Geschwindigkeitshemmende Widerstände

Geschwindigkeitshemmende aerodynamische- und hydrodynamische Widerstände

Physikalisch gedacht, würde eine Segelyacht nur durch die gleichbleibende Vortriebskraft bewegt und ohne Widerstände gebremst, eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung durchführen. Da jedoch eine Reihe von Widerständen über dem Wasser und unter dem Wasser auf eine Yacht in Fahrt einwirken, grenzen diese die tatsächliche Geschwindigkeit der einzelnen Bootstypen auf deren Maximalwerte ein. Bootskonstrukteure, aber auch die Segler selbst, versuchen soweit dies möglich ist, diese Widerstände zu minimieren.
Die aerodynamischen Widerstände Es sei darauf hingewiesen, dass diese Widerstände bei allen Amwind–Kursen akzeptiert werden müssen. Beim Segeln vor dem Wind wirken sich einige Widerstände positiv auf die Geschwindigkeit aus. Reibungs-, Induktions- und Formwiderstand bilden in der Summe den aerodynamischen Widerstand. Der Induktionswiderstand Wie schon erwähnt, entsteht die Vortriebskraft am Segel aus den
unterschiedlichen Druckverhältnissen auf dessen Luv– und Leeseite. An jedem auftrieberzeugenden Körper, ob Flugzeugtragflügel, Segel, Kiel oder Ruder, bilden sich nahe der Flügelenden sogenannte Spitzen- oder Randwirbel aus. Diese werden durch eine Ausgleichsströmung zwischen der Unterdruckseite (Lee) und der Seite höheren Druckes (Luv) eines angeströmten Körpers hervorgerufen.

Durch die Ausgleichsströmung nimmt der Druckunterschied entlang eines Segels zu seinem oberen und unteren Ende hin ab. An der Spitze eines Dreiecksegels ist daher die Auftriebsstärke schließlich ‘null’– ersetzt durch den ‘Randwirbel’. Eine Erklärung für
diese Tatsache lässt sich auch finden, wenn man das Verhalten der kinetischen Energie (Ekin) beobachtet.

Man kann den induzierten Widerstand als ein Maß für jene
Strömungsenergie ansehen, die unvermeidlich bei der Erzeugung der Auftriebskraft umgesetzt wird. Da die Randwirbel fortwährend neu erzeugt werden, solange ein Druckunterschied zwischen der
Lee– und Luvseite eines Segels herrscht, wird der Anströmung ständig kinetische Energie entzogen und in kinetische Energie der abgehenden Wirbel hinter dem Segel verwandelt.

Der Reibungswiderstand

Das Medium Luft besitzt wie beispielsweise auch Flüssigkeiten Zähigkeitseigenschaften. Strömt Luft an einem Segel vorbei, so werden dem zu Folge die Luftteilchen in unmittelbarer Nähe der Segeloberfläche zum Stillstand kommen. Diese vermindern die
Geschwindigkeit der nächstäußeren Teilchenschicht. Der Vorgang wiederholt sich solange, bis in einer gewissen Entfernung von der Segeloberfläche die Luftteilchen wieder ihre maximale Strömungsgeschwindigkeit erreichen.

Jenen Bereich in dem die Teilchengeschwindigkeit kleiner als die der Luftströmung ist, nennt man Grenzschicht. Die Stärke der Grenzschicht ist ein Maß für den Reibungs-widerstand.

Innerhalb der Grenzschicht kann man zwei Arten von
Luftströmungen unterscheiden, die laminare- und die turbulente Strömung. Ein Segelprofil wird zunächst laminar angeströmt, die
Luftteilchen fließen parallel und gleichmäßig verteilt. Je nach Windgeschwindigkeit verwandelt sich im Umschlagsbereich die laminare Strömung in eine turbulente Strömung. Innerhalb dieser
Strömungsart beginnen die Luftteilchen quer zur Hauptströmungsrichtung hin- und herzuschwingen. Durch diese Vorgänge bedingt, entnimmt die turbulente Strömung mehr Energie aus der schneller fließenden Außenströmung. Da die dünnere laminare Grenzschicht weniger Energie aus der Außenströmung aufnimmt, als die dickere turbulente Grenzschicht, ist der Reibungswiderstand von Segeln und Bootsrümpfen mit laminarer Grenzschichtströmung geringer als bei turbulenter Grenzschicht.

