Bottenfinish 2.0

Det finns inget som heter ”för fin bottenfinish”, men den perfekta spegelblanka finishen kan kräva mycket tid, tid som kanske kan läggas på något viktigare?   Foto: A. Förberg

 

De flesta verkar vara överens om att en bra bottenfinish är viktigt om man vill minimera motståndet och därmed öka prestandan på sin båt. Men när det kommer till vad som är en bra bottenfinish så råder det delade meningar. Frågar man inbitna kappseglare om vad som är den bästa bottenfinishen brukar man oftast få ett och samma svar, våtslipat, med varierande teori bakom anledningen till detta. Vilken kornstorlek det skall vara på papperet varierar också, men mest vanligt är någonstans mellan P400 till P1200. Ibland har jag fått svaret att polerat är snabbast. Vem har rätt, vad är snabbast?

Det hela handlar om friktionsmotstånd även om vattnet inte direkt glider mot skrovet som de flesta verkar tro. Oavsett hur blankpolerad och slät finish skrovet än har så kommer ett mycket tunt skikt av vatten allra närmast skrovet alltid att stå helt still i förhållande till skrovet. Vattenmolekylerna här är som fastlimmade mot skrovet. Ett friktionsmotstånd uppstår sedan mellan detta tunna skikt vatten och nästa skikt vatten som glider utanför, som i sin påverkar nästa skikt o.s.v. ända tills fartskillnaden har jämnats ut mellan vattenskikten.

Dessa vattenskikt som glider utanpå varandra kallas gemensamt för gränsskikt och delas in i två olika tillstånd, laminärt och turbulent. Ett laminärt gränsskikt innebär tunna vattenskikt som påverkar varandra endast genom molekylära bindningar som är ganska svaga, d.v.s. låg friktion mellan vattenskikten. Ett turbulent gränsskikt har starkare bindningar genom vattnets virvlande effekt och därmed högre friktion. Friktionen blir också högre när hastigheten på flödet ökar snabbare med avståndet från skrovet vilket är fallet i det turbulenta gränsskiktet.

I fören på båten är det laminära gränsskiktet bara någon millimeter tjockt och växer sedan relativt sakta till ca 10mm medan det strömmar längre bak på skrovet. Därefter ändrar det karaktär och blir turbulent och då växer det snabbt i tjocklek och motståndet ökar drastiskt i och med detta omslag. I aktern är gränsskiktet ofta över 10cm tjockt. Man kan tydligt se det turbulenta gränsskiktet om man tittar på vattnet närmast skrovsidan nära aktern, hur vattnet allra närmast skrovet suger tag och följer virvlandes med och hur det successivt accelererar med avståndet från skrovet. Det är där rätt tydlig att skrovet drar med sig en hel del vatten.

Så om man nu strävar efter att minimera motståndet så skall man se till att flödet över skrovet, köl och roder är laminärt så långt som möjligt. I praktiken är det dock inte möjligt att ha så lång laminär strömning över själva skrovet, detta beror på att skrovets linjer oftast inte är ritade primärt för detta och efter en viss sträcka längst skrovet, beroende på fart, så blir flödet ändå turbulent oavsett hur fin finish man än har. En tumregel är att första tredjedelen eller första hälften av skrovet behöver mest uppmärksamhet. Längre akterut klarar man sig med grövre finish utan att bli straffad i friktionsmotstånd då flödet ändå är turbulent här. Vill man veta mer exakt var man kan förvänta sig laminärt flöde så måste man räkna ut Reynoldstalet för de farter man är intresserad av vilket jag inte kommer gå in på här. Generellt kan man säga att man i tre knops fart kan förvänta sig laminärt flöde ungefär över de tre första metrarna på skrovet förutsatt att finishen är tillräckligt bra. I sex knops fart är denna sträcka halverad. Det kanske inte låter så mycket att sträva efter, några få meter laminär strömning hit eller dit, men faktum är att friktionsmotståndet är ca 5ggr högre om flödet är turbulent i stället för laminärt och friktionsmotståndet i det turbulenta flödet blir också högre om finishen är dålig. En handmålad penslad yta har ojämnheter på 50-100µm vilket i sex knops fart ökar motståndet med 5-18% och detta är en hel del då friktionsmotståndet utgör drygt en tredjedel av båtens totala motstånd.

