Physik des Segelns

In dem Buch werden zunächst einfache Grundsätze und Bedingungen eingeführt wie Kräftegleichgewicht während der Fahrt. Dann wird aus den Eigenschaften von Luft und Wasser und den dynamischen Grundgleichungen das Entstehen dieser Kräfte dargelegt. Von zunächst zweidimensionaler Betrachtung wird systematisch zu dreidimensionalen Phänomenen vorgeschritten. Von Erscheinungen innerhalb des Mediums (Luft, Wasser) geht es in einem besonderen Kapitel zu den Erscheinungen an der Grenzfläche, den Schwerewellen des Wassers und dem damit verbundenen Widerstand. Mit der Kenntnis aller Beiträge zur Vortriebsleistung wird erläutert, wie sie aufeinander abgestimmt werden müssen, um optimal schnell zu segeln. Alle bisherigen Überlegungen bezogen sich auf gleichmäßige Geschwindigkeit und gleichbleibende Lage des Segelboots. Nun werden zeitlich veränderliche Phänomene in Betracht gezogen wie Manöver und das Arbeiten des Schiffs im Seegang. Zum Schluss wird, was für Bootskonstruktionen wichtig ist, die Materialfestigkeit unter statischen und dynamischen Bedingungen diskutiert.

Wolfgang Püschl promovierte und habilitierte sich an der Universität Wien, wo er seit 2001 als außerordentlicher Professor für Materialphysik tätig ist. Seine Forschungsinteressen umfassen Defektstruktur und Atomkinetik in Festkörpern. In der Lehre vermittelt er seit drei Jahrzehnten praktische und theoretische Themen an Studenten aller Semester. Seine besondere Liebe gehört dem Segelsport, den er seit 48 Jahren, auch mit zahlreichen Regatta-Erfolgen betreibt.

Vorwort v Liste der verwendeten Symbole xi 1 Historische und gegenwärtige Bedeutung, Leistungsvergleiche 1 1.1 Höchstgeschwindigkeit 8 1.2 Etmale auf See 10 1.3 Reisezeit auf Langstrecken 10 1.4 Luvgeschwindigkeit 11 1.5 Segler des Tierreiches 12 2 Die Segelyacht im gleichförmigen Fahrtzustand 15 2.1 Kräftegleichgewicht 15 2.2 Momentengleichgewicht 21 2.2.1 Achse 1 21 2.2.2 Achse 2 25 2.2.3 Achse 3 30 3 Grundlagen der Strömungslehre 35 3.1 Dynamik einer idealen (reibungsfreien) Flüssigkeit 37 3.2 Die Eigenschaften von Wirbeln 40 3.3 Bernoulli-Theorem 44 3.4 Die ebene Potenzialströmung 45 3.5 Dynamik von Fluiden mit innerer Reibung 48 3.6 Dissipation von Wirbeln 50 3.7 Ableitung der Reynoldszahl 50 3.8 Der Strömungswiderstand von Körpern 52 4 Die Theorie des Tragflügels (Profileigenschaften) 63 4.1 Irrlehren der Auftriebsentstehung 63 4.2 Wie entsteht der Auftrieb wirklich? 65 4.3 Druckverteilung am Tragflügel 73 4.4 Ablösungsverhalten und Wirbelbildung an Tragflügelprofilen 75 4.5 Gewölbte Platte verglichen mit dickem Flügelprofil 80 4.6 Die gegenseitige Beeinflussung von Profilen 81 5 Der dreidimensionale Tragflügel 89 5.1 Randwirbel und induzierter Widerstand 89 5.2 Elliptische Auftriebsverteilung 96 5.3 Wechselwirkung mit der Wasseroberfläche 100 5.4 Verwindung (Twist) 102 5.5 Flügelform 104 5.6 Pfeilung 105 5.7 Auftriebsverhalten von Tragflügeln mit niedrigem Seitenverhältnis 107 6 Der Bootskörper: Wellenerzeugung und Widerstandskomponenten, Skalierung 113 6.1 Wasserwellen (Schwerewellen) 113 6.2 Tiefenabhängigkeit der Wellenamplituden 114 6.3 Ableitung der Dispersionsrelation 117 6.4 Tiefwasserwellen 119 6.5 Seichtwasserwellen 121 6.6 Das Wellensystem eines fahrenden Schiffes 122 6.7 Wie viel PS hat eine Segelyacht? 129 6.8 Skalierungsgesetze 131 6.8.1 Hochrechnung von Modellversuchen auf wirkliche Größe 131 6.8.2 Segeltragvermögen und Skalierung der Segelfläche 134 6.9 Kenngrößen für das Wellenwiderstandsverhalten 138 6.9.1 Breite / Tiefgang-Verhältnis 138 6.9.2 Volumetrischer Koeffizient 138 6.9.3 Prismatischer Koeffizient (Schärfegrad) 142 6.9.4 Die Wellenformtheorie 142 6.10 Der Gleitzustand 143 7 Optimale Geschwindigkeit auf verschiedenen Kursen 149 7.1 Segel- und Rumpf-Polardiagramme 149 7.2 Rechnerische Bestimmung der Fahrtgeschwindigkeit 155 7.3 Geschwindigkeits-Polardiagramm und Wahl des Kurses 157 7.4 Segeln in einem variablen Windfeld 162 8 Zeitabhängiges Verhalten 169 8.1 Schwingungsbewegungen des Bootskörpers 172 8.1.1 Vertikale Tauchschwingungen 173 8.1.2 Drehschwingungen: Stampfen, Rollen 176 8.1.3 Rollen vor dem Wind (engl. downwind rolling) 180 8.1.4 Gier-Instabilität 185 8.2 Auftriebs-Hysterese 186 8.3 Reiten auf der Welle (surfen) 189 8.4 Gefährdung durch Brecher 193 9 Mechanische Belastung und Materialien 199 9.1 Kräfte in der Takelage - Dimensionierung von Stehendem Gut und Mast 199 9.2 Kräfte auf den Rumpf 209 9.3 Baumaterialien des Rumpfes 212 9.4 Materialien für Segel 216 A1 Glossar der Seemannssprache 221 A2 Beaufort-Skala 229 A3 Metazentrum eines Baumstammes 233 A4 Dimensionsanalyse 237 A5 Ableitung der Kutta-Joukowski-Gleichung 239 A6 Verfahren nach Prohaska 243 A7 Impulsübertrag, Kraft, Leistung, Kinetische Energie 245 A8 Elliptische Auftriebsverteilung und Berechnung des induzierten Widerstandes 249 A9 Linienriss einer Rennjolle 253 Literatur 257 Stichwortverzeichnis 259