Sehr nahe an der Segeloberfläche bleibt jedoch eine laminare Unterschicht erhalten, welche den nützlichen Nebeneffekt hat, Segeltuchunebenheiten ‘zuzudecken’. Will man in der Praxis Reibungswiderstände möglichst gering halten, sollten nachfolgende
Punkte Beachtung finden:
– Keine Unebenheiten im vorderen Teil von Strömungsprofilen.
– Glatte Oberflächen sind nötig.
– Auch die Wölbung und der Anstellwinkel eines Segels hat Einfluss auf die Reibung.

Alle diese Punkte sind entscheidend, wenn verhindert werden soll, dass die laminare Strömung zu früh in eine geschwindigkeitshemmende, turbulente Strömung übergeht.

Der Formwiderstand

Form- und Reibungswiderstand werden beide durch die Zähigkeitskräfte des strömenden Mediums bedingt. Der Formwiderstand, gesondert betrachtet, hat als Ursache die verwirbelte, turbulente Strömung, welche hinter einem umströmten Körper auftritt. Die Staubwolke, die auf einer unbefestigten Straße hinter einem Fahrzeug entsteht, ist ein sichtbarer Beweis für das Vorhandensein solcher Wirbelzonen. Strömungsgünstigere Formen, wie beispielsweise die eines Sportwagens, erzeugen weit weniger Wirbel, als die ungünstige von Lastwägen. Daher trägt diese Art des Widerstandes den Namen Formwiderstand. Die Bildung einer solchen Wirbelzone setzt ständig Strömungsenergie um, welche sich als Widerstand bemerkbar macht. Als Beispiel soll
hier der den nicht unerheblichen Formwiderstand von verschiedenen Mastprofilen angeführt werden.

Ursache des Strömungswiderstandes ist nicht der Strömungs-vorgang auf er Mastvorderseite, sondern die Wirbelzone auf der Mastrückseite. Können die Stromlinien der Mastkontur folgen, entsteht der Widerstand hauptsächlich durch Reibung. Verjüngt sich hingegen die Mastrückseite rasch, so löst sich die Strömung frühzeitig ab und hinter dem Mast entstehen widerstands-bildende Wirbel. Formwiderstände entstehen weiter durch zu bauchige oder auch ungleichmäßig verlaufende Segelprofile.

 

 

 

Luftwiderstände an Rigg und Rumpf

Der Luftwiderstand des gesamten Überwasserschiffes hemmt den Vortrieb. Ein profilierter Riggdraht kann den Luftwiderstand bereits auf 1/10 des herkömmlichen Drahtes reduzieren. Unverstagte Masten haben den kleinsten Widerstand, besonders
wenn sie drehbar sind um ihr Profil der Strömungsrichtung anzupassen. Auf Jollen wird versucht den Formwiderstand der ausreitenden Mannschaft zu minimieren, indem sie in Längsrichtung fluchtend sitzt. 50 % des gesamten Luftwiderstandes entstehen am Rumpf der Yacht. Das ist etwa 1/5 aller aero-und hydrodynamisch wirksamen Widerstände. Gute Konstrukteure achten daher auch besonders auf die geringen Luftwiderstände des Rumpfes, der Aufbauten und des Decklayoutes.