För att nu ha en ”tillräckligt bra” finish så måste ytan vara ”hydrodynamisk slät”. Vattenmolekylerna närmast skrovet står som beskrivet ovan still och bildar ett extremt tunt skikt kallat det ”sublaminära gränsskiktet”. Efter en rad experiment har man kunnat fastställa att effekten av en grov yta försvinner om denna är inbäddad i detta tunna vattenskikt som normalt är tunnare än en tiondels millimeter. Exakt hur tunt detta vattenskikt är beror på hastigheten. Ju fortare skrovet går genom vattnet desto tunnare blir det sublaminära gränsskiktet. Kravet på finish ökar därför med i takt med farten. Sambandet är dock enkelt, dividera 194 med farten i knop. Resultatet är den maximalt tillåtna grovheten på skrovets yta i mikrometer (µm) räknat. Har man t.ex. en segelbåt som normalt aldrig seglar snabbare än sex knop så innebär detta att ytan inte får vara grövre än 32µm. Gör båten ibland tolv knop så får strukturen inte vara mer än 16µm, osv. Denna finish bör man alltså ha åtminstone fram till mitten av skrovet då detta också minskar friktionen i början av det turbulenta flödet. Efter mitten på skrovet sjunker kravet på finish gradvis till ungefär hälften längst bak i aktern. Detta förutsatt att det inte är ett planande skrov vilket ställer samma krav på finish från för till akter.

Kölar och roder har oftast designats med speciella profiler för att få laminärt flöde så långt som möjligt, samtidigt skall de även skapa en lyftkraft när de träffar vattnet med en anfallsvinkel av varierande storlek och då blir kraven på finish mycket högre. Även enklare turbulenta profiler (typ NACA 0012) gör mer motstånd och får klart sämre verkningsgrad samt tidigare separation om ytan är allt annat än perfekt. Tester har visat att redan vid ojämnheter på 10µm (rollad VC17 ligger på drygt 13µm) så sjunker maxlyftet med ca 25% och motståndet vid maxlyft ökar med över 30% jämfört med en spegelblank, polerad yta. Detta kan vara av mycket stor betydelse, speciellt för roder som man ofta behöver så mycket kraft i som möjligt för att inte tappa kontrollen på sin båt, t.ex. på en hård slör. På kölen är det normalt inte lika viktigt med spegelblank finish (förutsatt att den inte är har ett extremt höjd/bredd förhållande och/eller en krävande laminärprofil som de flesta extrema racers har idag) då man normalt inte ligger nära maxlyft på en mer normal köl. Dock kan det fortfarande ge en fördel i starter och efter slag då man tillfälligt kan få höga anfallsvinklar. Alltså, har man för avsikt att kappsegla bör man definitivt ge sitt roder och sin köl en polerad finish.

Nedanstående tabell visar kornstorleken för några olika sandpapper:
P2500   8.4µm
P2000   10.3µm
P1500   12.6µm
P1200   15.3µm
P1000   18.3µm
P800   21.8µm
P600   25.8µm
P400   35.0µm
P320   46.2µm
P280   52.2µm
P240   58.5µm
P220   68µm
P180   82µm
P150   100µm

Att reporna efter sandpappret inte blir lika djupa som slippapprets kornstorlek är logiskt men för att ta reda på till vilken fart en viss finish är hydrodynamsikt slät så måste man mäta upp repornas djup och eventuella toppar på den slipade båtbotten. Jag tog därför hjälp av Kjell Nordin som är teknisk specialist hos 3M för att mäta detta med professionell utrustning.

