{"id":3747,"date":"2025-02-11T12:53:23","date_gmt":"2025-02-11T11:53:23","guid":{"rendered":"https:\/\/fritz-segel.com\/?p=3747"},"modified":"2025-02-11T13:03:32","modified_gmt":"2025-02-11T12:03:32","slug":"aerodynamische-grundlagen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fritz-segel.com\/en\/nuetzliche-hinweise\/aerodynamische-grundlagen\/","title":{"rendered":"Aerodynamische Grundlagen"},"content":{"rendered":"

…. etwas Theorie muss sein<\/h2>\n
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1.0 An einem umstro\u0308mten Segel entstehen Kra\u0308fte, die es einem Boot ermo\u0308glichen, sich schra\u0308g 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 \u201eWinddruck\u201c der das Boot in die Richtung in der er bla\u0308st zu bewegt. Der Wunsch ist jedoch das Boot nicht nur in die Richtung zu bewegen in die der Wind bla\u0308st, sondern auch in eine Richtung zu bewegen die der Segler als \u201eho\u0308her am Wind\u201c bezeichnet. Auf der Seite auf die der Wind auftrifft, die Vorderseite, die Luvseite, entsteht ein U\u0308berdruck, entsprechend entsteht auf der Ru\u0308ckseite, der Leeseite, ein Unterdruck. Der Unterdruck kann bis zu dreimal kleiner sein als der U\u0308berdruck. Das Segel wird nach Lee gesaugt (Abbildung 1).<\/p>\n<\/div>\n

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U\u0308berdruck und Unterdruck wirken entlang des Segels in unterschiedliche Richtungen. Beide Dru\u0308cke 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 \u201emitzunehmen\u201c. Normalerweise u\u0308berwiegt der Auftrieb gegenu\u0308ber dem Widerstand. Die resultierende Gesamtkraft “zieht” das Segel leicht schra\u0308g nach hinten, vom scheinbaren Wind aus betrachtet (Bild 2). Diese Wirkung kann nachgepru\u0308ft 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 schra\u0308g nach hinten, vom Boot aus betrachtet aber schra\u0308g 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 Kra\u0308ngung um.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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\n[Abbildung 2: Wirkung der Gesamtkraft am Segel]<\/strong><\/p>\n

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Dabei macht die Vortriebskraft nur etwa ein Viertel bis ein Drittel der Gesamtkraft aus. Gleichzeitig bilden Kiel und Ruder eine a\u0308hnliche 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 stro\u0308mt die Luft also schneller, auf der Luvseite langsamer.
\nWie kommt es zu diesem Unterschied? Zur Erkla\u0308rung wird gern der Vergleich mit der Flugzeugtragfla\u0308che bemu\u0308ht, der dem einen oder anderen noch aus dem Physikunterricht in der Schule gela\u0308ufig ist. Eine Tragfla\u0308che ist oben sta\u0308rker gewo\u0308lbt als an der Unterseite, man nennt das Profildicke. Die Luft, die u\u0308ber die gewo\u0308lbte Seite flie\u00dft hat somit einen la\u0308ngeren Weg zuru\u0308ckzulegen als die, die u\u0308ber die weniger gewo\u0308lbte Seite stro\u0308mt. Sie muss sich also beeilen – schneller stro\u0308men-, um gleichzeitig mit der Unterseite an der Profil Hinterkante anzukommen.<\/p>\n

Das Gleiche soll angeblich fu\u0308r ein Segel gelten. Soweit versta\u0308ndlich und plausibel – nur leider nicht logisch. Denn das Segelprofil hat keine Dicke. Ein durchschnittliches Dacron-Tuch ist etwa 0,3 Millimeter du\u0308nn. Bei einer Segel Mittelbreite von angenommen drei Metern, was einem durchschnittlichen Fahrten-Gro\u00df entspricht, ergibt sich ein kaum messbarer Wegunterschied zwischen Luv und Lee. Und somit keine langsamere oder schnellere Umstro\u0308mung, kein Druckunterschied, kein Vortrieb. Au\u00dferdem kann ein Flugzeug auch auf Ru\u0308cken fliegen, was nach dieser Theorie nicht mo\u0308glich sein du\u0308rfte, denn es wu\u0308rde nach unten gesaugt. Und dennoch vermag ein Segelboot zu kreuzen. In einem Satz ausgedru\u0308ckt muss es richtig hei\u00dfen: Das Segel versucht, die Stro\u0308mung abzulenken, seine Richtung zu a\u0308ndern.
\nDer Wind, also beschleunigte Luft, besitzt Tra\u0308gheit (Masse mal Beschleunigung). Trifft die Luft nun auf das Segel, will sie eigentlich in der alten Richtung weiterstro\u0308men, schafft das aber nicht, da sie ja nicht durch das Segel hindurch kann. Sie wird zwangsweise abgelenkt. Nach Sir Isaac Newtons drittem Bewegungsgesetz geho\u0308rt zu jeder Aktion (Umlenkung) eine gleich gro\u00dfe Reaktion in Gegenrichtung, die hier eine Kraft auf die Fla\u0308che bedeutet – der Sog.<\/p>\n