Hydrodynamische Kräfte

Um die Wirkungsweise des hydrodynamischen Widerstandes zu verstehen, ist es zunächst notwendig, alle am Kiel oder Schwert und Ruder angreifenden Kräfte zu analysieren. Die am Unterwasserschiff einer Segelyacht angebrachten Anhänge haben tragflügelähnliche Formen. Sie haben die Aufgabe, das durch die Querkraft des Segels verursachte seitliche Abtreiben, die Abdrift, zu verhindern. Obwohl dies nie vollständig gelingt, erreichen moderne Hochleistungsyachten geringe Abdriftwinkel zwischen 3 und 5 Grad. Durch den ‘Driftwinkel’ geringfügig gedreht, strömt das Wasser den Kiel, Schwert und Ruder leicht seitlich an. Um das jeweilige Profil zu umströmen, müssen die Wasserteilchen, ähnlich
wie an Segelprofilen, unterschiedlich lange Wege zurücklegen. Wie bereits beim aerodynamischen Auftrieb behandelt, entsteht dadurch die unterschiedliche Strömungs-geschwindigkeit, die schließlich den hydrodynamischen Auftrieb zur Folge hat.
Diese quer zur Anströmung wirkende Kraftkomponente ergibt, addiert mit der Komponente der Widerstände, die resultierende hydrodynamische Gesamtkraft. Der Angriffspunkt dieser Kraft liegt ungefär am Ende des vorderen Viertels des Kiels oder
Schwertes und wird Lateraldruckpunkt genannt. Je tiefer ein Kiel oder Schwert geht und je schmaler es ist, desto größer wird die erwünschte hydrodynamische Seitenkraft bei minimalem Widerstand sein. Allerdings: Je weiter der Angriffspunkt der Seitenkraft im Lateraldruckpunkt nach unten wandert, desto schneller krängt die Yacht bei gleichem Segeldruck, aufgrund der größeren Hebelwirkung. Ähnlich den Luftwiderständen über dem Wasser, wirken auch unter dem Wasser geschwindigkeitshemmende Faktoren gegen die Vortriebskraft eines Segelbootes in Fahrt.

Neben der erwünschten hydrodynamischen Seitenkraft, treten im
einzelnen die Widerstände der Form, der Reibung, der Abdrift, der Krängung und des Ruders eines Bootes in Erscheinung.

 

 

Der hydrodynamische Formwiderstand

Der Rumpf einer segelnden Yacht erzeugt im Wasser, ähnlich wie das Überwasserschiff in der Luftströmung, ebenfalls einen Formwiderstand. Die Ursache dafür ist das Zähigkeitsverhalten des Wassers. Die Größe des Widerstandes ist ersichtlich aus dem von
der Form des Bootes erzeugten Wellensystem und den Verwirbelungen hinter dem Rumpf. Außerdem wächst der Formwiderstand mit zunehmender Geschwindigkeit überproportional und kann so groß werden, dass ein Kielboot in ‘Verdrängerfahrt’ eine maximale Geschwindigkeit nicht mehr über schreiten kann. Die sogenannte Rumpfgeschwindigkeit wurde erstmals von William Froude, Ende des 19. Jh. erkannt und berechnet. Die relative Geschwindigkeit in Knoten kann nicht größer sein, als

 

Das ergibt für ein Boot mit 9 m Wasserlinienlänge eine Rumpfgeschwindigkeit:

Moderne Jollen können wegen ihrer Form (flache, breite Rümpfe mit wenig Tiefgang) und ihres geringen Gewichtes bei günstigen Windbedingungen in den Gleitzustand kommen. Das bedeutet, dass sich das Vorschiff aus dem Wasser hebt und das Boot gleichzeitig auf der eigenen Bugwelle reitend davonläuft, die Heckwelle weit hinter sich lassend. Es entsteht ein teilweise dynamischer Auftrieb, der mithilft, dass Boot zu tragen. Es verdrängt beim Gleiten also weniger Wasser, als seinem Gewicht entspricht, wodurch sich einerseits
der Formwiderstand vermindert, andererseits aber auch weniger Reibung erzeugt wird, weil sich die benetzte Oberfläche verkleinert. So kann eine Rennjolle auf raumen Kursen ein Mehrfaches ihrer Rumpfgeschwindigkeit erreichen. Moderne Rennyachten werden aus diesen Gründen immer jollenähnlicher konstruiert.