När det gäller slipning så är det mer komplext än man först kan tro. Metod, papper, hårdlek på slipdyna, och inte minst underlaget påverkar resultatet kraftigt. Något som det flesta inte vet är t.ex. att den slipade ytan blir finare med torrslipning jämfört med våtslipning med samma kornstorlek på slippappret. Detta p.g.a. att vattnet transporterar bort slipdammet så att slipkornen når ned djupare i materialet som slipas. En mjukare slipdyna gör också att slipkornen inte når ned lika långt i underlaget med finare resultat som följd. Sedan kan det i och för sig skilja massor mellan två olika typer av slippapper med samma kornstorlek också. Vidare så skapar slippapprets korn inte bara repor utan det blir också grader, en liten vall som sticker upp på var sida om repan.

För att få några olika mätresultat att förhålla mig till så mätte Kjell finishen på två båtar med olika bottenfärg som jag slipat med P320 papper, och på en som inte var slipad. Jag brukar torrslipa med P320 eller eventuellt P400 slippapper på oscillerande maskin kopplad till dammsugare. Detta är lagom grovt så att det fortfarande tar en del. Dammsugaren ser till att pappret inte sätter igen och att det blir en mycket trevligare arbetsmiljö.  Man slipar snabbt bort ojämnheter som rinningar och kratrar samtidigt som finishen blir rätt fin (dock ej tillräckligt fin för roder och lite sportigare kölar). Enligt mig en bra kompromiss mellan nedlagt tid och resultat.

Kjell använder en profilometer för att läsa av ytan. Den fungerar ungefär som pickupen på en grammofonspelare fast på tvären, en fin sensor går över ytan och registrerar höjdskillnaderna på mikrometernivå i underlaget. Profilometern kan mäta många olika parametrar men den parameter som bäst beskriver det vi vill veta i detta falla kallas Rz. Rz använder man sig ofta av om man vill lacka eller polera en yta då detta beskriver hur djupa dalar man kan förvänta sig att behöva täcka eller polera bort. Det är dessa dalar och toppar som måste täckas av det sublaminära gränsskiktet för att vi ska ha en hydrodynamiskt slät yta som inte skapar extra friktionsmotstånd. Rz är ett medelvärde av de fem största variationerna på mätsträckan men för att vara lite mer på den säkra sidan så tittar vi enbart på RzMax vilket är den största variationen på mätsträckan.

Rollad VC17 som ej slipats hade på testbåten ett RzMax på 13,5µm = hydrodynamiskt slät upp till ca 14 knop. Observera att detta förutsätter att man i övrigt har en helt jämn yta, utan rinningar, kratrar eller skarvar efter rollern vilket inte var fallet på testbåten, se bild ovan. Sannolikt krävs att man sprutar på färgen eller är mycket skicklig med planstrykare för att kunna förvänta sig ett RzMax som ovan över hela ytan om ingen efterbehandling i form av slipning görs.

VC17 som slipats med P320 papper, torrt på excenterslip med dammsugare hade ett RzMax på 7,6µm = hydrodynamsikt slät upp till ca 25 knop.

Biltemas epoxyprimer slipad med P320 papper, torrt på excenterslip med dammsugare hade ett RzMax på 6,0µm = hydrodynamsikt slät upp till ca 32 knop. Eftersom epoxyprimern är hårdare än bottenfärgen VC17 så blir reporna mindre och finishen bättre.

Slutsatsen är väl att man som kölbåtsägare inte är betjänt av att stå och gno på botten med P2000 våtslippapper förutsatt att ytan är jämn, fri från kratrar, rinningar eller andra ojämnheter. Torrslipning med P320 slippapper på oscillerande maskin ger tillräckligt fin finish (läs hydrodynamiskt slät), oftast med god marginal dessutom.

För roder och lite sportigare kölar är det som tidigare beskrivet inte fullt så enkelt, där bör man lägga mer möda på finishen då finare alltid ger mer lyft och mindre motstånd. Rekommendationen där är alltså en polerad spegelblank finish.

Här är ett utmärkt reportage i ämnet slipning av båtskrov där Kjell Nordin, teknisk specialist hos 3M visar Gustav Morin från Hamnen.se hur man går tillväga för att få till en hydrodynamiskt slät botten för farter upp till 39 knop.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *