Ιστίο

Το ιστίο ή πανί είναι μια υπό τάση κατασκευή από ύφασμα ή άλλα μεμβρανώδη υλικά που χρησιμοποιεί την αιολική ενέργεια για να παραγάγει έργο. Χρησιμοποιείται σε ιστιοπλοϊκά σκάφη, συμπεριλαμβανομένων ιστιοφόρων πλοίων, ιστιοσανίδων, ακόμη και χερσαίων οχημάτων που κινούνται από τον άνεμο, και σε ανεμόμυλους. Τα πανιά μπορεί να είναι κατασκευασμένα από συνδυασμό υφαντών υλικών - συμπεριλαμβανομένου υφάσματος από καμβά ή πολυεστέρα, πλαστικοποιημένες μεμβράνες ή κολλημένα νήματα - και έχουν συνήθως τρεις ή τέσσερις πλευρές. Σκάφος που χρησιμοποιεί ιστία για την κίνησή του ονομάζεται ιστιοφόρο. Ένα ιστίο παρέχει προωθητική δύναμη μέσω ενός συνδυασμού ανύψωσης και έλξης, ανάλογα με τη γωνία πρόπτωσής του —τη γωνία του σε σχέση με τον φαινόμενο άνεμο. Ο φαινόμενος άνεμος είναι η ταχύτητα του αέρα που παρατηρείται στο κινούμενο σκάφος και είναι η συνδυασμένη επίδραση της πραγματικής ταχύτητας του ανέμου με την ταχύτητα του ιστιοπλοϊκού σκάφους. Η γωνία πρόσπτωσης συχνά περιορίζεται από τον προσανατολισμό του ιστιοπλοϊκού σκάφους στον άνεμο ή το σημείο του πανιού. Σε σημεία του πανιού όπου είναι δυνατή η ευθυγράμμιση της πρόσθιας ακμής του πανιού με τον φαινόμενο άνεμο, το πανί μπορεί να λειτουργήσει ως αεροτομή, δημιουργώντας προωθητική δύναμη καθώς ο αέρας διέρχεται κατά μήκος της επιφάνειάς του—όπως ακριβώς το φτερό του αεροπλάνου δημιουργεί ανύψωση —η οποία υπερισχύει της αεροδυναμικής οπισθέλκουσας επιβράδυνσης της κίνησης προς τα εμπρός. Όσο περισσότερο η γωνία πρόσπτωσης αποκλίνει από τον φαινόμενο άνεμο καθώς ένα ιστιοπλοϊκό σκάφος στρέφεται προς τον άνεμο, τόσο περισσότερο αυξάνεται η οπισθέλκουσα και μειώνεται η ανύψωση ως δύναμη προώθησης, μέχρις ότου αρχίζουν να επικρατούν οι οπισθέλκουσες δυνάμεις. Τα πανιά δεν μπορούν να παράγουν προωθητική δύναμη εάν είναι ευθυγραμμισμένα πολύ κοντά στον άνεμο. Τα πανιά μπορεί να είναι προσαρτημένα σε κατάρτι ή άλλο στύλο ή μπορεί να συνδέονται σε σύρμα που αναρτάται από έναν ιστό. Κατά τη χρήση, μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να είναι κυρτά και προς τις δύο κατευθύνσεις κατά μήκος της επιφάνειάς τους, συχνά ως αποτέλεσμα των καμπυλωτών άκρων τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τραβέρσες για να επεκτείνουν το πίσω άκρο ενός πανιού πέρα από τη γραμμή των σημείων πρόσδεσής του.

