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Facharbeit Im Leistungskurs Physik Die Hydrodynamik des Segelns Verfasser: Benedikt Goeken Kursleiter: Herr Sievers 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: Beschleunigungsarbeit: daher: Eingesetzt in Druckarbeit: statischer Druck + dynamischer Druck = Gesamtdruck = konstant (ρ = Dichte; v = Geschwindigkeit; p = statische Druck) Das Ergebnis ist, dass an Stellen mit großer Strömungsgeschwindigkeit der statische Druck eher gering ist. 2.2.2 Erklärung Der Wissenschaftler Daniel Bernoulli entdeckte schon im Jahre 1738, dass die Flüssigkeiten, die schneller strömen, einen geringeren Druck haben.
Bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit nimmt der Druck zu. Die später nach ihm benannte Gleichung gilt allgemein für Flüssigkeiten und für Gase, wobei ich mich nur auf die Flüssigkeiten konzentrieren werde. Der Unterschied liegt hier darin, dass die Gase kompressibel und die Flüssigkeiten fast inkompressibel sind. Eigentlich gibt es in der Natur keinen Stoff, der sich inkompressibel nennen kann. Wasser aber, wird in Rechnungen als ein solcher Stoff gesehen, da er im Normalzustand nahezu inkompressibel ist und der entstehende Fehler nur minimal ist. 3 Experiment 3.
1 Aufbau Für diesen Versuch braucht man eine Wanne (zum Beispiel Badewanne), Sägespäne, je feiner desto besser, und Formen, die man im Wasser testen will. In diesem Fall benötigt man drei Formen in jeweils anderer Ausführung. Ich habe eine Milchtüte zerschnitten und drei Formen geschaffen. Die erste Form wird waagerecht gelassen, die zweite zu einem Halbkreis gebogen und die dritte Form besteht aus zwei dieser Halbkreis ähnlichen Stücke. 3.2 Durchführung Man füllt die Wanne mit Wasser und streut die Sägespäne gleichmäßig auf die Wasseroberfläche.
Nun nimmt man Form für Form und zieht sie durch die Wanne. Ich habe den Versuch zweimal durchgeführt. Beim ersten Mal wurde die Form entlang der Längsachse gezogen und im zweiten Teil habe ich den Anstellwinkel um etwa 20° verändert und wiederum alle Formen durchs Wasser gezogen. 3.3 Auswertungen Die drei getesteten Formen haben alle eigene Strömungsbilder, die sehr gut durch die Sägespäne sichtbar werden. Besonders im zweiten Teil des Versuches haben sich deutliche Unterschiede gezeigt.
Form 1 ( ) ist sehr gut geeignet, solange man mit oder gegen die Strömung fährt, sobald man aber den Anstellwinkel, dass heißt, sobald man in der Praxis nicht mehr mit oder mit dem Wind fährt, ist die Form ungeeignet. Bei Binnen- bzw. Jollensegeln ist diese Form also völlig unangebracht, da man hier fast nie gegen die Strömung fährt. Beim Segeln mit der Strömung wird das Schwert überflüssig und daher von den meisten Seglern eingeholt. Form 2 ( ) ist eine Möglichkeit, den optimalen Anstellwinkel zu wählen, weil die Strömung laminar bleibt. Zusätzlich entsteht ein Unter- bzw.
Überdruck der dafür sorgen würde, dass die laminare Strömung sich relativ schnell in turbulente Strömung ändern würde und das wäre nicht gut. Da aber beim Segelsport eine hohe Flexibilität von einem Schiff erwünscht ist, ist das definitiv nicht die passende Form. Da diese Form nur für eine Seite optimal wäre. Form 3 bestehend aus zwei Teilen von Form 2 und bildet die beste Form für den Segelsport, weil an ihr die Strömung normalerweise laminar ist und egal welchen Anstellwinkel man wählt, die Strömung bleibt fast nahezu laminar. Durch die Form ist der Weg, den die Wassermoleküle zurücklegen müssen fast immer der gleiche, unabhängig welcher Winkel gewählt wird. Somit kann kein bzw.
kaum Unter- und Überdruck entstehen und das ist das Beste was passieren kann, wenn die Moleküle an beiden Seiten gleich schnell wandern. Als Erklärung ist noch wichtig zu nennen, dass der Wirbel, den man besonders im Video der Seitenansicht sieht, nichts mit turbulenter Strömung zu tun hat. Das ist der Anfahrtswirbel, der durch den Unter- und Überdruck entsteht, wie oben stehend mit Bernoulli erklärt wurde. Diese Tatsache hat nichts mit der Suche nach der optimalen Form zu tun, denn dieser Wirbel entsteht bereits bei minimalen Unterschieden der Oberfläche und somit anderen Strömungsgeschwindigkeiten. Das ist kein Problem der optimalen Schwertform, und einem Schiff kann hiervon abgesehen werden. Was eine optimale Form ausmacht ist die nicht die auftretende Zirkulation im oberen bzw.
