. Het grootste nadeel van het model van Hazen is dat het geen rekening houdt met de interactie tussen de verschillende zeilen: toch is het geaccepteerd als het best beschikbare model op dh moment.
Stabiliteit en zeewaardigheid
Wanneer de krachten op zeilen en boot, zoals getekend in figuur 7, geprojecteerd worden op een vertikaal vlak, loodrecht op de baan van het jacht, ontstaat figuur 9. De hydrodynamische en aërodynamische krachten bezhten vertikale componenten, die in de evenwichtssituatie weer aan elkaar gelijk zijn. De kracht die tot gevolg heeft dat het jacht een helhngshoek aanneemt. de hellende kracht m de figuur, is weer
even groot maar tegengesteld gericht aan de kracht door het water op de bootromp uitgeoefend. Beide krachten vormen samen het heUende moment. Dh hellende moment moet gecompen-seerd worden door een oprichtend moment, omdat anders de boot zou omslaan. Dh oprichtende moment ontstaat doordat, wanneer de boot een helhngshoek aanneemt, het gewicht van de boot en de opdrijvende kracht een oprichtend koppel vormen (figuur 10).
Figuur 9: Krachten in het vertikale vlak Wanneer een jacht in vlak water
recht-op drijft, vah de werkhjn van het scheepsgewicht W, die door het zwaar-tepunt G gaat, samen met de werklijn van de vertikaal gerichte, opdrijvende kracht v, die door het drukkingspunt B gaat. Neemt het jacht een helhngshoek (J) aan dan verplaatst het drukkingspunt zich van B naar B^, omdat bij helhng de vorm van het onderwaterschip van het jacht verandert, waardoor ook de plaats van het zwaartepunt B<^ van het volume verandert.De werklijn van de opdrijven-de kracht, die door gaat, valt nu niet meer samen met de werklijn van het scheepsgewicht die door G blijft gaan. Er ontstaat een koppel, gevormd door de twee even grote, doch tegengesteld gerichte krachten W en v, met een afstand h (arm van het stabühehskoppel).
Figuur 10: Het oprichtend moment 15
De grootte van de arm h van het (statische) stabihtehskoppel is afhankelijk van twee factoren: 1. De vorm van het onderwaterschip, waardoor de plaats van het drukkingspunt bepaald
wordt,
2. De hoogteligging van het zwaartepunt G, bepaald door de gewichtsverdehng van het jacht. Beide gegevens zijn in fehe pas bekend als het ontwerpproces afgerond is, waardoor de ontwerper in het begin van het ontwerpproces gebruik moet maken van benaderingen en ervaringsgegevens.
De grootte van de arm van statische stabilheh bepaah met welke helhngshoek, afhankelijk van de windsterkte, een jacht zal zeUen op vlak water. Figuur 11 geeft de arm van statische stabiliteh van een Draakjacht, afhankelijk van de heUingshoek. Bij toenemende helling wordt h steeds groter om bij ongeveer 40 graden heUing een maximum te bereiken. Heh het schip nog verder dan neemt de arm langzaam af, tot een heUingshoek van 52 graden bereUct is, waarbij de arm ineens tot O terugvalt als gevolg van het feh dat bij 52 graden het water over de lij-kuiprand de boot in loopt en deze zal zinken.
0.5
H « l ( i n g s h o * k ^ in g r a d e n
Figuur 11: Armen van statische stabiliteit van het Draakjacht
Voor jachten die op binnenwateren varen is de beschouwing van de statische stabUiteit in relatie tot de grootte van het zeüoppervlak in het algemeen voldoende om tot een opthnaal schip te komen.
Zodra echter rekening gehouden moet worden met zeegang en de invloed daarvan op de veiligheid van schip en opvarenden gaat de stabilheh een zeer grote rol spelen. Het evenwicht tussen het heUende moment en het stabihtehskoppel verandert tijdens het varen in (onregelma-tige) zeegang voortdurend als gevolg van:
- het eigen golfsysteem van de boot,
- het voortdurend wijzigen van de vorm van het ondergedompelde deel van de romp als gevolg van de door de wind opgewekte golven,
- het bewegen van de boot waardoor de krachten op de zeilen ook een minder stationah karakter krijgen,
- eventuéel uh het roer lopen, waardoor plotselinge grote extra heUende momenten uitgeoe-fend door de golven, kunnen ontstaan.
