Mijn eigen ervaring met onze Coaster “Seanymph” is dat schip en bemanning zich het prettigst voelen als het topje van de mast minimaal 465 centimeter boven de waterlijn blijft. Dat komt overeen met een hellingshoek van zo’n 25%. Bij een kortere afstand van masttop tot waterlijn (en dus een grotere hellingshoek) verdwijnt het potdeksel soms onder water en dat resulteert dan in nogal wat natte ongemakken. En natuurlijk ook in een -volkomen terechte- verbale draai om de oren, uitgedeeld door de Schipperse.
De oorzaak van die ongemakken ligt een klein beetje bij Aeolus (want die blaast te hard) en een heel groot beetje bij mij (want ik voerde kennelijk teveel zeil. Het is dus van belang om als Drascombe-schipper zeilvoering en wind goed op elkaar af te stemmen. En om daar een beetje op voorbereid te zijn moet je uiteraard de weerberichten in de gaten houden.
In het weerpraatje van het NOS-journaal kun je bijvoorbeeld zoiets horen:
“En dan nu de weersverwachting voor morgen: Volop zon, zomerse temperaturen en een matige, aan de kust soms vrij krachtige wind uit het Noordwesten.”
Bootjesmensen duiden de windkracht vrijwel altijd aan met “zo- en zoveel Beaufort”. Daarbij wordt dan uitgegaan van de “schaal van Beaufort”, opgesteld door de Ier Francis Beaufort, officier in de Royal Navy. Het KNMI noemt wind met een kracht van 3 of 4 Beaufort “matige wind” en wind met een kracht van 5 Beaufort “vrij krachtige wind”. Nu zou je misschien kunnen denken “2 x 3 = 6, dus windkracht 5 is nog niet eens het dubbele van windkracht 3”. Maar dan kun je met een lichte boot als een Drascombe van een winderige kermis thuiskomen. Of –met een beetje pech– misschien helemaal niet meer thuiskomen. Daarom ga ik in dit stukje wat dieper in op de windkracht en de effecten daarvan op onze bootjes.
Hoe zit dat nu met de windkracht?
Tja… “matige of vrij krachtige wind”. Dat lijkt een lekker eenvoudige voorspelling. Maar als je een leek bent op het gebied van de meteorologie, dan kun je met zo’n weersverwachting toch nog voor onaangename verrassingen komen te staan. Dat geldt vooral voor het zeilen met een licht bootje als een Drascombe. Dat heeft alles te maken met het effect van de wind, dus met de kracht die de wind uitoefent op romp, tuigage en -vooral- de zeilen.
Het geweld dat door de wind wordt uitgeoefend op onze zeilen, is vooral afhankelijk van de volgende factoren:
1. De windsnelheid (in meters per seconde oftewel m/s)
2. De dichtheid van de lucht (in kilogram per kubieke meter oftewel kg/m3))
De windsnelheid behoeft niet zo veel uitleg, dat is gewoon de snelheid waarmee een luchtdeeltje van A naar B beweegt. En die windsnelheid wordt dan aangegeven in meters per seconde, kilometers per uur of in knopen.
De dichtheid is iets ingewikkelder. Ik hanteer zelf de volgende formule om de winddruk te bepalen:
De winddruk in kilogrammen per vierkante meter is grofweg gelijk aan ½ x (de luchtdichtheid in kg/m3) x (het kwadraat van de windsnelheid in m/s).
Let wel: dat is een sterk versimpelde formule in mijn eigen steenkolen-natuurkunde. Want eigenlijk moet er niet worden gesproken van kilogrammen, maar van Newtonmeters en moet er in de formule ook nog rekening worden gehouden met veel meer factoren. Denk aan de wrijvingsweerstand van de zeilen, de hoek waaronder de wind op de zeilen aangrijpt, de koers en vaart die het schip loopt ten opzichte van de wind, etc. etc. Maar ik wil het simpel houden en alleen kijken hoeveel kilogram druk er op de zeilen wordt uitgeoefend als de wind daar loodrecht op inkomt. En vooral: wat het gevolg is als de windsnelheid in korte tijd toeneemt van bijvoorbeeld windkracht 3 naar windkracht 5. Dat zijn immers de omstandigheden die we tijdens het varen met onze bootjes regelmatig tegen kunnen komen.
