1.0 An einem umströmten Segel entstehen Kräfte, die es einem Boot ermöglichen, sich schräg zum Wind nach Luv saugen zu lassen. Dass ein Boot vor dem Wind segeln kann, ist seit der Antike bekannt, war dies doch der Standard sich mit dem Schiff ohne Muskelkraft von einem Punkt zum anderen zu bewegen. Trifft der wind auf ein Segel wird er abgebremst und/oder umgelenkt und erzeugt eine Kraft einen „Winddruck“ der das Boot in die Richtung in der er bläst zu bewegt. Der Wunsch ist jedoch das Boot nicht nur in die Richtung zu bewegen in die der Wind bläst, sondern auch in eine Richtung zu bewegen die der Segler als „höher am Wind“ bezeichnet. Auf der Seite auf die der Wind auftrifft, die Vorderseite, die Luvseite, entsteht ein Überdruck, entsprechend entsteht auf der Rückseite, der Leeseite, ein Unterdruck. Der Unterdruck kann bis zu dreimal kleiner sein als der Überdruck. Das Segel wird nach Lee gesaugt (Abbildung 1).

Überdruck und Unterdruck wirken entlang des Segels in unterschiedliche Richtungen. Beide Drücke lassen sich als eine resultierende Kraft darstellen, die im sogenannten Segeldruckpunkt wirken und senkrecht zum scheinbaren Wind gerichtet ist. Sie wird Auftrieb oder Quertrieb genannt. Gleichzeitig bietet das Segel dem Wind aber einen Widerstand. Der Wind versucht, das Segel „mitzunehmen“. Normalerweise überwiegt der Auftrieb gegenüber dem Widerstand. Die resultierende Gesamtkraft „zieht“ das Segel leicht schräg nach hinten, vom scheinbaren Wind aus betrachtet (Bild 2). Diese Wirkung kann nachgeprüft werden, indem bei einer Jolle Schwert und Ruder aus dem Wasser genommen werden. Die Folge das Boot driftet quer zum Wind, segelt aber auch etwas in Kursrichtung, insgesamt in Richtung der Gesamtkraft. Grund: Die Gesamtkraft wirkt zwar, vom scheinbaren Wind aus betrachtet, leicht schräg nach hinten, vom Boot aus betrachtet aber schräg nach vorn. Sind dagegen Schwert oder Kiel und Ruder vorhanden, setzen sie zusammen mit dem Rumpf der quer wirkenden Gesamtkraft einen Widerstand im Wasser entgegen. Das Boot kann nicht mehr quertreiben und wandelt die Kraft in Vortrieb und Krängung um.

Dabei macht die Vortriebskraft nur etwa ein Viertel bis ein Drittel der Gesamtkraft aus. Gleichzeitig bilden Kiel und Ruder eine ähnliche Konfiguration wie ein Segel und erzeugen Auftrieb, der die Geschwindigkeit steigert. Bleibt die Frage, wodurch es am Segel zu den Druckunterschieden kommt. Nach dem Bernoulli-Prinzip (Schweizer Mathematiker, 1700-1782) nimmt der Druck in der Luft mit zunehmender Geschwindigkeit ab und umgekehrt. Auf der Leeseite strömt die Luft also schneller, auf der Luvseite langsamer.
Wie kommt es zu diesem Unterschied? Zur Erklärung wird gern der Vergleich mit der Flugzeugtragfläche bemüht, der dem einen oder anderen noch aus dem Physikunterricht in der Schule geläufig ist. Eine Tragfläche ist oben stärker gewölbt als an der Unterseite, man nennt das Profildicke. Die Luft, die über die gewölbte Seite fließt hat somit einen längeren Weg zurückzulegen als die, die über die weniger gewölbte Seite strömt. Sie muss sich also beeilen – schneller strömen-, um gleichzeitig mit der Unterseite an der Profil Hinterkante anzukommen.

