Referat - Die Hydrodynamik des Segelns

Facharbeit
Im Leistungskurs Physik
Die Hydrodynamik des Segelns

Datum: 03.April. 2006
Inhaltsverzeichnis


1 Einführung in den Segelsport
1.1 Entstehung…………………………………………………4
1.2 Technische Entwicklung…………………4
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Strömungsmechanik
2.1.1 Grundsatz…………………………………………………………5
2.1.2 Strömungsarten……………………………………………5
2.1.3 Strömungsformen…………………………………………6
2.2 Bernoulli Gleichung
2.2.1 Herleitung………….…………………………………………9
2.2.2 Erklärung…………….…………………………………………10
3 Experiment
3.1 Aufbau ………………………………………………………10
3.2 Durchführung……………………………………………11
3.3 Auswertung…………………………………………………11
4 Anwendung der Ergebnisse
4.1 Allgemein……………………………………………………13
4.2 Optimale Form…..…………………………………14

5 Fazit ……………………………………………………………………………15

Quellenverzeichnis/Abbildungsverzeichnis………………………………16




0 Vorwort

In meiner Facharbeit beschäftige ich mich mit der Hydrodynamik des Segelns. Meine Erkenntnisse und Ergebnisse sind auf den Jollen und Binnen Segelsport bezogen. Ich habe mich dazu entschieden, weil ich in diesem Bereich jedes Jahr während der Sommerzeit Sport betreibe.
Auf der Suche nach der optimalen Form eines Schwertes mache ich Abstecher in die Entstehung sowie Entwicklung des Segelns und in die physikalischen Grundlagen.
Mit einem von mir durchgeführten Versuch werde ich meine Ergebnisse verstärken und am Ende eine möglichst plausible Antwort auf die Frage nach der Optimalität der Form haben.

Wenn ich von Schwert rede, stellen sie sich vor, es ist das Segel unter Wasser. Das sogenannte Schwert gibt es nur bei Jollen, bei größeren Schiffen heißt es Kiel und ist mit einem Ballast versehen. Bei einer Jolle hat das Schwert die Aufgabe das Schiff zum einen in einer waagerechten Lage zu halten, das Schiff gut steuerbar zu machen, durch gleichmäßige laminare Strömung und die Abdrift auf am Wind Kursen, durch Größe und optimale Form, zu verhindern. Das alles ist so wichtig, da nur in waagerechter und gut steuerbarer Lage das Schiff die optimale Geschwindigkeit erreichen kann. Dazu kommt, dass das Schwert die Kräfte ausgleichen muss, die das Schiff über Wasser in Form von Wind angreifen. Da das Segel im Verhältnis zum Schwert wesentlich größer ist und dadurch riesige Kräfte auftreten, die ausgeglichen werden müssen. Dieses Phänomen passiert durch die optimale Form des Schwertes und durch den Gewichtstrimm, den es durch den Segler erfährt. Dabei ist der Am Wind Kurs das Entscheidende. Das ist der Kurs, den das Schiff maximal zum Wind fahren kann. In der Regel sind es 35° bis 45°, das ist der Winkel zwischen Windrichtung und gesteuerter Kurs. Somit ist die gesuchte Form die, die das Schiff gut am Wind fahren lässt, es dabei gut steuerbar macht und trotzdem die höchst mögliche Geschwindigkeit ohne Abdrift bringt.







1 Einführung in den Segelsport

1.1 Entstehung

Die Erkenntnisse über die Entstehung des Segelns fangen bereits 5000 vor Christus in Luxor an, da man hier eine Urne mit folgendem Bild fand.
Man geht davon aus, dass die Ägypter nicht nur den Nil, sondern auch schon das Mittelmeer und das Rote Meer besegelten.
Ab ungefähr 1000 vor Christus entwickelten die Griechen zwei neue Typen von Schiffen. Zum einen das Lastenschiff mit viel Platz und großem Segel und zum anderen einen Typus als Kriegsschiff mit kleinem Segel, aber mit zweitem Antrieb in Form von Ruderkraft. Um das 7. Jahrhundert nach Christus revolutionierten die Wikinger den Schiffsbau mit ihrer länglichen, schlanken, doppelendigen Schiffsform, die damals schon bis zu 20 Knoten schnell wurde. Mit dem neu aufkommenden Baustoff Stahl war die Geburtsstunde der großen und prächtigen Windjammer gekommen. 1902 lief das jemals größte Segelschiff der Welt vom Stapel, die Preußen.
Nach und nach liefen die mit Motor betriebenen wesentlich wendigeren Schiffe den Segelschiffen den Rang ab. In den heutigen Industriestaaten werden Segelschiffe nur noch als Sportboote oder Schulungsschiffe genutzt.