 Οι αρχαιολογικές μελέτες της κεραμικής του πολιτισμού Κουκουτένι δείχνουν χρήση ιστιοπλοϊκών σκαφών από την έκτη χιλιετία π.Χ. και μετά. Οι ανασκαφές της περιόδου Ουμπαΐντ (περίπου 6000–4300 π.Χ.) στη Μεσοποταμία παρέχουν άμεσα στοιχεία για ιστιοπλοϊκά σκάφη. Ιστία από την αρχαία Αίγυπτο απεικονίζονται γύρω στο 3200 π.Χ., όπου βάρκες από καλάμια έπλεαν ενάντια στο ρεύμα του ποταμού Νείλου. Οι αρχαίοι Σουμέριοι χρησιμοποιούσαν τετράγωνα ιστία σε σκάφη περίπου την ίδια εποχή, και πιστεύεται ότι δημιούργησαν θαλάσσιους εμπορικούς δρόμους μέχρι την κοιλάδα του Ινδού. Οι Έλληνες και οι Φοίνικες άρχισαν το εμπόριο με πλοία γύρω στο 1200 π.Χ. Τα πρώτα θαλασσοπόρα ιστιοφόρα αναπτύχθηκαν από τους Αυστρονησιακούς λαούς από τη σημερινή Νότια Κίνα και την Ταϊβάν. Η εφεύρεση των καταμαράν, των πλωτήρων και των εξαιρετικά αποδοτικών τριγωνικών πανιών με σχήμα δαγκάνας με δύο δοκούς επέτρεψαν στα πλοία τους να πλέουν τεράστιες αποστάσεις στον ωκεανό και άρχισαν την επέκτασή τους γύρω στο 3000 με 1500 π.Χ.. Από την Ταϊβάν, εγκαταστάθηκαν γρήγορα τα νησιά της Νοτιοανατολικής Ασίας, και στη συνέχεια έπλευσαν στη Μικρονησία, τη Μελανησία, την Πολυνησία και τη Μαδαγασκάρη, εποικίζοντας μια περιοχή που εκτείνεται στη μισή υφήλιο. Τα αυστρονησιακά σκάφη ήταν χαρακτηριστικά ως προς το ότι είχαν δοκάρια που στηρίζουν τόσο την άνω όσο και την κάτω ακμή των πανιών (και μερικές φορές ενδιάμεσα), σε αντίθεση με τα δυτικά σκάφη που είχαν μόνο ένα δοκάρι στην επάνω άκρη. Τα πανιά κατασκευάζονταν επίσης από υφαντά φύλλα ανθεκτικά στο αλάτι.Στα δυτικά νησιά της Νοτιοανατολικής Ασίας, τα μεταγενέστερα τετράγωνα πανιά εξελίχθηκαν επίσης από το πανί σχήματος δαγκάνας και διατηρούσαν το αυστρονησιακό χαρακτηριστικό ότι είχαν περισσότερα από ένα δοκάρια που υποστηρίζουν το πανί.Τέτοια σκάφη υιοθετήθηκαν αργότερα από την Κινεζική Δυναστεία Σονγκ τον 10ο αιώνα ΚΕ, ύστερα από επαφές με τους Σρινιτζάγιαν. Στη Μεσόγειο, τα τριγωνικά ιστία γνωστά ως λατίνια εμφανίστηκαν γύρω στον 2ο αιώνα μ.Χ. Αν και η προέλευσή του παραμένει αμφιλεγόμενη, πιστεύεται ότι αναπτύχθηκε μετά τις πρώτες επαφές με εμπορικά πλοία των Αυστρονήσιων της Νοτιοανατολικής Ασίας στον Ινδικό Ωκεανό.Τα λατίνια εμφανίστηκαν αρχικά στη Μεσόγειο: το γενικά ήπιο κλίμα έκανε πρακτική τη χρήση της και στην Ιταλία λίγους αιώνες πριν από την Αναγέννηση άρχισε να αντικαθιστά τα τετράγωνα ιστία που κυριαρχούσαν σε όλη την Ευρώπη. Οι Βορειοευρωπαίοι αντιστάθηκαν στην υιοθέτηση των λατίνιων, παρά το γεγονός ότι τα είχαν δει κατά τη διάρκεια του εμπορίου και κατά στις Σταυροφορίες. Η Αναγέννηση το άλλαξε: αρχής γενομένης από το 1475, η χρήση τους αυξήθηκε και μέσα σε εκατό χρόνια τα λατίνια χρησιμοποιούνταν για ταξίδια σε ποτάμια και στις εκβολές ποταμών στη Βρετανία, τη Βόρεια Γαλλία και τις Κάτω Χώρες, αν και το τετράγωνο ιστίο παρέμεινε να χρησιμοποιείται για τις σκληρότερες συνθήκες της ανοιχτής Βόρειας Θάλασσας καθώς και για τα υπερατλαντικά ταξίδια, αν και οι καραβέλες με λατίνια χρησιμοποιήθηκαν για αυτά τα ταξίδια. Το λατίνι αποδείχθηκε ότι είχε καλύτερη απόδοση κατά τον άνεμο για μικρότερα σκάφη. Κατά τη διάρκεια του 16ου-19ου αιώνα αναπτύχθηκαν στην Ευρώπη άλλα είδη ιστίων, όπως οι αρτέμονες (στερεωμένα ανάμεσα σε ένα προβολό και ένα κατάρτι), τα ωτοειδή ιστία και οι επίδρομοι ή ημιμόλια (με τραπεζοειδές σχήμα), βελτιώνοντας την ικανότητα ιστιοπλοΐας κόντρα στον άνεμο των ευρωπαϊκών