Bij de berekening van de winddruk is de dichtheid van de lucht van belang. Dat wil zeggen: hoeveel de lucht weegt (want ja, lucht heeft gewicht!) En dat gewicht is afhankelijk van de luchtdruk, de vochtigheidsgraad en de temperatuur.
Daarbij geldt:
- Bij een hoge luchtdruk is lucht zwaarder dan bij lage luchtdruk;
- Koude lucht is zwaarder dan warme lucht;
- Droge lucht is zwaarder dan vochtige lucht. Dat laatste klinkt onlogisch maar is echt waar. Een harde windvlaag van droge lucht resulteert dus in meer schade dan zo’n zelfde vlaag van vochtige lucht. Dat is precies omgekeerd aan de effecten van de ongetwijfeld bij velen bekende en beruchte “natte wind” na een Captain’s Dinner of andere maaltijd met veel bonen. Maar dat is weer een heel ander verhaal.
De dichtheid van droge lucht is op zeeniveau bij 200 C ongeveer 1,20 kg/m3.
We kunnen nu voor elke windsnelheid uitrekenen wat de bijbehorende winddruk is.
Voorbeeld bij een dichtheid van 1,2 kg/m3
Windsnelheid: 3,4 m/s (de ondergrens van 3 Bf)
Winddruk: 0,5 x 1,2 x 3,42 oftewel 0,6 x 11,56 = 6,94 kg/m2 .
Op elke vierkante meter zeil wordt dan een druk van 6,94 kilogram uitgeoefend. Als fok, grootzeil en druil gezamenlijk 15m2 groot zijn (zoals bij een Coaster), dan resulteert dat in 15 x 6,94 = afgerond 104 kilogram aan druk in de zeilen. En hoe groter die druk, hoe schever de boot.
Het wordt interessant als we gaan kijken naar de verschillen tussen bijvoorbeeld windkracht 3 en windkracht 4.
Het “midden” van Bf 3 is 4,4 m/s en geeft 11,62 kg/m2 oftewel in totaal 174 kilogram.
Het “midden” van Bf 4 is 6,7 m/s en geeft 26,93 kg/m2 oftewel in totaal 404 kilogram.
Als je dus in de schaal van Beaufort slechts één windsnelheid omhoog gaat, namelijk van het midden van windkracht 3 naar het midden van windkracht 4, resulteert dat in méér dan een verdubbeling van de winddruk in de zeilen.
Als we ook windkracht 5 in de vergelijking meenemen, dan worden de verschillen opeens nog veel groter.
bij 5,5 m/s (de ondergrens van 4 Bf) komt u uit op 272 kilogram
bij 8 m/s (de ondergrens van 5 Bf) komt u uit op 576 kilogram.
Bij 10,8 m/s (de bovengrens van 5 Bf) komt u uit op 1030 kilogram.
Wie de planning van zijn vaartochten baseert op uitsluitend het weerpraatje na het NOS-journaal, moet er dus rekening mee houden dat “matige of vrij krachtige wind”, kan uiteenlopen van de ondergrens van windkracht 3 (vanaf 3,4 meter per seconde) tot en met de bovengrens van windkracht 5 (tot en met 10,7 meter per seconde).
U weet nu dat u met die windverwachting misschien te maken kunt krijgen met een druk op de zeilen van uw Drascombe die uiteen kan lopen van slechts 104 tot maar liefst 1030 kilogram. Bijna 10 x zoveel winddruk en het verschil tussen lekker zeilen en -voor wie niet oppast- (bijna) omslaan! In dit geval geldt dus niet “5 is minder dan 2 x 3” maar “5 is bijna 10 x 3”!