1.2 Technische Entwicklung

Die technische Entwicklung bei Segelschiffen gibt es, wie oben schon genannt, seit fast 7000 Jahren, wobei die Wikinger mit ihren bis zu 20 Knoten Geschwindigkeit eine der besten Entwicklungen gemacht haben. Die wichtigste Entwicklung ist aber erst im letzten Jahrhundert angefangen. Nachdem das Segelschiff zumeist nur noch als Sportboot genutzt wird, gilt es auch das Streben nach Geschwindigkeit beim Segeln zu verbessern. Beim Segeln bedeutet, das Forschen in zwei Naturgewalten: Wind und Wasser, denn beides ist für den Segelsport entscheidend. Ein sehr wichtiger Teil ist unter Wasser, der Kiel, bei einem Dickschiff oder das Schwert, bei einer Jolle. Das ist der Teil eines Schiffes, mit dem ich mich in dem folgenden Verlauf beschäftigen werde. Dabei ist die Form fast genauso wie bei einem Segel und die Funktionen sind auch vergleichbar. Den Unterschied bildet nur das Medium, welches in diesem Fall kompressibel bzw. inkompressibel ist und das macht den bedeutenden Unterschied in der Physik aus.

2 Physikalische Grundlagen

2.1 Strömungsmechanik

2.1.1 Grundsatz

Die Strömungsmechanik oder auch die Strömungslehre ist die Physik der Fluide. Diese Fluide sind alle Medien, die sich unter Kraft endlos verformen lassen, sprich Gase und Flüssigkeiten. Daher ist auch die Rede von Fluid –mechanik oder –dynamik.
Claude Louis Marie Henri Navier und George Gabriel Stokes waren die Ersten, die eine Gleichung für das Strömungsverhalten in allgemeiner Form, aufstellten, die Navier-Stokes-Gleichung.

2.1.2 Strömungsarten

Wir kennen zwei Arten von Strömungen. Zum einen gibt es die stationäre Strömung, diese besitzt die Eigenschaft, im Verlauf ihres Zustandes einem konstanten Wert zu folgen. Die instationäre Strömung verhält sich dagegen völlig unregelmäßig.


2.1.3 Strömungsformen

Die zwei Strömungsformen sind die laminare bzw. turbulente Strömung. Die Bewegung von Flüssigkeiten, bei der keine Verwirbelungen auftreten, ist die laminare Strömung. Die turbulente Strömung ist die, bei der sich die Flüssigkeit nicht gleichmäßig und auch nicht gleichförmig bewegt. Bei der laminaren Strömung strömt die Flüssigkeit in Schichten, die sich nicht vermischen. Der erste Physiker, der dieses Phänomen beschreiben wollte war Osbourne Reynolds, der einen Versuch in einer Rohrleitung mit gefärbtem Wasser durchführte. Dabei war sein Ergebnis, dass sich die verschiedenen Strömungsformen bei bestimmten Geschwindigkeiten einstellen. Die beschreibende Größe ist die Reynolds-Zahl, die wie folgt definiert ist:


(µ= dynamische Viskosität; w= Strömungsgeschwindigkeit; l= Länge; ρ = Dichte; ν = kinetische Viskosität)


In praktischen Beispielen wird es üblicherweise so sein, dass die Schichtströmung sehr schnell in die turbulente Strömung übergeht. Als Beispiel folgt nun ein Bild, auch wenn die Zigaretten nicht zum Sport passen. Es ist ein passendes Beispiel, da man sehr gut sieht, dass auch hier die Strömung nur kurz laminare ist und dann schnell turbulent wird.

Diese turbulente Strömung unterscheidet sich besonders von der laminaren Strömung, weil die Teilchenströmung sich dreidimensional instationäre bewegen. Dazu kommt die Diffusion , die wesentlich größer ist, als die molekulare Diffusion und somit erhebliche Strömungsverluste im Rohrversuch verschuldet. Die Reynolds-Zahl ist hier wie folgt definiert:



(v= Strömungsgeschwindigkeit; l= Länge; ν = kinematische Viskosität)
Dabei ist für uns die wichtigste Information, dass turbulente Strömung etwas Schlechtes ist, da turbulente Strömung bremst. Laminare dagegen ist gut, da sie geringen Widerstand hat und somit nicht bremst. Ob die Strömung laminar oder turbulent ist, hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und von der Form ab.


A) , B) , C) , D) ,
E) .

Diese Abbildungen sind Beispiele für die oben genannten Reynolds-Zahlen. Wie man in A) und B) sieht, ist die Strömung noch laminar, bei 10-facher Reynolds-Zahl ist sie aber schon turbulent, wie auch in D) und E), da hier die Turbulenz immer mehr zunimmt.
















2.2 Bernoulli Gleichung

2.2.1 Herleitung

In den folgenden Zeilen will ich kurz den Satz von Bernoulli herleiten, wobei ich davon ausgehe, das keine Reibung auftritt, da sonst ein bestimmter Teil des Drucks in kinetische Energie in Form von Wärme umgewandelt würde. Da wir vom Idealfall, also ideale Flüssigkeit ausgehen, wird der Druck komplett in kinetische Energie umgewandelt, daher gilt:


Druckarbeit:

da:


ergibt sich:

...


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