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Die Physik des Segelns

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by

Jonathan Dulon

on 27 May 2014

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Transcript of Die Physik des Segelns

1
Strömung im Wasser
Wasser umströmt Schwert/Kiel und Ruder
-> verhindert Abdrift
-> Zusammenspiel von Aero - und
Hydrodynamik
-> Segeln durch Auftrieb möglich + effektiver Vortrieb
Aerodynamik
Neue Materalien
Neue Segelformen
Am-Wind-Segeln möglich




Hydrodynamik
Neue Materialien
Neue Rumpfformen
Schwert/Kiel


Die Physik des Segelns
Vom Stück Holz zum High-Tech Boot
-
Inwiefern veränderte sich das physikalische Prinzip des Segelns ?
Gliederung
Früher
Entwicklungen für die Zukunft
Entwicklungen bis Heute
Aerodynamik und Hydrodynamik
Material der Segel:
normales Gewebe
Wind kommt von hinten
->drückt in das Segel
->Boot wird geschoben
Segeln durch Wiederstand
Vortrieb durch Fläche
-> kann Windgeschwindigkeit nicht überschreiten
Aerodynamik
Hydrodynamik
Breiter Rumpf
Großer Laderaum
Formstabil
ohne
Kiel/Schwert
Kein Am-Wind-Segeln möglich

Funktionsweise von Auftrieb
Auftrieb
Vortrieb
aerodynamische Seitenkraft
Anfahrwirbel
Abgelöster Anfahrwirbel
Gebundener Wirbel
C= v +U+P
4. Als Gegenwirbel zum Anfahrwirbel entsteht die "gebundene Zirkulation"
5. Die gebundene Zirkulation verhindert das abreißen der Strömung und verstärkt die Druckunterschiede
Schnellerer Luftstrom
Langsamerer Luftstrom
Anfahrwirbel bleibt am Entstehungsort zurück
Gebundener Wirbel entsteht
Erzeugt differenzen in Strömungsgeschwindigkeiten
Strömung liegt an

Luft von Luvseite des Profils gleicht Unterdruck aus
Anfahrwirbel
Wind
Der Bernoulli Effekt
Beziehung zwischen Fließgeschwindigkeit der Luft und dessen Druck
strömende Luft wird bei Geschwindigkeitsanstieg von Druckabfall begleitet
D.h. je schneller die Luft, desto geringer der Druck
Widerstand
Vortrieb
Anströmungsrichtung des
Wassers
Anströmungsrichtung
der Luft
aerodynamische
Kraft (Auftrieb)
hydrodynamische
Seitenkraft
aerodynamische
Seitenkraft
hydrodynamische
Kraft (Auftrieb)
Kräftediagramm am Segelboot
Aerodynamik vor dem Wind
Wind
Wirbel
keine effektive Strömung ums Segel
-> von der Windrichtung abhängig
-> Große Einschränkungen
Unterdruck
Überdruck
2
2
_
potentielle Energie
Druckenergie
Gesamtenergie
Aerodynamik
Hydrodynamik
Neue Materialien
Wing:
vergleichbar
mit Flugzeugflügel (steif)
Größerer Vortrieb durch
effizienteres Profil
Neue Materialien
Foil:
(Schwert) Erzeugt großen Auftrieb
Weniger Wasserwiderstand


Funktionsweise von Foils
Rumpf
Foil
Erzeugen an 2 Seiten Auftrieb
wirkt Abdrift entgegen
hebt den Rumpf an
Funktionsweise von Wings
bessere Strömungseigenschaften
erzeugen größeren Vortrieb
Höheres Am-Wind-Segeln ist möglich
„Vor dem Wind treibt
jedes Bündel Stroh"
Kräftediagramm am Segel
Segel
Auftrieb entsteht 90° zum Wind
lässt sich in 2 Vektoren zerlegen
Lateralkraft und Segelkraft arbeiten entgegengesetzt

Vortriebskraft verhältnismäßig zu Seitenkräften gering


Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
http://www.reformiert-info.de/3640-0-105-18.html
Fazit
Viele Veränderungen im Segelsport
Ziel: Größere Geschwindigkeiten mit größerer Effizienz
-> Extrem anspruchsvolles, sportliches Seglen
Ermöglicht durch neue Materialien und sinnvolles Anwenden physikalischer Gesetze
Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Eigene Grafik nach: Boeck, F. (2012) Konstruktion, Bau und numerisch/experimentelle Untersuchung eines A-Class Katamaran Flügelriggs. Diplomarbeit an der TU Berlin
Segelschiff im 16.Jahrhunder



Quellen
Literatur:
Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH

Boeck, F. (2012) Konstruktion, Bau und numerisch/experimentelle Untersuchung eines A-Class Katamaran Flügelriggs. Diplomarbeit an der TU Berlin

Bethwaite, F. (1995). Hochleistungssegeln. Bielefeld: Delius Klasing

Marchaj, C.A. (1995) Aero- und Hydrodynamik des Segelns. Bielefeld: Delius Klasing

