De vliegende Hollanders; ZIGZAG-STRIPS EN BETERE STROOMLIJN GETEST IN WINDTUNNEL

Wereldnieuws: Delftse zigzagstrips geven Nederlandse schaatsers vleugels. De techniek is afkomstig uit de zweefvliegtuig-aerodynamica en

de mogelijkheden zijn nog lang niet uitgeput.

IN DE EXPERIMENTEERHAL van aero- en hydrodynamica aan de TU Delft stelt ir. Nando Timmer de open-straal-windtunnel met een druk op de knop

in werking. Een 50 kilowatt tractiemotor die uit een oude tram is gesloopt komt met karakteristiek geluid op toeren en drijft via een V-snaar de schroef aan. Spoedig blaast de reuzenventilator lucht met zo'n 45 km/uur uit de meterslange pijp. “Hard hè?” roept Timmer

boven het geraas van de wind uit.

In januari vorig jaar stond op een tafel voor het uiteinde van de windtunnel in vol ornaat schaats-Belg Bart Veldkamp. Op commando van Timmer en zijn collega Leo Veldhuis lieten ze hem diverse houdingen aannemen die hij secondenlang moest vasthouden. Ook plakten ze geheimzinnige zigzag-strips op zijn wedstrijdpak, met name op het hoofd en aan weerskanten op de onderbenen. Onderwijl werd de luchtweerstand op

Veldkamps lijf gemeten en elektronisch vastgelegd.

“Eigenlijk had Marnix ten Kortenaar er moeten staan”, zegt Timmer, verbonden aan het Instituut voor Windenergie van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen. “Ten Kortenaar promoveert aan het Interfacultair Reactor Instituut in Delft. Als wedstrijdschaatser was hij op zoek naar de aerodynamisch optimale houding. Maar op de afgesproken dag was hij ziek en in zijn plaats kwam trainingsmaatje Bart

Veldkamp.''

Ten Kortenaar had zich gewend tot ir. Leo Veldhuis van de faculteit Luchtvaart en Ruimtevaarttechniek. Die werkt in het Lage Snelheid Windtunnelgebouw en doet onderzoek naar de aerodynamica van vleugelprofielen. Omdat de windtunnels van L&R te klein zijn voor schaal

één op één schaatsers, en Timmer enkele deuren verderop aan profielontwikkeling van rotorbladen werkte, besloten

ze de krachten te bundelen en uit te wijken naar de grote windtunnel van

Civiele Techniek.

BLADVEREN

Allereerst moest er een meetopstelling komen. Op een stevige tafel zijn aan beide zijden zware balken geplaatst met daartussen bladveren die in één richting kunnen bewegen. Aan de achterkant van die veren is een rekstrookje bevestigd dat bij lengteverandering een elektrische spanning afgeeft. Na ijking van de constructie kan aldus de kracht bepaald worden die de schaatser van de wind ondervindt. De 45 km/uur uit de tunnel komt overeen met de schaatssnelheid op een 10 kilometer. De luchtweerstandskracht, ongeveer 19 newton (een newton komt

overeen met de zwaartekracht op 100 gram) werd vier seconden gemeten. Timmer: “De rekstrips reageren heel gevoelig, de hartslag van Veldkamp zagen we in de metingen terug. Omdat niemand vier seconden perfect stil kan staan, zie je bij reproducties van de metingen afwijkingen van het gemiddelde optreden tot 4 procent. Wil je dat voorkomen, dan moet je een

levensgrote pop nemen.''

De luchtweerstand D die een schaatser ondervindt hangt bij gegeven luchtdruk en rijsnelheid alleen nog af van de stroomlijn, uitgedrukt in de c-waarde (d staat voor drag) en het frontale oppervlak S. Daarbij gaat het om het product cxS, zodat een iets groter frontaal oppervlak in

principe gecompenseerd kan worden door een betere stroomlijn. Het eerste

vermindert door een diepere zit of door de armen op de rug te houden. Een betere stroomlijn krijg je door bijvoorbeeld je armen in het verlengde van de stromingsrichting te houden en je handen op je billen te leggen. Gaten tussen armen en lijf zijn altijd nadelig.