De ontwerper wordt geacht zijn boot van een zodanig grote stabihteh te voorzien (waarbij ook de waterdichtheid van de kajuitopenmgen gewaarborgd is) dat ook onder extreme omstandig-heden, de boot niet in omgeslagen toestand blijft drijven of zinkt. Eerst naar aanleiding van de rampzalig verlopen Fastnet-Race in 1979 [35], [28] is men zich van deze problematiek bewust geworden. Het naar aanleiding van de Fastnet-Race van 1979 gestarte onderzoek naar de oorzaken van het tekort schieten van de (dynamische) stabihteit van vele jachten, heeft geleid tot duidelijke aanbevelingen met betrekking tot stabihteh en veUigheid van zeegaande jachten. Toch zijn er door de opstellers van de verschillende meetformules (lOR en IMS) nauwelijks harde consequenties verbonden aan deze aanbevelingen, zodat de uhemdelijke verantwoorde-lijkheid voor de veiligheid voor het grootste deel nog steeds ligt bij de ontwerper. Als gevolg van het streven naar gelijke concurrentieverhoudingen binnen de Europese Unie wordt nu getracht om tot eenduidige en algemeen geaccepteerde veiligheidsvoorschriften te komen, waarbij specifiek eisen gesteld worden aan de stabihteh en het reserve-drijfvermogen van jachten [36]. Nieuw te bouwen schepen zullen aan deze normen moeten voldoen, wiUen zij in
aanmerking komen voor het CE-merk.
Prestatievoorspelling
De jachtontwerper wü, het hefst in een zo vroeg mogelijk stadium van het ontwerpproces, inzicht hebben in de te verwachten prestaties van zijn ontwerp. Voldoen de prestaties niet aan de verwachtingen dan kan hij proberen deze te verbeteren door het ontwerp te wijzigen. Het uiteindelijke doel is om te voren te bepalen hoe de prestaties zuüen zijn, afhankelijk van de parameters waardoor de prestaties bepaald worden.
Een mogelijkheid is het laten uitvoeren van tankproeven, die met gebruikmaking van een set zeilcoëfficiënten een betrouwbare (gestandaardiseerde) prestatievoorspelling leveren. Bezwaar is het feit dat sleepproeven eerst gedaan kunnen worden als de rompvorm van het ontwerp vastligt. Wijzigen betekent een nieuw model maken en nieuwe proeven uitvoeren.
Naarmate in de loop der jaren meer resuhaten van onderzoek naar de invloed van de verschil-lende parameters op de prestaties beschikbaar kwamen, was de ontwerper beter m staat om zich tevoren een oordeel te vormen over de kwalhehen van zijn ontwerp. Probleem bleef het feit dat veel invloedsfactoren niet onafhankeüjk van elkaar zijn, zodat een wijziging dücwijls zowel gunstige als negatieve effecten heeft. De uheindelijke oplossing ügt dan ook bij een rekenmodel dat alle relevante parameters en hun onderlmge relaties omvat. Een dergeüjk programma wordt een Velocity Prediction Program (VPP) genoemd.
Om een dergelijk prestatievoorspeüingsprogramma te kunnen schrijven is het nodig zowel de hydrodynamische als de aërodynamische aspecten m een model onder te brengen. Voor de aërodynamische aspecten wordt daarvoor algemeen het reeds eerder besproken model van Hazen, of daarvan afgeleide modeUen gebruikt. Ten aanzien van de hydrodynamica gaf de golfweerstandsberekenmg de grootste problemen. Door in Nederland verricht fiindamenteel onderzoek [37], [38] en [39], is het mogelijk gebleken, op statistische verwerking van sleep-proeven berustende modellen op te stellen, die een goede voorspelling leveren van de golfweerstand, afhankelijk van parameters die de rompvorm beschrijven.
De resuhaten van een VPP worden vastgelegd in een polair snelheidsdiagram (figuur 12).
Figmir 12: Polair snelheidsdiagram
Iedere kromme representeert een bepaalde windsnelheid en de snelheid van de boot kan gevonden worden als de lengte van een vector uh het middelpunt van de figuur. De hoek tussen de snelheid en de vertikaal is de invalshoek van de werkelijke wind. Belangrijke punten zijn de hoogste en laagste punten van de snelheidskrommen: deze geven de optimale prestatie van het jacht aan de wind en met ruime wind weer. De snelheidsvectoren naar deze punten geven de optimale koersen aan de wind en voor de wind aan. De ontwerper kan, door in een vroeg sladiuiii de invoer van hel VPP (Iciiglc. breedte, slabilUcil, zeiloppervlak, alhicliiigen van de kiel, enz.) te variëren, systematisch nagaan wat de invloed van de verschillende wijzigingen op de prestaties bij verschiUende wmdsterkten en koersen is.
