Wing ontwerpen van foils uitgelegd

De ontwikkeling van foils gaat snel. De ene foil ziet er nog futuristischer uit dan de andere. Hoe bepaal je de eigenschappen van de foil/wingset en welke wingset past bij jou? In dit artikel leggen we uit welke aspecten van wingontwerp (front wings en stabilizers (of back wings)) de belangrijkste bijdrage leveren aan de eigenschappen van een foil. Dit artikel is mede tot stand gekomen door de input die wij kregen hebben van topshaper Tiesda You van Starboard Foils.

Wetenschappelijk inzicht in wing ontwerpen foils

Het principe van het wingfoilen en windfoilen is in de basis hetzelfde als bij vliegtuigen. Veel van de natuurkundige wetten (aerodynamica) die gelden in de lucht zijn ook van toepassing in het water (hydrodynamica). Het windfoilen brak in 2017 door en het wingfoilen kort daarna. In de prestigieuze American Cup varen ze al sinds 2013 met boten voorzien van foils.

De wingfoil en windfoil industrie maakt graag gebruik van de kennis en inzichten die in deze ‘F1 van het zeilen’ wordt opgedaan. Starboard heeft een nauwe samenwerking met Martin Fischer die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de foils van Amercian Cup teams.

We zien deze ‘sprong’ in kennis duidelijk terug in de nieuwste generaties foils van Starboard. Ook andere merken zien we enorme stappen maken met de nieuwste generaties foils.

Basis aspecten wing shapes

Laten we dieper ingaan op de basis shapes van wings. Dit leert je om beter in te schatten welke basiseigenschappen een type wing heeft en of dit aansluit bij jou stijl en niveau van foilen. De meeste aandacht besteden we aan de front wing omdat deze de meeste impact heeft op de eigenschappen die je tijdens het foilen ervaart. Omdat we best veel technische termen gebruiken, staan onderaan het artikel de betekenis van de meest gebruikte termen :).

Laten we starten. We behandelen de volgende 4 belangrijke aspecten van de front wings;

1. Aspect ratio
2. Curve van de leading edge
3. Profiel (dikte) van de wing
4. Winglet tips

1. Aspect Ratio

Wat is aspect ratio (AR) eigenlijk? AR is de verhouding tussen de spanwijdte van een wing en chord size of het oppervlakte van de wing. Er zijn verschillende formules om de AR te berekenen. Voor wings is de onderstaande formule het handigst (Starboard gebruikt deze formule).

Met het wingfoilen en windfoilen hebben we het vaak over; low aspect, medium aspect en high aspect wings. Ondanks dat er geen ‘hard’ getal is wanneer een wing in welke categorie valt, kunnen we wel een goede indicatie geven.

A. Low aspect: AR van 3,5 tot ca 6.

B. Medium aspect: AR van 6 tot ca 8,5

C. High aspect: AR 8,5 tot max ca 14

A. Low aspect met lage snelheid vliegen

Wings met een lage aspect ratio hebben vaak een relatief groot oppervlak. Vaak 1400 cm2 of groter tot zelfs 2500 cm2. Het grote oppervlak zorgt ervoor dat je met weinig snelheid (stall speed) al omhoog kunt komen. Een voordeel als je met relatief kleine (zeil) wings of zeilen wilt wingfoilen of windfoilen. Daarnaast zijn deze wings vaak ook relatief stabiel. Door het grote oppervlak is de weerstand relatief groot, waardoor deze wings niet heel snel zijn. Deze wings zijn daardoor uitermate geschikt om te leren foilen of lekker heen en weer te cruisen. Deze wings hebben vaak een relatief dik profiel wat ook zorgt voor veel lift en een lage stall speed.

Wat is stall speed eigenlijk? Hierboven hebben we de term al een paar keer gebruikt. Wanneer een wing (van een foil) langzaam vliegt, kan de druk op de wing ervoor zorgen dat er te weinig opwaartse druk is, waardoor de foil terug zakt in het water. Dit noemen wij stalling. Dus als we zeggen dat een low aspect wing met een dik profiel en een groot oppervlak een lage stall speed heeft, dan bedoelen we dat deze wing met hele lage snelheden kan ‘vliegen’ zonder dat je met je set ‘uit de lucht valt’.