Das Gleiche soll angeblich für ein Segel gelten. Soweit verständlich und plausibel – nur leider nicht logisch. Denn das Segelprofil hat keine Dicke. Ein durchschnittliches Dacron-Tuch ist etwa 0,3 Millimeter dünn. Bei einer Segel Mittelbreite von angenommen drei Metern, was einem durchschnittlichen Fahrten-Groß entspricht, ergibt sich ein kaum messbarer Wegunterschied zwischen Luv und Lee. Und somit keine langsamere oder schnellere Umströmung, kein Druckunterschied, kein Vortrieb. Außerdem kann ein Flugzeug auch auf Rücken fliegen, was nach dieser Theorie nicht möglich sein dürfte, denn es würde nach unten gesaugt. Und dennoch vermag ein Segelboot zu kreuzen. In einem Satz ausgedrückt muss es richtig heißen: Das Segel versucht, die Strömung abzulenken, seine Richtung zu ändern.
Der Wind, also beschleunigte Luft, besitzt Trägheit (Masse mal Beschleunigung). Trifft die Luft nun auf das Segel, will sie eigentlich in der alten Richtung weiterströmen, schafft das aber nicht, da sie ja nicht durch das Segel hindurch kann. Sie wird zwangsweise abgelenkt. Nach Sir Isaac Newtons drittem Bewegungsgesetz gehört zu jeder Aktion (Umlenkung) eine gleich große Reaktion in Gegenrichtung, die hier eine Kraft auf die Fläche bedeutet – der Sog.

2.0 Die Luft wird durch den Anstellwinkel des Segels aus der Bahn gelenkt. Ergebnis: Auftrieb

Was aber hindert die Luft daran, einfach am Segel vorbei in der alten Richtung weiterzuströmen? Eine Eigenschaft, die Seglern höchst willkommen ist: Viskosität. Damit ist eine gewisse Zähigkeit gemeint, die am besten, wenn auch stark übertrieben, mit dickem Honig verglichen werden kann. Umströmt dieser dicke Honig das angestellte Segel, wird er nicht nur von ihm umgelenkt, sondern auch gebremst, denn selbst das glatteste Tuch verursacht Reibungswiderstand. Es bremst die Honig- Schicht, die direkt an ihr anliegt, bis auf null ab, die darüber liegende etwas weniger und so weiter bis zur ungebremsten Strömung. Die Strömung schmiegt oder klebt sich ans Segel.

Das Segel „merkt“, dass die Leere in Lee nicht durch Auffüllen um das Achterliek herum beseitigt werden kann. Also versucht es, über die Vorderkante Luft, die eigentlich für die Luvseite gedacht war, abzuzweigen (Abbildung 3c). Die Luft wird so schon um einiges vor dem Segel in zwei Ströme geteilt.

Nun muss man sich vorstellen, dass sich das Segel in einem Kanal befindet. Dieser wird durch die äußeren Luftmassen gebildet. Der Strom, der über die Leeseite führt, wird wie durch eine Düse gepresst, die das Segel und die Kanalwand bilden. Diese Düse beschleunigt die Luft auf dem ersten Drittel des Segels so stark, dass daraus ein Unterdruck resultiert (Abbildung 3d).

[Abbildung 3d: Strömungsverhalten durch Düseneffekt]

Dieser schwächt sich durch die reibungsbedingte Geschwindigkeitsverminderung entlang des Segels nach achtern wieder ab. Gleichzeitig entsteht in Luv ein Überdruck, da die wenige Luft viel Platz hat um sich zu verteilen und dementsprechend langsamer strömt. Am Achter Liek haben beide Strömungen im Idealfall wieder dieselbe Geschwindigkeit, sodass die Luft das Segel sauber und wirbelfrei umfließt.
Entscheidend für das Entstehen der unterschiedlichen Drücke am Segel und damit den Vortrieb sind also nicht unterniedlich lange Wege. Sondern die Tatsache, dass mehr Luft über die Leeseite als über die Luvseite des Segels geführt wird.