3. De invloed van Rating Rules op het ontwerpen van
zeil-jachten
Van D. Phillips-Birt [21] is de uhspraak "Meetsystemen hebben een veel grotere invloed op de vorm van jachten dan de zee met al zijn grillen. De geschiedenis van het wedstrijd]acht is meer een wedstrijd tegen de regels dan tegen de zee. De regels zijn de vorm waarin de romp van een jacht gegoten wordt. Wat vooruitgang bij het ontwerpen van zeiljachten genoemd wordt, zijn de onvoorspelbare en soms overdreven ontwikkelingen in de vorm, die door niet voorziene wiskundige leemten in de meetvoorschriften te weeg gebracht worden."
Naast de resuhaten van wetenschappelijk onderzoek heeft de ontwikkeling van de Rating Rules, in een voortdurende wisselwerking met de pogingen van jachtontwerpers om gebruik te maken van de "loopholes" in de voorschriften, een onmiskenbare invloed gehad op de vorm van romp en tuig van zeiljachten [28] en [41] o.a. Mede als gevolg van het bouwen van steeds hchtere schepen, mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van sterkere materialen, heeft een ontwikke-ling plaats gevonden van zware schepen met een lange doorlopende kiel naar de modeme lichtgewicht schepen met gescheiden kiel en roer en met een romp die veel gelijkenis vertoont met een jol.
Builders Measurement Rule
De ontwikkeling van het modeme jacht begon in het begin van de 19e eeuw. De zeilers uh die tijd hadden veel waardering voor de zeewaardige en relatief sneUe loods-, douane- en vissers-schepen. Figuur 13 geeft de tekening van een Amerikaans schoenerjacht met een lengte op de waterlijn van 16.30 m. uh 1844. Dh was het algemene type van de revenue cutters, loodsboten en jachten in de periode 1800 tot 1845. Het grootspant en het breedste punt van de constmctie-waterlijn liggen voor de halve lengte. Het voorschip is relatief vol, terwijl het achterschip lang en geveegd is (cod's head and mackerel's tail).
Figuur 13: Amerikaanse schoener Cygnet (1844)
Een ander specifiek voorbeeld geeft figuur 14: de sloep Victorine, gebouwd in 1848. De Amerikaanse kustwateren zijn betrekelijk ondiep. Dh is de reden, waarom de Amerikanen veel ondiepe, brede schepen met een midzwaard bouwden. Ballast bestond uh stenen o f uh ijzer binnen in de romp: buitenballast was nog niet bekend. Als tuigage werd een kottertuig (figuur
15) of een schoenertuig (figuur 16) gebmikt.
L o a = 2 3 . 4 7 m, L w l = 1 9 . 2 0 m, B =
Figuur 14: Sloep Victorine (1848)
Figuur 15: Kottertuig Figuur 16: Schoenertuig
In de begintijd van het wedstrijdzeilen op de Solent (omstreeks 1820) werd gezehd in zes klassen, waarin binnen één klasse geen voorgift gehanteerd werd, maar waarbij iedere klasse een voorgift kreeg van de grotere schepen. Dh systeem heeft als nadeel dat eigenaars van grote schepen die als eerste de finish passeren, dikwijls toch hun prijs moeten afstaan aan kleinere schepen. Bovendien varen kleinere schepen eigenlijk altijd in een hopeloze positie ten opzichte van de grotere, hetgeen het genoegen in het wedstrijdzeilen niet vergroot.
In 1843 introduceerde G. H . Ackers, lid van de Royal Yacht Squadron een handicapsysteem, dat bekend is geworden als de Ackers Graduated Scale. Ackers handicapsysteem was gebaseerd op de tonnagemeting van koopvaardijschepen, waarvoor smds 1773 de Buüder's Measurement Rule gebruikt werd:
Tomiage= ( ^ - 3/5B) x B x ^.B waarin: L = lengte van de kiel,
Hoe precies de lengte gemeten moest worden was niet eenduidig vastgelegd. De factor ViB wordt geacht gelijk te zijn aan de hohe. De Builder's Measurement Rule was in fehe een slechte rule: geen rekening werd gehouden met zeiloppervlak, of waterverplaatsing. A l spoedig werd een schip gebouwd waarbij, door het onder een hoek plaatsen van de achtersteven, de lengte op de waterlijn groter werd dan de gemeten lengte (de kotter Cygnet (1846), figuur 17).
Na 1853 begonnen ontwerpers te wedijveren om het grootste en snelste jacht te ontwikkelen met de kleinst mogelijke rating. De Builder's Measurement Rule gaf een penalty op de breedte, maar niet op de diepgang. Daarom kon de nodige stabilheh verkregen worden door de diepgang te vergroten en een flink percentage ballast aan boord te nemen, terwijl de breedte, de andere bepalende factor voor de stabilheh, niet groter gemaakt werd dan nodig. De nieuwe jachten waren niet noodzakelijkerwijs beter, maar zij waren slimmer ontworpen met als doel een lage rating om aldus een tijdvergoeding te claimen waarmee ze de wedstrijd konden winnen, zelfs als ze niet als eerste over de finish gingen.
De geschetste ontwikkeling werd als onrechtvaardig ervaren en in 1854 hebben de Royal London en Royal Mersey Yacht Clubs de lengtecomponent in de Builder's Measurement Rule veranderd, in die zin dat L in het vervolg gemeten werd van voor- tot achtersteven, langs het dek. Het effect was dat extreme schepen nu voorgift moesten geven op oudere en meer normale schepen.
Enkele eigenaars dreigden vervolgens hun schepen uh het wedstrijdzeilen terug te trekken en dat bracht de Royal Thames Yacht Club ertoe de rule nogmaals te wijzigen:
Thames Measurement = ^ ^ i ^ ^ ^ ™
waarbij: L = lengte tussen voor- en achtersteven, gemeten over dek, B = maximum breedte.
Doel was de rating van de schepen die een penalty hadden gekregen op grond van de gewijzigde lengtemeting, in gunstige zin aan te passen, maar tegelijkertijd werd de belasting op de breedte nog eens extra vergroot. Om een Ideine rating te krijgen, verkleinden de ontwerpers de breedte van nieuwe ontwerpen nog verder. Toch werden geen ongewenst smalle schepen ontworpen, als gevolg van de primaire eisen die de stabiliteh stelt. Zolang alle ballast binnen in het schip werd
aangebracht, was er een vehige grens waarboven de diepgang niet vergroot kon worden. Figuur 9 geeft de hjnentekening van de Engelse kotter Kitten, ontworpen en gebouwd in 1852. Een scherp onderwaterschip met hohe waterlijnen in het voorschip. Een lengte/breedte-verhoudmg van 5.0 en een sterk achterover heUende achtersteven, beide als gevolg van het uitbuhen van de meting. Kitten stond bekend als een snel schip.
Figuur 18: Kitten 1852
De New York Yacht Club probeerde bij zijn wedstrijden verschiUende wijzen van meting uh: waterverplaatsing berekend uh opmetmg van de romp, waterverplaatsmg uh een werkelijke gewichtsmeting, zeiloppervlak en tons volgens de Custom House-meting.
In 1858 gmg men over op een systeem gebaseerd op L (voor- tot achtersteven op de waterlijn) x B (max). Ondanks voortdurende tegenstand tegen deze wijze van metmg, bleef deze geldig tot
1871.
Wanneer van Amerikaanse jachten de tonnage opgegeven wordt dan is deze bepaald volgens de Custom House Measurement die enigszins afwijkt van de Thames Tonnage: in plaats van V2B wordt de werkelijke hohe gemeten, terwijl in plaats van 94, 95 in de noemer staat.
Wijziging van de rompvorm. Ballast en stabiliteit.
In 1851 werd in London een wereldtentoonsteUing gehouden. Mede ten gevolge van het feh dat Amerika hiervoor geen inzendmg had gestuurd, gecombineerd met een verkapte uhdaging van enige vooraanstaande leden van de Royal Yacht Squadron besloten enkele zeUers van de New York Yacht Club een schoener te laten bouwen, naar ontwerp van de succesvoUe ontwerper George Steers, en daarmee de handschoen op te nemen tegen de Engelsen.
D h jacht, de America (figuur 19), is zeer bekend geworden. Het had een, in vergelijking met de toenmahge schepen, revolutionahe vorm met hoge kim, holle waterlijnen in het voorschip en een kort maar strak achterschip. De masten helden sterk achterover en waren voorzien van katoenen zeilen, die vooral aan de wind veel vlakker stonden dan de gebruUceUjke zeüen van vlasdoek. Er werd een wedstrijd gezeild rondom het eüand Wight die door de America met groot verschil werd gewonnen.
Figuur 19: Schoenerjacht America (1851)
Er is nogal eens gesuggereerd dat de nieuwe revolutionaire rompvorm met de America is geïntroduceerd. Howard I . Chapelle stelt in The History of American Sailing Ships [42] dat reeds voor 1800 schepen gebouwd zijn waarbij de grootste breedte achter het midden van de wateriijn lag. Bovendien waren al een aanzienlijk aantal Amerikaanse schoeners voor 1850 op deze manier gebouwd.
J. W. Griffith [43], bekend geworden als ontwerper en bouwer van snelle clipperschepen en visserij schoeners en J. Scott RusseU in Engeland hadden beiden theorieën met betrekking tot de scherpe rompvormen gepubliceerd vóór de bouw van de America.
Omstreeks 1830 voerde John Scott Russell een serie proeven uh met betrekking tot rompvorm, rompweerstand en wrijvingsweerstand. Op grond van deze proeven ontwikkelde Scott RusseU zijn "wave-line"-theorie, die er op neer komt dat de vorm van de wateriijnen in het voorschip bepaald moeten worden met behulp van sinussen en in het achterschip met behulp van trocho-ïden. Zijn werk werd gepubliceerd in twee zeer volumineuze boeken (1864): The Modem System of Naval Architecture [44]. De belangstelling voor rompvormen is door het werk van Scott RusseU in die tijd aanzienlijk vergroot. Door J. Hyslop (Amerika) en C. Archer (Noorwe-gen) is de theorie van Scott Russell verder uhgewerkt in de "wave-form"-theorie, waarbij aangegeven werd aan welke eisen de kromme van spantoppervlakken zou moeten voldoen [9]. Figuur 20 geeft het principe weer. Onder invloed van de publikaties van Hyslop, Archer en Dixon Kemp (Engeland) is een ontwerpsysteem gebaseerd op de "wave-form"-theorie een tijd lang algemeen in gebmik geweest.
Figuur 20: Kromme van spantoppervlakken volgens wave-form-theorie
Van 1861 tot 1865 woedde in Amerika de burgerooriog. In de jaren daama pakte men de draad van de jaren '50 weer op. Eén van de meest bekende schoeners in die jaren was de Sappho (figuur 21), een kieljacht, gebouwd in 1867. Het schip had een zeer holle wateriijn en mede als gevolg daarvan een erg scherp voorschip ook boven de waterlijn. Het grootspant vertoonde een aanzienlijke holte en viel boven de wateriijn sterk naar binnen. De Sappho kan beschouwd worden als de laatste ontwikkeling in de grote Amerikaanse schoenerjachten.
Figuur 21: Sappho (1867)
Onder invloed van de Thames Measurement probeerden de Engelsen de breedte zo klein mogelijk te houden en de diepgang te vergroten teneinde het verlies aan stabilheh door de kleine breedte te compenseren. Tot 1872 durfde men de ballast niet buiten aan de kiel aan te brengen, onbekend als men was met de constructieve problemen die dat meebracht en met de krachten die dit gewicht op de romp zou uhoefenen. In 1872 ontwierp en bouwde de in die tijd bekende werfeigenaar Michael Ratsey, de koiiQX Kriemhilda (106 tons Thames Measurement, figuur 22), waarbij een deel van de loodballast, verdeeld in 5 blokken onderaan de kiel was bevestigd.
Figuur 22: Kriemhilda (1872)
In de volgende jaren begon men steeds meer ballast buiten aan de kiel te bevestigen; een ontwikkeling die overigens sneller verliep in de kleine klassen dan bij de grote jachten. In 1880 ontwierp J. Beavor-Webb de Freda met alle baUast in de loden kiel. Vanaf die tijd waren alle Britse ontwerpers druk om de breedte verder terug te brengen en de diepgang, de waterverplaat-sing en de verhouding baUast/waterverplaatwaterverplaat-sing te vergroten.
Het extreem werd bereikt in de kleine klassen van 3 en 5 ton met een L/B-verhouding van 7 en een ballastpercentage van 70%.
Het was een amateur-jachtontwerper, Bentall, die als eerste de implicaties van het werk van William Froude op het gebied van de scheepsweerstand, begreep en toepaste. Het resuhaat was de Jullanar (1875), figuur 23, een schip, waarbij zowel voor als achter het natoppervlak voor die dagen tot een minimum werd gereduceerd. L/B = 5.85. De Jullanar was zeer succesvol in de wedstrijden van 1877 en 1878.
Figuur 23: Jullanar (1875)
Eén van de meest succesvoUe jachten van de periode 1870 -1886 was de Genesta, gebouwd m 1884. L/B van de Genesta is 5.4 (figuur 24).
Figuur 25 laat de snelle en aanzienlijke verandering van de vorm van het grootspant van de Engelse jachten zien onder invloed van de meetregels in de periode 1873 - 1886. Lengte, diepgang en waterverplaatsing werden steeds groter, terwijl de breedte aanzienlijk afnam ("plank on edge"). De Oona verging op haar eerste tocht met man en muis, inclusief haar ontwerper W. E. Patton. De waterverplaatsing van de Oona was 12.7 ton, terwijl de loden kiel 9.75 ton woog. Breedte 1.68 m. bij een lengte over alles van 14.0 m.
Langzamerhand kwam men tot de conclusie dat een jacht, behalve snelheid ook nog andere eigenschappen, zoals zeewaardigheid en veiligheid tegen omslaan, behoorde te bezitten. Slechts een geheel nieuwe Rule kon een oplossing voor deze problemen bieden.
OlAMOND.Id?} VRIL.ie76 TRI0£NT,IB79 OLOA.m.
I I I I ! I I ! I I I I I
M
I I Iv y y y y y
Figintr 25: Ontwikkeling van de gr ootspantvorm onder imdoed van de Thames Measurement In de periode voor 1875 waren jachtontwerpers, jachtbouwers, jachteigenaren of de professione-le bemanning niet algemeen bekend met het verschil tussen de aanvangsstabilheh en de omvang van de stabilheh, het punt waarop een jacht zal omslaan bij verder hellen door de vwnd. Een uitvoerig artikel over dh onderwerp met diagrammen en figuren verscheen in Aquatic Monthly ' in Amerika in oktober 1875. De vraag is echter of diegenen die van deze kennis hadden kunnen
profiteren, het gelezen hebben en of de inhoud hen aangesproken had.
Vanaf 1845 hadden de Amerikanen het grondconcept van hun ondiepe, brede, dikwijls met een zwaard uitgeruste, schepen gehandhaafd. Bij hchte en middelmatige wind en op vlak water waren deze boten, door hun kleinere waterverplaatsing en hun groter zeiloppervlak bij een gegeven lengte, steeds sneller dan de Engelse schepen. Bij kruisen met sterke wind waren de Engelsen in het voordeel. Bij de America's Cup races waren de omstandigheden echter zodanig dat de Amerikanen ahijd wonnen. Figuur 26 geeft ter vergelijking de hjnentekening van het Amerikaanse jacht Puritan dat in 1885 de America's Cup verdedigde tegen de Genesta (figuur
Figuur 26: Puritan
De Engelse schepen hadden door hun grote diepgang en zware kiel in het algemeen een stabiliteitsomvang van meer dan 90°, waarbij de stabilheh bij de normaal bij het zeilen bereikte hellingshoeken, toenam. De Amerikaanse schepen bereikten echter het maximum van de stabihteit al in de buurt van de 30°, hetgeen inhield dat deze schepen voor grotere tochten op open zee ongeschikt waren. Dat de ontwikkeling van het Amerikaanse, brede, ondiepe midzwaardjacht een gevaarlijke richting opgegaan was, toonde het op 20 juli 1876 omslaan aan van het schoenerjacht Mohcnvk (lengte 42.7 m. met een diepgang van slechts 1.83 m.), ten anker bij Stapleton, Staten Island. Terwijl men het anker aan het ophalen was werd het schip, met grootzeil, schoenerzeil en beide topzeilen bij, getroffen door een plotselinge windstoot die het deed hellen, zodat het dek te water kwam en door een volgende windvlaag kapseisde het schip waarbij een aantal gasten verdronk.
Na het omslaan van de Mohawk werd een uitvoerig dispuut gevoerd in de Amerikaanse media over de gevaren van de ondiepe midzwaardjachten en over de voordelen van de smaUe diepe Engelse kotters. Het resuhaat is geweest dat men, ook in Amerika, maar om andere redenen dan de Engelsen, langzamerhand overgegaan is naar diepere en beter geballaste jachten.