B. Medium aspect allround performance

Medium aspect wings hebben vaak een gemiddeld oppervlak. Voor wingfoilen ligt die tussen de 800 en 1400 cm2 en voor windfoilen ligt dit tussen de 800 en 1100 cm2. De take off (of stall speed) snelheid van deze wings ligt iets hoger, echter door de lagere weerstand kun je met de juiste techniek wel makkelijker snelheid opbouwen. De medium aspect wings zijn door de lagere weerstand meestal ook sneller dan de low aspect wings.

Medium aspect wings hebben vaak een allround karakter. Voor de meeste foilers een voldoende hoge eindsnelheid, een goede stall speed en tegelijkertijd voldoende stabiel met een fijne mix aan freeride eigenschappen. Het inzetbereik van medium aspect wings is vaak erg groot. In dit segment zijn dan ook veruit de meeste wings verkrijgbaar.

C. High aspect voor maximale glide efficiency

Net als bij een zweefvliegtuig hebben high aspect wings een zeer hoge ‘glide efficiency’. Voor het wingfoilen of windfoilen houdt dit in dat je met een relatief klein oppervlak kunt foilen. Doordat de stall speed relatief hoog is, is het wel belangrijk om voldoende snelheid te maken om in de lucht te komen of voldoende snelheid houdt om in de lucht te blijven.

De hoge glide efficiency maakt deze wings erg geschikt om bijvoorbeeld mee te downwinden of te racen. Door de grote spanwijdte van deze wings is de wendbaarheid een stuk minder dan bij medium of low aspect wings. Dus even een scherpe bocht draaien op een korte golf gaat duidelijk minder goed dan met een medium of low aspect wing.

High aspect wings zijn veel nerveuzer tijdens het foilen en vragen betere technische skills van de rider. High aspect wings hebben een dunner profiel. Om deze dunnere wings voldoende stijf en sterk te maken, moeten er meer exotische carbon soorten en geavanceerdere productietechnologieën worden gebruikt, wat maakt date deze wings flink duurder zijn.

High aspect wings hoeven niet per definitie heel snel te zijn! Dat hangt weer af van het profiel van de wing (daar later meer over).

2.      Curve van de leading edge

De curve van de leading edge heeft ook sterke invloed op de foileigenschappen van de wing en dus uiteindelijk ook de complete foil. Algemeen kun je stellen dat hoe rechter de leading edge, hoe lastiger het is om een korte bocht te maken.

Vaak is de curve van de leading edge ook inherent aan de ratio van de wing. Front wings met een lage aspect ratio hebben vaak een grotere curve dan high aspect wings. Hieronder 3 voorbeelden van verschillende curves.

Dus wil je lekker spelen in golven, carven en een gemoedelijk karakter in de foil, dan is een wing met een (relatief) grote curve van de leading edge geschikter. Is rechtuit stabiliteit belangrijk of downwinden (vaak op grotere en langere golven), dan is een wing met een rechtere curve geschikter.

Met name in het medium aspect segment is de curve van de leading edge voor belangrijke mate bepalend voor de eigenschappen van de wing. Zie de 2 voorbeelden hieronder. Beide vallen in het medium aspect segment, maar door het verschil in curve zijn de eigenschappen flink verschillend.

De vergelijking tussen de Glider 2 750 en de E-Type 2 750 is een mooi voorbeeld hoe dit in de praktijk werkt. Beide front wings hebben hetzelfde basisontwerp. Het enige verschil is de aspect ratio en de curve van de leading edge. De E-Type voelt wendbaarder en speelser aan, maar levert een beetje ‘glide’ efficiëntie in. De Glider 2 750 voelt efficiënter en soepeler aan, maar levert een beetje aan wendbaarheid en speelsheid in. Beide wings zijn min of meer even snel.

3. Profiel van de wing van een foil

Toch even iets over de basis wetenschap achter het foilen. We kunnen vliegen/foilen door 2 belangrijke aspecten;

1. De onderdruk die ontstaat aan de bovenzijde van de wing (aan de voorkant van de wing)
2. Versnelling en neerwaartse beweging van de lucht die de wing omhoog stuwt (aan het achterste gedeelte van de wing)

Hoe dikker het profiel van een wing hoe meer onderdruk de wing genereert en hoe groter de neerwaartse stuwing is van het water aan de achterkant van de wing. Een wing met een dik profiel zal dus met een lagere snelheid omhoog komen dan een wing met een dunner profiel.

