पिछले सिरे पर एक चप्पू पंख की तरह काम करता है
कयाक, डोंगियाँ और चप्पू वाली नावें पानी को मुख्य रूप से कर्षण (ड्रैग) से धकेलती हैं: फलक को पानी में खींचा जाता है, फिर वापसी के लिए बाहर निकाला जाता है। स्टर्न-स्कलिंग कुछ और करती है। एक अकेला लंबा चप्पू नाव के पिछले तख़्ते पर एक खाँचे या चप्पू-कुंडे में टिका रहता है, और उसका फलक हमेशा पानी के नीचे रहता है। चलाने वाला, आम तौर पर पीछे की ओर मुँह करके, हत्थे को अगल-बगल घुमाता है, हाथ अनंत का चिह्न “∞” बनाते हैं, और साथ ही फलक का कोण साधने के लिए चप्पू को उसकी अपनी धुरी पर मरोड़ता है। यह तकनीक दुनिया के कई हिस्सों में आज भी अपनाई जाती है, लेकिन इसका अध्ययन मुख्य रूप से नृवंशविज्ञानियों और जैवयांत्रिकी के विशेषज्ञों ने किया था। G. Roudaut (Tud Yaouank Ar Mor संस्था, लाम्पोल-प्लूआर्ज़ेल), B. Augier (IFREMER) और M. Rabaud (पेरिस-साक्ले विश्वविद्यालय और CNRS) ने इसे तरल यांत्रिकी की एक समस्या के रूप में देखने का बीड़ा उठाया।
सेंसरों से भरा एक चप्पू
उनकी परीक्षण नाव 4.74 मीटर लंबी, 1.63 मीटर चौड़ी है और ख़ाली होने पर लगभग 100 किलोग्राम की है, जिसमें एक लंबी उथली कील है — स्टर्न-स्कलिंग काफ़ी भारी, कील वाली नाव के साथ सबसे अच्छा काम करती है, क्योंकि चप्पू नाव के पिछले सिरे को बारी-बारी से बाएँ और दाएँ धकेलता है। कार्बन का चप्पू 3.62 मीटर लंबा है, जिसमें एक मीटर का लकड़ी का फलक है, जिसकी अनुप्रस्थ काट बाएँ से दाएँ सममित और बहुत हल्की-सी घुमावदार है।
बलमापियों ने हत्थे पर हाथों का बल और चप्पू पर खाँचे का बल मापा। दो गति-सेंसरों ने चप्पू और पतवार पर नज़र रखी, और GPS से अंशांकित एक पैडल-व्हील वेगमापी ने रफ़्तार मापी। चूँकि चप्पू हल्का है, उस पर लगने वाले बल लगभग संतुलित रहते हैं, इसलिए फलक पर पानी का धक्का दो मापे गए बलों से निकाला जा सका। दो अनुभवी नाविकों में से हर एक ने शांत पानी पर नाव को ठहराव से उस सबसे तेज़ रफ़्तार तक पहुँचाया जहाँ तक वे पहुँच सकते थे।
पहले पंख, फिर धक्का
स्ट्रोक के चार चरण हैं: एक ओर घुमाव, चप्पू का एक तेज़ मरोड़, दूसरी ओर घुमाव, और फिर एक मरोड़।
- घुमाव के दौरान, पानी फलक से छोटे कोणों पर मिलता है और उस पर सहजता से बहता है। फलक एक पंख की तरह काम करता है, और उत्थापक बल (लिफ़्ट) नाव को आगे बढ़ाता है। पंख-प्रोफ़ाइल के एक मानक प्रोग्राम से फलक की लंबाई के साथ टुकड़ा-दर-टुकड़ा की गई गणना एक पल में 35 न्यूटन का धक्का देती है, जबकि मापा गया मान 31 न्यूटन है।
- मरोड़ के दौरान, फलक कुछ पल के लिए प्रवाह के सामने आ जाता है। साधारण कर्षण सिर्फ़ 2 से 10 न्यूटन देता, लेकिन टीम ने 20 से 45 न्यूटन मापे। यह अंतर संलग्न द्रव्यमान (added mass) का है: फलक तेज़ी से त्वरित होता है और उसे अपने साथ पानी के एक आयतन को गतिमान करना पड़ता है। उनका अनुमान, लगभग 70 न्यूटन, मापे गए बल की व्याख्या के लिए काफ़ी है।
चारों चरण नाव को आगे धकेलते हैं, भले ही हर चक्र में दो बार धक्का लगभग शून्य के क़रीब गिर जाता है। 1.2 मीटर प्रति सेकंड पर औसत धक्का 19.4 न्यूटन था। फलक के बाएँ और दाएँ किनारे बारी-बारी से अग्रणी किनारा बनते हैं, जिसे लेखक जंतु जगत में प्रणोदन की तुलना में अनोखा बताते हैं, जहाँ मीनपंख और पंख आम तौर पर एक ही अग्रणी किनारा बनाए रखते हैं। पीछे छूटी धारा में, हर पलटाव पर छूटने वाले भँवर एक क्रमबद्ध, आड़ी-तिरछी क़तार बनाते हैं जो पानी को पीछे ले जाती है।
सामान्य रफ़्तार पर 65%
नाव को दी गई शक्ति को चलाने वाले द्वारा चप्पू में लगाई गई शक्ति से भाग देने पर दक्षता मिलती है। यह कम रफ़्तार पर बढ़ती है, लगभग 1.2 मीटर प्रति सेकंड पर 65 ± 5% के शिखर पर पहुँचती है, फिर लगभग 2 मीटर प्रति सेकंड पर क़रीब 25% तक गिर जाती है। तुलना के लिए, लेखक अपनी डिज़ाइन रफ़्तार पर एक समुद्री प्रोपेलर और सबसे अच्छी पारंपरिक नौकायन के लिए लगभग 75% का आँकड़ा देते हैं।
वे बताते हैं कि तेज़ रफ़्तार पर दो चीज़ें बिगड़ती हैं। फलक पर अच्छा कोण बनाए रखने के लिए हाथों को अगल-बगल इतनी तेज़ी से चलना पड़ेगा जितना मानव शरीर के लिए आरामदायक नहीं। और मरोड़ के दौरान चप्पू को पर्याप्त तेज़ी से वापस खींचना मुश्किल हो जाता है — यहाँ तक कि उसके खाँचे से बाहर निकल आने का ख़तरा रहता है। इस बीच, पतवार ख़ुद अपनी क्रांतिक रफ़्तार के क़रीब पहुँचती है, जहाँ लहरें बनाना मुख्य कर्षण बन जाता है: परखी गई रेंज में ज़रूरी शक्ति दस गुना बढ़ गई, और लगभग 300 वाट पैदा करने के बावजूद नाविक इससे तेज़ नहीं जा सके।
बेहतर चप्पू की गुंजाइश
मापों को सरल रखने के लिए टीम ने जानबूझकर एक कड़ा चप्पू परखा। असली नाविक अक्सर कुछ लचीलापन पसंद करते हैं, और लेखक सुझाते हैं कि एक लचीला फलक, एक लंबा चप्पू या नीचे की ओर मुड़ा फलक तेज़ रफ़्तार पर बेहतर कोण बनाए रख सकता है। उनका निष्कर्ष है कि स्कलिंग नाव के लिए आदर्श चप्पू बनाने में “कई समझौते शामिल हैं, जिनमें चलाने वाले द्वारा पैदा की गई शक्ति भी है।”