2.0 Die Luft wird durch den Anstellwinkel des Segels aus der Bahn gelenkt. Ergebnis: Auftrieb<\/strong><\/p>\n

Was aber hindert die Luft daran, einfach am Segel vorbei in der alten Richtung weiterzustro\u0308men? Eine Eigenschaft, die Seglern ho\u0308chst willkommen ist: Viskosita\u0308t. Damit ist eine gewisse Za\u0308higkeit gemeint, die am besten, wenn auch stark u\u0308bertrieben, mit dickem Honig verglichen werden kann. Umstro\u0308mt 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 daru\u0308ber liegende etwas weniger und so weiter bis zur ungebremsten Stro\u0308mung. Die Stro\u0308mung schmiegt oder klebt sich ans Segel.<\/p>\n

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Das erkla\u0308rt jedoch noch nicht, warum die Luft in Lee beschleunigt und in Luv abgebremst wird. Das besorgt der so genannte Anfahrwirbel. Im allerersten Augenblick des Dichtholens des Segels, wenn sich das Boot noch nicht bewegt, passiert Folgendes: Die oben ums Segel herumflie\u00dfende Stro\u0308mung wird auf ihrem Weg zum Achterliek durch die Reibung am Tuch immer weiter abgebremst und gleichzeitig durch den Anstellwinkel aus ihrer Bahn gelenkt. Das mag sie nicht. Sie will in ihre alte Richtung zuru\u0308ckkehren. Wie ein Sportwagen, bei dem in der Kurve auf die Bremse getreten wird, schlittert die Luft aus der Bahn, rei\u00dft vorzeitig von der Leeseite des Segels ab (Abbildung 3 a).<\/p>\n

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\n[Abbildung 3a: Abrei\u00dfen der Str\u00f6mung]<\/strong><\/p>\n

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Somit entsteht an der verbleibenden Fla\u0308che vom Abrei\u00dfpunkt bis zum Achter Liek, ein \u201eLoch\u201c in der Luft, das aufgefu\u0308llt werden muss, so wollen es die Naturgesetze Die Stro\u0308mung von der Luvseite springt helfend ein. Der Honig in Luv versucht, um das Achterliek herum auf die Leeseite zu gelangen, um das Loch aufzufu\u0308llen. Nur ist er za\u0308h und tra\u0308ge und schafft es zwar gerade so um die Ecke, bleibt aber stehen und bildet einen Wirbel, den Anfahrwirbel. Er wird von der Stro\u0308mung auf der Leeseite mitgerissen (Abbildung 3b) und setzt damit ein Pha\u0308nomen namens Zirkulation in Gang.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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\n[Abbildung 3b: Entstehung des Anfahrwirbels]<\/strong><\/p>\n

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Das Segel “merkt”, dass die Leere in Lee nicht durch Auffu\u0308llen um das Achterliek herum beseitigt werden kann. Also versucht es, u\u0308ber die Vorderkante Luft, die eigentlich fu\u0308r die Luvseite gedacht war, abzuzweigen (Abbildung 3c). Die Luft wird so schon um einiges vor dem Segel in zwei Stro\u0308me geteilt.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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\n[Abbildung 3c: Str\u00f6mungsaufteilung am Segel]<\/strong><\/p>\n

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Nun muss man sich vorstellen, dass sich das Segel in einem Kanal befindet. Dieser wird durch die a\u0308u\u00dferen Luftmassen gebildet. Der Strom, der u\u0308ber die Leeseite fu\u0308hrt, wird wie durch eine Du\u0308se gepresst, die das Segel und die Kanalwand bilden. Diese Du\u0308se beschleunigt die Luft auf dem ersten Drittel des Segels so stark, dass daraus ein Unterdruck resultiert (Abbildung 3d).<\/p>\n

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[Abbildung 3d: Str\u00f6mungsverhalten durch D\u00fcseneffekt]<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Dieser schwa\u0308cht sich durch die reibungsbedingte Geschwindigkeitsverminderung entlang des Segels nach achtern wieder ab. Gleichzeitig entsteht in Luv ein U\u0308berdruck, da die wenige Luft viel Platz hat um sich zu verteilen und dementsprechend langsamer stro\u0308mt. Am Achter Liek haben beide Stro\u0308mungen im Idealfall wieder dieselbe Geschwindigkeit, sodass die Luft das Segel sauber und wirbelfrei umflie\u00dft.
\nEntscheidend fu\u0308r das Entstehen der unterschiedlichen Dru\u0308cke am Segel und damit den Vortrieb sind also nicht unterniedlich lange Wege. Sondern die Tatsache, dass mehr Luft u\u0308ber die Leeseite als u\u0308ber die Luvseite des Segels gefu\u0308hrt wird.<\/p>\n<\/div>\n

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Lars Bolle – Diesen Artikel stellen wir Ihnen mit freundlicher Genehmigung der YACHT zur Verfu\u0308gung.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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