Length and Sail Area Rule
De Engelse ontwerper Dixon Kemp heeft jarenlang vergeefs geprobeerd het zeüoppervlak als faktor in de meetregel opgenomen te krijgen. De juistheid van Kemps voorstel werd merk-waardigerwijs het eerst in Amerika erkend: in 1882 besloot de Seawanhaka Corinthian Yacht Club uh New York de aanbeveling van Dixon Kemp over te nemen in de vorm:
4000
Na een proefseizoen werd in 1883 de formule veranderd in:
2
Deze regel staat sinds dien bekend als de Seawanhaka Rule. L is de lengte op de wateriijn. In Engeland werd de door Kemp gepropageerde formule in 1886 door de Yacht Racing Association overgenomen in de vorm:
L x A , = R (Length and Sail Area Rule) 6000
Jachten gemeten of 'rated' onder deze nieuwe rule werden bekend als raters. Het effect van de Length and Sah Area Rule was groot: convexe wateriijnen, klein natoppervlak, langere overhangen als reservedrijfvermogen, toename van de lengte onder helling en wat het belangrijkste was: voldoende breedte voor de stabilheh zonder buhensporig ballasten.
Onder de nieuwe Rule werden enkele grote jachten gebouwd, waaronder de Thistle, de uhdager voor de wedstrijden om de America's Cup in 1887 (figuur 27).
De ontwerper van de Thistle was G.L. Watson, die naar zijn eigen mening, onder invloed van de theorieën van Froude, te veel nadruk had gelegd op het terugbrengen van het natoppervlak, waardoor het schip wellicht een te klein lateraaloppervlak had en de stabUheh ook niet optimaal was. Hoewel de Thistle in de thuiswateren alle tegenstanders de baas was, verioor het alle wedstrijden om de Cup.
Figinir 27: Thistle (1887)
In 1891 ontwierp de Amerikaanse ontwerper en scheepsbouwer N.G. Herreshoff een nieuwe boot voor de zgn. 46 foot class onder de Seawanhaka Rule: de Gloriana (figuren 28, 29 en 31). Vanaf het begin van haar wedstrijdcarrière won de Gloriana gemakkelijk alle wedstrijden. Tot nu toe hadden zowel in Amerika als in Engeland ahe schepen de diepe voorvoet met bijbehorende holle wateriijnen. Herreshof brak met deze traditie en veranderde het voorschip rigoureus waardoor het natoppervlak aanzienlijk afiiam (figuur 30). Hoewel de wateriijnen in het voorschip dus minder scherp zijn, blijken de diagonalen nauwelijks anders te lopen dan bij schepen met diepe voorvoet en chpperboeg. Doordat in fehe de lengte op de wateriijn teruggebracht is, kon het zeiloppervlak (binnen de meting) vergroot worden: dh is een deel van de verklaring van de grote snelheid van de Gloriana ten opzichte van de schepen in haar klasse.
Figuur 28: Hjnentekening Gloriana (1891)
Figimr 29: Zeilplan Gloriana
Figuur 31: Gloriana
Net zo als de oude Thames Measurement Rule extreme schepen opleverde van het type "plank op zijn kant", lieten de nieuwe rules ook mogelijkheden open voor uitbuiting van de zwakke punten. Omdat men de lengte op de waterlijn mat, werden de overhangen steeds langer, om een zo groot mogelijke lengte bij het zeilen onder een helhngshoek te verkrijgen ("effectieve zeiUengte"). Om de romp met een gegeven gemeten zeiloppervlak sneller te maken maakte men de onbelaste breedte steeds groter, het vrijboord klein en de waterverplaatsing ook steeds kleiner ("skimming dishes"). Door het kleine vrijboord hadden deze schepen nauwelijks enige accommodatie onder dek.
Figuur 32 toont het meest extreme voorbeeld van een "skimming dish", de Independence, gebouwd in 1901.
Hoofdafmetingen van de Independence: lengte over alles 42.97 m., lengte cwl 27.43 m., breedte 7.32 m., vrijboord 1.22 m., diepgang 6.09 m., waterverplaatsing 149 ton, baUast 81 ton en zeiloppervlak 1765 m^.
Het schip bleek veel te hcht gebouwd en was onvoldoende sterk om het reusachtige zeUopper-vlak en de ballast te dragen. Na slechts 6 wedstrijden werd de boot gesloopt.
Figuur 32
Tegenwoordig beschikken de meeste schepen over een gescheiden kiel en roer. Dh concept is oorspronkelijk ontwikkeld door N . G. Herreshoff in 1891 {Dilemma en Wenonah (figuur 33)). Het natoppervlak is tot een minimum teruggebracht, terwijl de kiel bestond uh een plaat met bulb. De Wenonah bleek in wedstrijden zeer succesvol.
Een ander voorbeeld wordt gegeven in figuur 34, de Unorna, ontworpen door de Engelse ontwerper Charlie Sibbick in 1894.