Walther,M. Hydrofoil - Ein sich selbst stabilisierendes System. Sailing Journal 3/2013
Quellen Joni:
Bilder;
Bernoulli Skizze :
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schema_eines_Rohres_mit_Engstelle-Bernoulli.svg&filetimestamp=20101113200215&
13.05.14 18:28 Uhr

Altes Schiff:
http://www.reformiert-info.de/3640-0-105-18.html
13.5.14 18:29 Uhr

Videos :
49er :

20.05.14 13:58 Uhr

Aufhänger:

20.05.14 13:59 Uhr

Americas Cup :

20.05.14 14.00 Uhr
Internet:
Bolle, Lars: Warum Yachten gegen den Wind segeln können http://www.fritz-segel.de/service/yacht0104_GegendenWind.shtml , (25.5.2014 14:12 Uhr)

Hietschold, Thomas: Grundlagen der Aerodynamik - Wirbeltheorie http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.nva-flieger.de%2Ftl_files%2Fimages%2Faef%2Fgrafikneu%2Fgrund%2Fanfahrwirbel.gif&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.nva-flieger.de%2Findex.php%2Ftheorie%2Faerodynamik%2Fallgemein%2Fwirbeltheorie.html&h=80&w=366&tbnid=kEBxQWQLBQuBAM%3A&zoom=1&docid=EBSySezSkkvdxM&ei=HQNqU7e5NIb7PI7mgfgI&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=347&page=1&start=0&ndsp=14&ved=0CFsQrQMwAQ , (25.5.2014 14:13 Uhr)

http://andreas.welcomes-you.com/research/talks/Bernoulli.pdf (25.5.2014 14:17)

"Schema eines Rohres mit Engstelle - Bernoulli" , http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schema_eines_Rohres_mit_Engstelle-Bernoulli.svg&filetimestamp=20101113200215& ,
(13.05.14 18:28 Uhr)

Strömung nach Bernoulli :
http://de.wikipedia.org/wiki/Str%C3%B6mung_nach_Bernoulli_und_Venturi
(13.5.14 18.00 Uhr)

"Boot Vorwind": http://www.esys.org/regatta/regattataktik.html (24.5.2014 19:27)

"Altertümliches Boot" ,
http://www.reformiert-info.de/3640-0-105-18.html ,
(13.5.14 18:29 Uhr)

"Ruderprofil" http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f3/Leading_edge_NACA_0012.svg/1000px-Leading_edge_NACA_0012.svg.png (25.05.2014 14:57)

Videos:
"Fun on Foils", www.youtube.com/watch?v=Y6dnOIE9sjk , (25.05.2014 14:00 Uhr)

"America's Cup Preview": www.youtube.com/watch?v=ElCR6J2I1tQ , (25.05.2014 14:05 Uhr)

"49er Segeln" : www.youtube.com/watch?v=kfiMwQwmmq0 , (25.05.2014 14:08 Uhr)


Eigene Graik nach: Walther,M. Hydrofoil - Ein sich selbst stabilisierendes System. Sailing Journal 3/2013
Querschnitt eines Ruder/Schwertprofils
Geringer Wasserwiderstand in Fahrtrichtung
Großer Wasserwiderstand quer zur Fahrtrichtung
Vortrag:
11.1.14 15:00 Uhr im Berliner Yacht Club
"Aero- und Hydrodynamik von Segelbooten"
Referent: Thilo Keller (Langzeit Schiffbaustudent an der TU)
http://www.tu-sport.de/index.php?id=2507&tx_dwspitzensport_pi1[profil]=12
Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f3/Leading_edge_NACA_0012.svg/1000px-Leading_edge_NACA_0012.svg.png
Quelle: Bethwaite, F. (1995). Hochleistungssegeln. Bielefeld: Delius Klasing
Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Quelle:http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schema_eines_Rohres_mit_Engstelle-Bernoulli.svg&filetimestamp=20101113200215&
Eigene Grafik nach: http://www.esys.org/regatta/regattataktik.html
kinetische Energie
R
1
R
2
Physikalisches Prinzip hat sich geändert
-> von Vortrieb durch Fläche
=> zu Vortrieb durch Auftrieb
Wasserwiderstand minimieren
Effizientere Nutzung der Antriebskraft "Wind"

Ziele :
Hohe Geschwindigkeiten
Möglichst hohes Am Wind segeln

Möglich durch:
Neue Materialien
Sinnvolles anwenden physikalischer Gesetze
Alt
Was ist mit einem Bild von uns ?
kommt immer gut wenn man eine persönlich note mit einbringt

Die frage ist nur wo ....
Bei vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit als hintergrundbild

Luft
Segel
Strömungsabriss
Luft strömt ums Segel (Coandă-Effekt)
Luftstrom löst sich vom Profil
Strömungsabriss
Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Unterdruckzone
Luft
Segel
Luft strömt ums Segel (Coandă-Effekt)

Eigene Grafik nach: Püschl, W. (2012). Die Physik des Segelns. Weinheim: WILEY-VCH
Rechen roten Pfeil wegmachen?
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