Hüdrofoilingust, erijuhul pumpfoilingust

16.07.2025 Rahinge paisjärvel:
Käin Tartu lähedal Rahinge paisjärves tihti ujumas. Tänavu suvel olen seal mitu korda näinud isevärki veesõidukit, kus inimene seisab vee kohal kitsal alusel ja "pumpab" jalgadega - ning see liigub! Selgus et vee all oli vaid väike lennukitiib koos veel väiksema sabatiivaga. Ei mingit mootorit...

Tegin omanikuga juttu - nimi pidi sellel seadeldisel olema "hydrofoil". Okei, olen ju varemgi näinud, kui taoliselt liigutakse purje vms. abil. Aga mis siin tekitab vedava jõu?  Ja see polnud ainus kord seda veesõidukit näha. Kui lisatud videol mees pumpab väga jõuliselt, siis teisel juhul liiguti väga sujuvalt, nagu muuseas "lainetati".  Mis värk ikka on!?

Minus ärkas uinunud füüsik - hakkasin asja uurima. Tunnistan et läksin kergema vastupanu teed ja kasutasin ka targa sõbra (Google Gemini) abi. Usun et sain üldjoontes pihta.

Igasuguse hüdrofoilingu aluseks on veealuse tiiva ehk hüdrofoili tööpõhimõte. Hüdrofoili tiib on oma olemuselt sarnane lennuki tiivaga, tekitades edasiliikumisel tõstejõudu. Viimane tugineb peamiselt kahele klassikalise füüsika printsiibile, mis teada juba üle 300 aasta ning on igas gümnaasiumi füüsikaõpikus: 
Tegelikult on need seadused nii hüdrodünaamika kui ka aerodünaamika (lennundus!) aluseks. Vastavalt sellele on nii "hüdrofoil" kui ka "aerofoil". Millest aga üldse sõna "foil" (otsetõlge oleks "foolium")?  Inglise keeles kasutatakse nii hüdro- kui aerodünaamikas sõna "foil" üldmõistena igasuguse pinna kohta, mis on disainitud vedelikus või gaasis liikudes tõstejõudu tekitama. Seetõttu on see termin laiem kui lihtsalt "tiib" (wing). Esialgu polevat ka eesti keeles paremat sõna kui "foil" ja "foilimine". Võõrsõna "surfamine" juba on...aga see pole päris see... 

Iseenesest pole veealused tiivad ju mingi uudis. Vanemad inimesed mäletavad kui Emajõel liikusid veel 90-ndatel viimased tiiburlaevad "Raketa" . Laias maailmas hakati tiiburlaevu katsetama-ehitama juba 20. sajandi algul, on võetud palju patente. Loomulikult pole kindel, et juba Leonardo DaVinci taolise asja peale ei mõelnud, hüdro- ja aerodünaamikaga ta ju tegeles. Kuid tiiburlaevades oli vedavaks jõuks ikka mingi mootor. Veealused tiivad tõstsid laeva lihtsalt veepinnast kõrgemale ja seetõttu saavutati näiteks Raketadega kiirus kuni 70 km/t. Kui aga piirduda sportliku tegevusega, siis siin on mitmeid viise hüdrofoili edasiviiva jõu tekitamiseks:
     

Sõitja peab oma liigutustega tagama et ta kohe vette ei vaju - selleks peab ta liikuma. Mõned lingid, kus seda fenomeni seletatakse:
    Bernoulli võrrandist tuleneb, et tõstejõud (lift L) on võrdeline kiiruse ruuduga. Seega - näiteks kiiruse kahekordistamisel suureneb üleslükkejõud 4 korda. Nii et kriitiline on just alustamine - stardis tuleb otsustavalt lahti tõugata ning esiots peaks olema veidi ülespoole. Kui kiirus sees, on juba lihtsam. Muidugi võib algaja esmalt kasutada ka köie otsas vedamist, siis lahti lasta.

 

Sarnane "pumpamine" toimub ju ka rulaga või rulluiskudega "pumptrackil" liikudes, aga seal toimivad teised füüsikaseadused (nt impulssmomendiga seotud). Ja seal ei vajuta seismajäämisel kuhugi. Vees aga peab sõitja tekitama ise "virtuaalse pumptracki", kui nii võib öelda. 

Pumpfoilingut jms. võib üldjoontes seletada ka energia jäävuse seadusega - raskusjõu potentsiaalne energia ja inimese füüsiline töö muundatakse edasiliikumise kineetiliseks energiaks. Kuid see näitab vaid et asi on põhimõtteliselt võimalik, aga ei seleta detaile. Samamoodi toimib energia jäävuse mõttes ka kiikumine.

Kui nüüd filosofeerida, miks õhus ei saa "pumpfoilingut" teha, siis sarnased katsed tehti lennunduse eelajaloos juba ära (tiibadega vehkides lennata)  ja lõppesid sageli väga kurvalt. Õhu tihedus on 800 korda väiksem kui veel. Vaja oli ikka tiivad jäigaks teha ja propelleriga mootor panna. Tõsi, mootorita lennatakse ju nii purilennuki, tiibvarju kui ka "windsuit" abil, aga see on siiski planeerimine, kasutades tõusvaid õhuvoole. Küll aga on meie kõrval olevused (linnud), kes seda pikka maad edukalt teevad. Mõned veedavadki enamuse elust lennates - piiritajad. Rääkimata juba vees elavatest - nt. delfiinide, haide, tuunikalade jms. liikumine pidi olema sarnane hüdrofoilinguga. Nad küll ei tea Bernoulli võrranditest, Strouhali arvudest (efektiivseks liikumiseks peaks see jääma vahemikku 0,2 kuni 0,4) jms. midagi, aga liiguvad edukalt. Ikkagi miljoneid aastaid evolutsiooni! Inimestel on tunduvalt vähem aega olnud katsetada ;-)