Vaak heeft een low aspect wing een dikker profiel dan een high aspect race wing. Juist vanuit de gedachte dat je met een low aspect wing zo snel mogelijk wilt foilen, waarbij snelheid wat minder belangrijk is. Bij een racewing is juist een profiel gewenst dat zorgt voor zo min mogelijk weerstand en om de foil ook op hoge snelheid onder controle te kunnen houden (lees de hoeveelheid lift te kunnen controleren).

In wingprofielen zit bijzonder veel ontwikkeling. Veel van de nieuwste generatie wings hebben van een zogenaamd regressief karakter. Het profiel van de wings is dusdanig ontworpen dat een wing met relatief lage snelheid veel lift geeft – wat handig is om snel op de foil te komen en met de transities ook makkelijk is om in de lucht te blijven -, maar waarbij de toename van de ‘liftdruk’ afneemt naarmate de snelheid toeneemt. Hierdoor houdt je veel makkelijker controle op hoge snelheid. Dit is ‘op het droge’ lastig te zien of het profiel van een wing een regressief profiel heeft of niet.

Stabilizer, precies andersom

De Stabilizer heeft juist een ronder profiel aan de onderzijde, hierdoor wordt de achterkant van de foil naar beneden gezogen. Dit zorgt voor extra lift in de foil en nog belangrijker zorgt voor stabiliteit in de foil.

4. Winglet tips

Winglet tips zijn de gebogen uiteinden van wings. Sommige wings hebben nagenoeg vlakke tips en sommige wings hebben juist grote gebogen tips. Bij vliegtuigen zie je ook vaak winglet tips aan het uiteinde van de vleugels. De winglet tips zorgen niet alleen voor een hogere efficiency maar ook voor een betere koersstabilieit. De winglettips verbeteren de efficiëntie door tipwervelingen te verminderen. Dit is wanneer het water in de hogedrukzone onder de vleugel zich rond de tip heen wil gaan om de lagedrukzone boven de wing te bereiken.

Dus wings met winglet tips hebben een betere rechtuit stabiliteit dan wings zonder de gebogen tips en worden vaak ook ervaren als stabielere foils. Daarnaast geven ze vaak net even wat meer lift door de betere efficiëntie.

Hoewel winglets in het verleden een goede oplossing waren, zie je steeds meer ontwerpen die er op andere en efficiëntere manier voor zorgen dat de tipwervelingen verminderen. Dat is de reden waarom de nieuwste vliegtuigen, zoals de Boeing 787 Dreamliner, niet langer winglet-tips hebben! In de foilwereld stappen ook steeds meer ontwerpers af van het gebruik van winglets om redenen van efficiëntie. Ze worden enkel nog maar toegepast om foils stabieler te maken.

Impact ontwerp van de stabilizer

De back wing of stabilizer heeft als belangrijkste functie het geven van stabiliteit aan de foil. Echter ook de shape van de stabilizer beïnvloed de eigenschappen en het karakter van de complete foil.

In het ontwerp van back wings zijn net wat minder variaties dan bij de front wings. Hieronder volgende de belangrijkste aspecten in het ontwerp

• High aspect ontwerp: zorgt over het algemeen voor meer lift in de foil en iets meer koersstabiliteit
• Low aspect ontwerp: maakt de foil vaak speelser (wendbaarheid) en de transities makkelijker op lage snelheid
• Winglet tips zorgen voor betere rechtuitstabiliteit
• Platte stabilizers maken de foil ‘slashy’ – dit is een vorm van manoeuvreerbaarheid waarbij de foíl zowel kan draaien (rond zijn as) als carven.

Laat je goed adviseren en test foils uit

We hopen dat we je handvatten hebben gegeven, waar je op kunt letten bij de aanschaf van een wingfoil of windfoil. Mocht je vragen of advies willen hebben, laat het ons weten. Wij hebben bijna alle foils die we aanbieden zelf uitgetest, dus we kunnen goed beschrijven wat het karakter is van een foil.

Nog beter is om zelf te ervaren wat de eigenschappen zijn van een foil en of de eigenschappen bij je passen. Wij hebben een brede range aan wingfoils en windfoils beschikbaar om uit te testen. Stuur ons een bericht en we plannen graag een test met je in. Kijk op de pagina testen hoe we te werken gaan en welke foils beschikbaar zijn.