Drascombevaarders: let op de windvlagen!
Ook heel belangrijk: het KNMI meet voor het bepalen van de windkracht het gemiddelde over een periode van 10 minuten. Maar binnen die periode van 10 minuten kunnen er flinke uitschieters tussen zitten die dus zeer plotseling kunnen zorgen voor een snelle en grote toename van de winddruk! Dat geldt vooral voor een weersverwachting met “af en toe een bui”. Een flinke windvlaag die 10 seconden duurt is voor een licht bootje eel belangrijker dan de gemiddelde wind over 10 minuten.
Zoals je uit onderstaand praktijkvoorbeeld kunt zien, kun je bij windkracht 3 of 4 Bf (de bruine lijn in de grafiek) windvlagen verwachten van Bf 5 of zelfs Bf 7 (de blauwe lijn in de grafiek). Bron: NIOZ.
Baseer je dus niet alleen op het weerpraatje in het NOS-journaal, maar kijk ook naar andere bronnen, en dan vooral naar bronnen die ook aandacht besteden aan de te verwachten windvlagen. Een mooi voorbeeld is Henk Huizinga van NIMOS Meteo. Hij verzorgt elke donderdag het Zilt Weekend Weerbericht, speciaal voor zeilers. Henk geeft daarbij een echt perfecte uitleg!
Opmerking voor winterzeilers:
Op zeeniveau heeft droge lucht een dichtheid van ongeveer 1,20 kg/m3 bij 20 graden Celsius en ongeveer 1.25 kg/m3 bij 10 graden Celsius. Bij 0 graden Celsius is de dichtheid 1,29 kg/m3. Windkracht 4 (5,5 m/s) geeft dan een winddruk van 180.8 kg in uw 15m2 zeil. Dat is 12,6 kg meer dan bij lucht van 20 graden Celsius. Een koude windvlaag komt dus harder aan dan een warme.
Sinpele tabel voor de winddruk (wetenschappelijk niet verantwoord)
Een beetje Beaufort (hoe zit dat nu met die Schaal van Beaufort?)
De eerste versie van die schaal werd in 1805 opgesteld en kende aanvankelijk 13 verschillende situaties, beginnend bij “stil” en eindigend bij “orkaan” . Die 13 situaties waren verdeeld in drie groepen.
- De nummers 0 tot en met 4. Daarin werd beschreven hoe het schip voer met alle zeilen op.
- De nummers 5 tot en met 9. Daarin werd beschreven hoeveel zeil het schip kon blijven voeren bij de betreffende windsituatie.
- De nummers 10, 11 en 12. Daarin werd aangegeven hoe het schip bij een zware storm of orkaan moest overleven.
Bij het ontwerpen van zijn schaal keek Beaufort dus niet zozeer naar de windsnelheid, maar naar de kracht die de wind onder verschillende omstandigheden uitoefende op schip, zeilen en zeegang en naar de gevolgen daarvan voor de zeilvoering en de overlevingstaktiek.
Na nog een paar wijzigingen te hebben doogevoerd op zijn eerste ontwerp,werd de Schaal van Beaufort op 28 december 1838 officieel ingevoerd bij de Royal Navy.
Een minpuntje van de originele schaal van Beaufort was dat die schaal specifiek was ontworpen voor gebruik op zijn fregat (HMS Woolwich). Het fregat was het meest gebruikte schip op dat moment binnen de Britse marine. Maar het effect van de wind op andere typen vaartuigen kon nogal afwijken van de beschrijvingen van Beaufort.
Halverwege de 19e eeuw begon de tuigage van de schepen aanzienlijk af te wijken van een volledig getuigd fregat uit 1838. Bram– en marszeilen werden gesplitst in boven– en onderbramzeilen en boven- en ondermarszeilen. Daarom werd in 1874 een aangepaste Beaufort schaal aangenomen gebaseerd op een volledig getuigd zeilschip uit die periode met dubbel uitgevoerde bram– en marszeilen.