σκαφών. Οι αεροδυναμικές δυνάμεις στα πανιά εξαρτώνται από την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου και την ταχύτητα και την κατεύθυνση του σκάφους. Η ταχύτητα του σκάφους σε σχέση με τον άνεμο πραγματικό άνεμο συμβάλλει στον φαινόμενο άνεμο (VA)—την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου όπως μετράται στο κινούμενο σκάφος. Ο φαινόμενος άνεμος στο πανί δημιουργεί μια συνολική αεροδυναμική δύναμη, η οποία μπορεί να αναλυθεί σε οπισθέλκουσα —τη συνιστώσα δύναμης προς την κατεύθυνση του φαινομενικού ανέμου— και ανύψωση —τη συνιστώσα δύναμης κάθετη (90°) προς τον φαινόμενο άνεμο. Ανάλογα με την ευθυγράμμιση του ιστίου με τον φαινόμενο άνεμο, η ανύψωση ή η οπισθέλκουσα μπορεί να είναι το κυρίαρχο προωθητικό στοιχείο. Η συνολική αεροδυναμική δύναμη αναλύεται επίσης σε μια πρόσθια, προωθητική, κινητήρια δύναμη—στην οποία αντιστέκεται το μέσο μέσα ή πάνω στο οποίο κινείται το σκάφος (π.χ. μέσα από νερό, αέρα ή πάνω από πάγο, άμμο)—και μια πλευρική δύναμη, που αντιστέκεται από τα υποβρύχια πτερύγια, παγοπέδιλα ή τροχούς του ιστιοπλοϊκού σκάφους.Για γωνίες φαινόμενου ανέμου ευθυγραμμισμένες με το σημείο εισόδου του πανιού, το πανί λειτουργεί ως αεροτομή και η ανύψωση είναι το κυρίαρχο στοιχείο της πρόωσης. Για γωνίες φαινόμενου ανέμου πίσω από το πανί, η ανύψωση μειώνεται και η οπισθέλκουσα αυξάνεται ως το κυρίαρχο στοιχείο της πρόωσης. Για μια δεδομένη ταχύτητα πραγματικού ανέμου στην επιφάνεια, ένα ιστίο μπορεί να ωθήσει ένα σκάφος σε υψηλότερη ταχύτητα όταν το σημείο εισόδου του πανιού είναι ευθυγραμμισμένο με τον φαινόμενο άνεμο, παρά με το σημείο εισόδου που δεν είναι ευθυγραμμισμένο, επειδή ενός συνδυασμού της μειωμένης δύναμης από τη ροή αέρα γύρω από το πανί και του μειωμένου φαινόμενου ανέμου από την ταχύτητα του σκάφους. Λόγω των περιορισμών στην ταχύτητα μέσω του νερού, τα ιστιοφόρα γενικά αντλούν ισχύ από πανιά που παράγουν ανύψωση σε σημεία πανιού σε γωνίες περίπου 40° έως 135° από τον άνεμο. Λόγω της χαμηλής τριβής στην επιφάνεια και των υψηλών ταχυτήτων πάνω από τον πάγο που δημιουργούν υψηλές ταχύτητες φαινόμενου ανέμου, τα παγόπλοια μπορούν να αντλήσουν ισχύ από την ανύψωση πιο μακριά από τον άνεμο από τα σκάφη εκτόπισης. Τα χαρακτηριστικά των ιστίων προέρχονται, εν μέρει, από το σχέδιο, την κατασκευή και τις ιδιότητες των ινών, οι οποίες υφαίνονται μεταξύ τους για να φτιάξουν το πανί του ιστίο. Υπάρχουν αρκετοί παράγοντες για την αξιολόγηση της καταλληλότητας μιας ίνας στην ύφανση ενός πανιού: μέτρο ελαστικότητας, αντοχή στη θραύση, ερπυσμός και αντοχή στην κάμψη. Τόσο το αρχικό κόστος όσο και η ανθεκτικότητα του υλικού καθορίζουν τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας σε βάθος χρόνου.Παραδοσιακά, τα ιστία κατασκευάζονταν από λινάρι ή βαμβακερό καμβά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα πανιά, όσον αφορά τον 21ο αιώνα, περιλαμβάνουν το νάιλον—όπου εκτιμάται το μικρό βάρος και η ελαστική αντοχή στο φορτίο κρουσμάτων—και μια σειρά από ίνες που χρησιμοποιούνται για τριγωνικά πανιά, που περιλαμβάνει ίνες Dacron, αραμιδικές ίνες, συμπεριλαμβανομένου του κέβλαρ, και άλλων ινών πολυμερούς υγρών κρυστάλλων, συμπεριλαμβανομένου του Vectran. Πλεκτά υλικά, όπως το Dacron, μπορούν να προσδιορίζονται ως υψηλής ή χαμηλής αντοχής, όπως υποδεικνύεται, εν μέρει από τον αριθμό ντενιέ τους (μονάδα μέτρησης για τη γραμμική πυκνότητα μάζας των ινών).