Der hydrodynamische Reibungswiderstand

Fast immer größer als der Formwiderstand ist der Reibungswiderstand. Ähnlich wie bei der Luftreibung, ist auch bei der Reibung der Wasserteilchen an einem Bootsrumpf die Dicke der Grenzschicht maßgebend. Je geringer die Grenzschichtdicke ist, desto weniger Energieverlust tritt durch Reibungswiderstand auf. Für die Praxis gilt zur Reduzierung des Reibungswiderstandes, dass die Oberfläche des Rumpfes so glatt wie möglich sein muss.
Beachtung finden besonders die vorderen Bereiche von Rumpf, Kiel, Schwert und Ruder (dünne Grenzschicht). Die benetzte Oberfläche des Rumpfes muss so klein wie möglich
gehalten werden. (Schwert hochziehen, Gewichtstrimm im Boot) Widerstand durch Krängung Vorab sei angemerkt, dass eine leichte Krängung bei schwachem Wind die Fahrtleistung einer Segelyacht durchaus erhöhen kann. Die Hauptursache für diesen Effekt liegt in der verminderten Reibung, welche durch eine geringere benetzte Fläche erreicht wird und bei diesen Verhältnissen den größten Widerstand darstellt.
– Krängung bewirkt eine Asymmetrie des Unterwasserkörpers einer Yacht. Die Umströmung des Rumpfes geschieht auf verschieden langen Wegen. Die bei solchen Verhältnissen immer entstehende resultierende Kraft hat auch eine Widerstands-komponente gegen die Fahrtrichtung.
– Das veränderte Wellenbild (Wirbel) zeigt auch eine Veränderung des Formwiderstandes an, welcher bereits bei 15° Krängung auch bei größerem Winddruck die Geschwindigkeit nur minimal ansteigen lässt.
– Ein weiterer ungünstiger Effekt ist das Auswandern des Segeldruckpunktes nach Lee bei größerer Krängung. Es entsteht zwischen Segeldruckpunkt und Lateraldruckpunkt ein Hebelarm, der ein Drehmoment erzeugt, welches das Boot in Richtung gegen den Wind aus dem Ruder laufen lässt. Das geschwindigkeitshemmende Gegenruderlegen ist nötig, um die Yacht auf Kurs zu halten.

Widerstand durch Abdrift

Der zur Anströmung schräg stehende Kiel oder Schwert erhöht den Formwiderstand einer Yacht. Zusätzlich wirkt an jedem profilierten Kiel (Schwert) oder Ruder der bereits behandelte induzierte Widerstand. An der Kielunterseite erzeugt die Ausgleichsströmung
von der Druckseite zur Saugseite die bekannte ‘Wirbelschleppe’, deren Umwandlung in kinetische Energie den induzierten Widerstand darstellt.

Widerstand am Ruder

Da ein Ruder ein Strömungsprofil darstellt, bildet sich bei jedem Ruderausschlag ein Ruderwiderstand. Ruderausschläge bewirken eine Abänderung des Strömungsverlaufes am Rumpf und seinen Anhängen. Große Ruderausschläge bei geringer Fahrt bremsen
besonders stark.

Aero- und hydrodynamische Kräfte im Gleichgewicht

Trifft Wind auf ein richtig angestelltes Segel, so erzeugen aerodynamische Kräfte den Vortrieb, aber auch die Abdrift. Die Yacht nimmt Fahrt auf. Während sie beschleunigt entstehen am
Unterwasserschiff, verursacht durch Abdrift, hydrodynamische Kräfte. Segelt die Yacht im Gleichgewicht beider Kräftegruppen, so ist die Geschwindigkeit konstant. Daraus folgt, dass Kräfte der gleichen Wirkungslinie sich nur dann aufheben, wenn sie entgegengesetzt
gerichtet sind und wenn sie gleich groß sind. Diese Verhältnisse sind in den beiden nachfolgenden Skizzen anschaulich dargestellt:

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