Omstreeks 1880 bestond ongeveer de helft van de totale wereldvloot uit stoomschepen. Omdat de Beaufortschaal gebaseerd is op het gedrag van zeilschepen waren de zeelui aan boord van de stoomschepen genoodzaakt om met behulp van andere omgevingscriteria de windkracht te schatten. Daarom ontwierpen de Duitse kapiteins P. Petersen en M. Prager in 1927 een windkrachtschaal gebaseerd op het uiterlijk van de zee. Deze Petersen-schaal werd samengesteld op grond van gelijktijdige waarnemingen van het uiterlijk van het zeeoppervlak en de Beaufort windkracht.
In 1946 is een nieuwe schaal ontwikkeld, gebaseerd op de windsnelheid op een hoogte van 10 meter boven de grond. Die schaal telt 17 waardes, boven de 13 van Beaufort nog een aantal waardes voor de snelheid van de wind in een orkaan. De beaufortwindkrachtschaal werd zo omgezet in de beaufortwindsnelheidsschaal.
Beaufort was niet de eerste.
Beaufort was beslist niet de eerste de een “windschaal” ontwierp.
Tegen het einde van de 18e eeuw ontwierp Alexander Dalrymple, hydrograaf bij de Engelse East India Company, een windkrachtschaal met 13 schaaldelen (0–12) voor maritiem gebruik. Dalrymple deed dat in navolging van een molenschaal, ontworpen door de ingenieur John Smeaton. Beaufort kreeg die Dalrymple- schaal onder ogen en nam hem in een iets gewijzigde vorm over.
Ook daarvoor al, in de 17e eeuw, was het op zee gebruikelijk om de windkracht verschillende namen te geven, afhankelijk van hoe men de windkracht ervoer. Men schatte de windkracht aan de hand van omgevingsindrukken, bijvoorbeeld het fluiten van de wind door het want of op grond van het uiterlijk van de zee en ervaringsfeiten zoals de zeilvoering en het gedrag van een vertrouwd schip in een woelige zee.
Een van de eerste publicaties waarin de windkracht werd benoemd is een Engelse uitgave getiteld: “An Accidence, or the Pathway to Experience necessary for all young Seamen”, uit 1626 door Captain John Smith. In die publicatie werd de windkracht in volgorde van heftigheid benoemd als: a calme, a breze, a fresh gaile, a pleasant gaile, a stiffe gaile, it ouerblows, a gust, a storme, a spoute, a loume gaile, an eddy wind, a flake of wind, a Turnado, a monthsoune, a Herycano”.
Grappig dat men toen zoiets kende als “a pleasant gaile”, dat we in tegenwoordig Nederlands dan zouden moeten vertalen als “een plezierige storm”.
Ook de Nederlandse zeelui ontwikkelden in de 17e eeuw een speciale terminologie om onderling informatie over de wind uit te wisselen. Zie onderstaande tabel met een aantal van die 17e eeuwse zeemansuitdrukkingen.
Hier een tabelletje van de in Nederland tussen 1850 en 1898 gehanteerde Beaufortschaal.
En wat (mij) daar dan bij opvalt, is dat onze eigen KNMI windkracht 10 Beaufort omschreef als “Veel wind”. Tja, waarom moeilijk doen als het makkelijk kan.
Anno nu staat op de website van het KNMI deze “Schaal van Beaufort”:
Hier wordt nergens meer iets vermeld over het effect op een schip of de zeegang. Er is dus helemaal niets meer over van de oorspronkelijke bedoeling van Francis Beaufort. Maar kennelijk vindt het KNMI het wèl belangrijk om te vermelden dat bij windkracht 4 je haar in de war kan raken!
En dat is nou net wat Sir Francis waarschijnlijk echt “sausage” zou zijn geweest.
Roel Smidt, november 2021
Gehanteerde bronnen: Internet, o.a. “Historische Maritieme Windschalen tot 1947” van H. Wallbrink en F. B. Koek.