Die physik des segelns
Die Physik des Segelns
Windstärke, wahrer, scheinbarer und Fahrtwind
Die Segler sind in der glücklichen Lage eine Energie nutzen zu können, die unerschöpflich ist. Um das Segel eines Bootes, was auch Windmotor genannt wird, bei der Umwandlung der besagten Windenergie nun sinnvoll einsetzen zu können, bedarf es der Erklärung einiger aerodynamischer Grundkenntnisse.
Zunächst kommen wir auf die Windstärke zu sprechen:
Der Wind den wir täglich am eigenen Leib spüren können besteht aus vielen kleinen Windteilchen, die alle eine Geschwindigkeit v und eine Masse m besitzen. Um nun die Bewegungsenergie zu beschreiben bedarf es einer Formel (kinetische Energie):
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Aus dieser Formel kann man ablesen, daß sich die Energie des Windes nicht im gleichen Maße wie die Geschwindigkeit der Windteilchen ändert, sondern zum Quadrat der Geschwindigkeit. Ein Beispiel zur Verdeutlichung:
Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, so verdoppelt sich die Energie nicht, sondern vervierfacht sich.
Kommen wir nun zu dem wahren, scheinbaren und Fahrtwind:
Der wahre Wind ist der Wind den man spürt, wenn man an einem festen Punkt steht, das heißt sich nicht bewegt.
Man kann ihn an ortsfesten Fahnen, Bäumen und am Rauch aus Schornsteinen erkennen.
Bewegt man sich aber (z.B. beim Segeln), so spürt man auch einen Fahrtwind. Der Fahrtwind und der wahre Wind beeinflussen sich gegenseitig. Sie addieren sich wie Kräfte in Form eines Kräfteparallelogramms.
Die Summe der beiden Winde ist der scheinbare Wind.
Der scheinbare Wind ist der Wind mit dem wir segeln. Befindet man sich nun auf einem segelnden Boot, ist der Wind den wir spüren der scheinbare Wind. Auch der Stander zeigt bei Fahrt nur den scheinbaren Wind an.
Je schneller ein Boot segelt, um so stärker wird der Fahrtwind und um so mehr weicht die Richtung des scheinbaren Windes von der des wahren Windes ab.
Schrallen und Raumen
Je schneller ein Boot fährt desto mehr von vorne fällt der scheinbare Wind gegenüber des wahren Windes auf das Boot ein.
Diesen Vorgang nennt man Schrallen. Dieses kann auch passieren, wenn der wahre Wind in seiner Richtung schwankt.
Das Gegenteil von Schrallen nennt man Raumen. Dies bedeutet das der Wind nach einer Richtungsänderung weiter von achtern und somit günstiger einfällt.
die Antriebskräfte
Der Anstellwinkel ist die Stellung des Segels zur Windrichtung des scheinbaren Windes. Der optimale Anstellwinkel, das heißt der Winkel mit der größten Gesamtkraftausbeute, beträgt etwa 15°.
Dies gilt nur für die Kurse auf denen man durch Antrieb durch Auftrieb erreicht, also “am Wind Kurse”. Für die Segeltrimmung gilt, je flacher und aerodynamischer das Segel getrimmt ist, desto größer die störungsfreie Ablenkung des Windes und die Gesamtkraft. Für die Praxis gilt: der optimale Anstellwinkel ist immer dann erreicht, wenn das Segel gerade eben noch nicht killt!
Für Kurse auf denen man mit Antrieb durch Widerstand segelt, also “vorm Wind Kurse”, gilt der oben genannte Anstellwinkel nicht. Es gilt je größer der Widerstand desto größer die Kraftausbeute. Für die Segeltrimmung gilt, je hohler und bauchiger das Segel getrimmt ist, desto größer ist die Gesamtkraft.
Die Art der Antriebskraft hängt vom Kurs ab.
In dem Bereich von “am Wind” bis “halb Wind” segelt man durch den Antrieb durch Auftrieb. Segelt man aber in dem Kursbereich “halb Wind” bis “vorm Wind” so segelt man durch den Antrieb durch Widerstand.
Im allgemeinen gilt, daß wir als Segler möglichst viel Vortriebskraft erreichen wollen. Es geht also darum, daß wir möglichst schnell und sicher segeln wollen. Hierfür muß die Gesamtkraft soweit wie möglich voraus gerichtet sein.
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