In 1896 verscheen een nieuw fenomeen, de scow, in de vorm van de Canadese uhdager voor de nieuwe Seawanhaka Cup, de Glencairn (figuur 35). Wanneer de boot onder een helhngs-hoek van 20° gezeild wordt, neemt de effectieve zeiUengte met minstens 20% toe, terwijl de breedte op de waterhjn met een zelfde precentage afneemt.
Figiiur 33: Wenonah 1892
Figimr 34: Unorna 1894
Figuur 35: Glencairn 1896
Hoewel de neiging bestond om onder de geldende rules de breedte steeds groter te maken kwamen enkele bekende ontwerpers langzamerhand tot de conclusie dat met een wat geringere breedte en een niet al te kleine waterverplaatsing een goed en zeewaardig allround schip te ontwerpen is. Voorbeelden daarvan zijn o.a. de Gloriana (Herreshoff, 1891) en Britannia (Watson, 1893).
In Engeland gaven de Earl of Dunraven en de Prince of Wales beiden opdracht aan de ontwerper G. L. Watson om een grote kotter te ontwerpen. Het schip voor de Earl o f Dunraven, de Valkyrie II (figuur 36) was bedoeld als uhdager voor de America's Cup.
L w l = 2 6 . 2 0 m. B > 6 . 8 6 m.
Figuur 36: Valkyrie II (1893)
De Prince of Wales - de latere King Edward V I I - was Commodore van de Royal Yacht Squadron en President van de Yacht Racmg Association. Zijn schip kreeg de naam Britannia. De Britannia (figuren 37 en 38) is naar de mening van velen, het fraaiste voorbeeld van de grote kotters die in de jaren '90 in Engeland onder de Length and Sail Area Rule gebouwd zijn. De Britannia werd composiet (houten huid op stalen spanten) gebouwd op de werf van Henderson aan de Clyde. Het tuig is in de loop der jaren herhaaldehjk aangepast aan de meetformules. In 1931 werd het zodanig gewijzigd dat de Britatmia paste in de J-klasse volgens de Universal Rule.
De Britannia heeft 43 jaar gevaren: het zeilde 635 races en vestigde een record met 231 eerste prijzen.
De opvolger van Edward V I I , George V gaf in 1936, voordat hij stierf, opdracht het jacht, teneinde haar de vernedering van sloop te besparen, een zeemansgraf te geven. Op 9 juli 1936 werd de Britannia, met haar oude bemanning als getuige, door twee torpedobootjagers van de Solent naar het Kanaal gesleept, waar een tijdbom het jacht naar de diepte zond.
Figuur 38: Britannia
In het zelfde jaar 1893 werd door N . G. Herreshoff de kotter Navahoe ontworpen en ge-bouwd, met als doel de Atlantische Oceaan over te steken en deel te nemen aan de wedstrijden in de Britse wateren. Mede naar aanleiding daarvan werden in Engeland nog twee schepen besteld: Cullana (ontworpen door Fife) en Satanita (Soper, figuur 39). Met de Britannia dienden zij als sparring partner voor de Valkyrie II. In Amerika waren naast de Navahoe, nog vier verdedigers gebouwd: de Vigilant, Colonia, Jubilee en Pilgrim, ahen "big class" kotters gemeten volgens de Seawanhaka Rule. In de selectiewedstijden kwam de Vigilant als beste naar voren en vervolgens versloeg zij de Valkyrie II in de definitieve wedstrijden met aanzien-lijk verschil.
Figuur 39: Satanita 1893
Ook in 1895 en 1899 werden wedstrijden om de America's Cup gevaren, waarvoor aan beide zijden van de Atlantische Oceaan nieuwe schepen gebouwd werden. Beide Amerikaanse verdedigers werden ontworpen en gebouwd door N . G. Herreshoff. De figuren 40 {Defender) en 41 {Columbia) laten zien in welke richting de rompvorm zich in Amerika ontwikkeld had onder invloed van de Seawanhaka Rule.
De rompvorm van de grote kotters van de jaren '90 kan beschouwd worden als een (vooriopig) eindpunt in een ontwikkeling, waarbij ontwerpers en bouwers proberen om steeds weer, binnen de beperkingen van de meetformules, gesteund door toenemende kennis van de theoretische scheepsbouw, jachten te ontwerpen en te bouwen die het best bereikbare compromis vormen tussen enerzijds de zucht naar snelheid en anderzijds de begrenzingen die de natuur steh.
Figuur 40: Defender 1895