Een aerodynamisch voordeliger houding kan langdurige trainingsinspanning

vergen. Timmer: “Het moet fysiologisch natuurlijk wel haalbaar zijn. Als je van nature hoog zit kun je wel dieper buigen, maar dan loop je de

kans dat je je bloedtoevoer afknelt. Training moet uitwijzen wat reëel is. Toen ikzelf voor de windtunnel ging staan, merkte ik dat een zwaaibeweging als die bij een sprint 40 procent meer weerstand oplevert dan handjes op de rug. Als je Wennemars' armen wild ziet zwiepen en je vergelijkt dat met het ene kalme handje op de rug waarmee Hiroyasu Shimizu de bocht neemt, dan snap je hoezeer de Japanner in het voordeel is.

De zigzagstrips, die inmiddels de voorpagina van de International Herald

Tribune hebben gehaald, zijn in luchtvaartkringen niets nieuws. Doel is de gelijkmatige (laminaire) stroming van de lucht langs het gladde schaatslijf op de juiste plaats te verstoren. Er vormen zich dan wervels, waardoor de stroming turbulent wordt en dat voorkomt dat de stroming te snel van het lichaam loskomt. Zo ontstaat er achter de schaatser een kleiner zog (een gebied met onderdruk), waardoor een minder grote zuigende werking uitgeoefend wordt en de snelheid minder wordt afgeremd.

Van dit effect, dat al een eeuw bekend is, wordt in Delft geprofiteerd bij het ontwerpen van zweefvliegtuigen. Bij Luchtvaart en Ruimtevaarttechniek ging ir. Loek Boermans vijftien jaar geleden op zoek

naar een geschikt stoormiddel. Toen hij in het stromingspatroon langs een vleugel een zekere periodiciteit waarnam, knipte hij uit lettertape een zigzag-strook met dezelfde regelmaat. Deze bleek de gewenste turbulenties zeer effectief op te wekken en ieder geavanceerd zweefvliegtuig heeft ze op zijn vleugels geplakt. De dikte van de strips

ligt in de orde van tienden van millimeters.

Timmer: “Toen we bij Veldkamp met de strips begonnen, was het nog een beetje natte-vingerwerk. Nadat in de zomer Ard Schenk was langsgeweest en we met de schaatsbond een contract hadden, ontstond behoefte aan finetuning. Zouden ribbels of naden in de pakken ook werken? Antwoord: overdaad schaadt. De zigzag-strip echter kon nooit kwaad. Om een beter inzicht te krijgen hebben we in een laat stadium, eind november, besloten tot windtunnelproeven met een cilinder. Die beweegt niet en om de resultaten te interpreteren kun je terugvallen op de literatuur. Diverse tape-diktes en strip-posities zijn zo uitgetest. Ook ontdekten we dat strips bij recreatiesnelheden niet helpen, dan is de stroming om het schaatslijf te stroperig.”

VERBETERING

Toen na afloop van de back to basics-cilinderproeven oude metingen aan schaatsers van vlees en bloed opnieuw werden bekeken, viel alles op zijn

plaats. Dankzij de strips was, afhankelijk per individuele schaatser, 5 à 15 procent verbetering haalbaar. Timmer: “De metingen aan die modelcilinder zijn van grote betekenis geweest. Omdat ze veel tijd vergden - Leo en ik doen dit project er maar bij - hebben we besloten voorlopig alleen strips op het hoofd en op de onderbenen aan te brengen.

De rijders plakken de strips zelf op de pakken, ze hebben een kleeflaag.

De strips zijn van (rekbaar) polyethyleen, foam. De Japanse fabrikant van de pakken inschakelen leek ons een risico: hij zou met het idee aan de haal kunnen gaan. Dus hebben we de schaatsers in Nagano een handleiding meegegeven. Het is een beetje behelpen, mijn grote angst was

dat een strip zou losraken en de tegenstander erover zou vallen. Bij Ten

Kortenaar, die de strips al dagen ophad, bungelde er inderdaad eentje bij - wat een zeperd zou dat geweest zijn.''

De mogelijkheden van de wonderstrips zijn lang niet uitgeput. Verder onderzoek in Delft - of elders - moet uitwijzen op welke andere plaatsen

op het lichaam ze effect sorteren. Ook rodelaars en skiërs kunnen er baat bij hebben en Oostenrijk heeft zich al in Delft gemeld. Atletiek

en wielrennerij zijn eveneens potentiële klanten. Timmer: “Bij nieuwe proeven kunnen we het beste maar een levenloze pop gebruiken, dat

experimenteert makkelijker. Misschien dat TNO er een heeft staan. Desnoods vragen we Madame Tussaud naar de maten van Rintje Ritsma en bouwen we hem na. Stelt hij zijn lichaam mooi ter beschikking van de wetenschap.''