Historie en achtergrond

Rijden op windkracht is al een heel oud. In Nederland introduceerde Maurits van Nassau, later Prins van Oranje, in 1862 de zeilwagen, ontworpen door uitvinder Simon Stevin. Ze reden van Scheveningen naar Petten met een voor die tijd ongekend hoge gemiddelde snelheid van 40 km/uur.

Figuur 1. Eerste Nederlandse zeilwagen. Foto: Wikipedia: Zeilwagen .

Met een vleugel wordt de luchtsnelheid effectiever omgezet naar een kracht. Zeker als de wrijving van het voertuig laag is kunnen met een vleugel hoge snelheden gehaald worden. De Greenbird is hier een voorbeeld van. Sinds 2009 heeft Richard Jenkins met dit voertuig het wereldrecord landzeilen op zijn naam staan met een topsnelheid van +/- 200 km/uur (3 tot 5 keer de windsnelheid).

Figuur 2. De Greenbird. Foto: Peter Lyons .

Werking van een vleugel

Figuur 3. Luchtstroom vliegtuigvleugel. Gerben49, CC BY-SA 3.0,

Bij een vleugel wordt de luchtsnelheid omgezet naar een kracht loodrecht op de richting van de luchtstroom. Bij vliegtuigen is de luchtstroom altijd tegengesteld aan de snelheid van het vliegtuig en de kracht verticaal naar boven gericht. Daarom spreekt men meestal over liftkracht.

Bij een wind aangedreven voertuig met een rechtopstaande vleugel is de liftkracht horizontaal gericht. De liftkracht kan dan opgesplitst worden in een voorwaartse kracht, en een dwarskracht (zie figuur 4).

Werking balansvleugelzeil

Figuur 4. Doorsnede balansvleugelzeil.

Vleugels bestaan meestal uit twee elementen, een hoofdvleugel en een flap. De aanstroomhoek van de wind en de hoek van de flap bepalen de liftkracht die gegenereerd wordt door de vleugel. Daar deze hoeken bij moderne vleugelzeilen instelbaar zijn kan de liftkracht van 0 tot de maximale liftkracht gevarieerd worden. Door de betere efficiëntie is de maximale liftkracht bij een vleugelzeil ongeveer 2 keer hoger dan een vergelijkbaar traditioneel zeil. Om te zorgen dat het vleugelzeil altijd een optimale hoek maakt met de windrichting wordt bij een balansvleugelzeil de vleugel voorzien van een staart. De staart werkt op de zelfde manier als de staart van een vliegtuig. In figuur 4 veroorzaakt de liftkracht, gegenereerd door de vleugel, een draaimoment tegen de wijzers van de klok in. In het geval de vleugel in balans is wordt dit draaimoment, door de liftkracht gegenereerd door de staart, gecompenseerd.

Werkelijke wind, rijwind en schijnbare wind.

Bij vliegtuigen wordt de luchtstroom rond de vleugel volledig bepaald door de snelheid van het vliegtuig. Bij traditionele zeilschepen wordt de luchtstroom hoofdzakelijk bepaald door de wind. Bij sneller zeilers, zoals de Greenbird, is de snelheid en richting van luchtstroom zowel afhankelijk van de rijwind, t.g.v. de snelheid van het voertuig, als ook van de werkelijke windrichting en -snelheid. We spreken dan van schijnbare wind. De schijnbare wind kan verkregen worden door de vectoren van de werkelijke wind en de rijwind op te tellen. De schijnbare windsnelheid is meestal hoger dan de werkelijke windsnelheid behalve als de wind van achter komt. Een voertuig op windkracht creëert dus voor een deel zijn eigen wind.

Rijden op windkracht

Figure 5 Animatie van een voertuig op windkracht met snelheidslimit.

Bij het rijden op windkracht moeten we dus rekening houden met de schijnbare wind. Via het vleugelzeil veroorzaakt de schijnbare wind een voorwaartse kracht, die de snelheid bepaald, en een dwarskracht. Door de dwarskracht kan het voertuig omkantelen. Zoals weergegeven door animatie in figuur 5 zal bij hogere voertuigsnelheden de dwarskracht snel toenemen waardoor het risico op omkantelen groter wordt. Bij de Greenbird is dit opgelost door het voertuig extreem breed te maken. Echter hier kan je niet mee over de weg rijden. Bij de WindWheeler hebben de dwarskracht beperkt door de snelheid te maximaliseren. Door de snelheid te limiteren m.b.v. regeneratief remmen wordt er dan tegelijktijdig stroom opgewekt.