linken Teil der Wanne, die erst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, aber trotzdem ist ein Unterschied von Form zu Form erkennbar. 4 Anwendung der Ergebnisse 4.1 Allgemein Die Ergebnisse aus Erarbeitetem und dem Versuch ergeben, dass nur wenige Formen in Frage kommen und nicht alles vorteilhaft ist. Dabei sind die Hauptkriterien die Strömungsform, Strömungsart und zum anderen das praxisbezogene, wie zum Beispiel Steuerbarkeit und trotzdem waagerechte Lage des Schiffes, was bei Jollen nur durch gut profiliertes Schwert, sprich gute Form und Gewichts Trimm geht. Von diesen Kriterien sehen wir aber ab, da wir sie im Versuch als konstant betrachten. Dabei liegt es nahe einfach eine Form zu wählen, die einem Strich ähnelt, da es die groß möglichste Fläche hat und dazu den geringsten Widerstand.
Wie es sich aber im Versuch zeigt ist dieser "Strich" strömungsungünstig, da sofort eine turbulente Strömung entsteht, wenn der Winkel der eintreffenden Strömung (Anstellwinkel) sich nur etwas ändert. Durch die turbulente Strömung wird die Form zur Bremse. Die sekundär getestete Form ist ein wirklicher Fortschritt in Richtung Praxistauglichkeit, aber auch bei dieser Form wird es problematisch sobald sich der Strömungswinkel ändert. Die Strömung bei dieser Form reißt nicht so schnell ab und ist somit eine gute Verbesserung. Infolgedessen weiter mit der Suche nach der optimalen Form. Wir brauchen also eine Form mit möglichst langen laminaren Strömungen, egal wie die Strömung auf die Form trifft.
Mit Form 3 scheint ein nahezu perfekter Körper gefunden zu sein. 4.2 Optimale Form Die optimale Form eines Schwerts wäre die, bei der die Strömung niemals abreißt und möglichst wenig Verwirbelungen entstehen. In meinem Versuch habe ich die Form 3 annäherungsweise so gewählt um zu demonstrieren, dass es eine fast optimale Form gibt. Eine optimale Form müsste ungefähr so aussehen: Unabhängig von wo die Strömung kommt und wie das Schwert zur Strömung steht, es hätte immer eine bestmögliche Form. Durch den runden "Kopf" hat das Schwert im Verhältnis zur Strömung ein "Spiel" von bis zu 180°.
Die Wassermoleküle würden immer noch relativ rund strömen. Auch die Distanz, die die Moleküle auf jeweils der anderen Seite zurücklegen müssten, wäre verhältnismäßig gleich. Durch das spitze "Ende" würde die Strömung relativ lang und auch unveränderlich laminare bleiben. Das heißt optimale Steuermöglichkeit und somit gute Segeleigenschaft. Dazu ist zu sagen, dass man in der Praxis niemals diesen 180° Spielraum bräuchte, da man bis maximal 60° zu beiden Seiten noch das Schwert effektiv nutzen würde. Im Jollen Sport macht man sich ab diesem Winkel schon wieder andere Nutzen, wie zum Beispiel Fläche verändern des Schwertes.
Sobald der Wind beiläufig von hinten, das heißt größtenteils auch Strömung von hinten kommt, fahren Jollen fast komplett ohne Schwert. Bei Dickschiffen wäre das wiederum anders, aber das ist vom Thema abweichend. 5 Fazit Meine Nachforschungen und Ergebnisse aus dem Versuch und Material ergeben, dass es nicht leicht ist, in der Hydrodynamik des Segelns ein sehr gutes Ergebnis zu erzielen. Trotzdem bin ich mit den Ergebnissen sehr zufrieden, da man besonders im Versuch doch erkennt, welche Form der optimalen möglichst nahe kommt. Ich denke die Natur macht es allen Forschungen schwer, da sie jeden Tag anders anzutreffen ist und jeden Tag anders reagieren kann. Der Segelsport ist, wie oben schon erwähnt abhängig von zwei Gewalten, nur wenn Wind und Wasser mit dem Schiff perfekt abgestimmt sind, ist es möglich, das Streben nach Geschwindigkeit zu erreichen.
Mittlerweile ist es beim Segeln mit der Entwicklung und Forschung wie in der Formel 1. Durch neue Erkenntnisse und immer bessere Forschungsmöglichkeiten werden Segelschiffe in Zukunft noch schneller und besser. Ich wähne im Moment ist noch kein Ende dieser Entwicklung in Sicht. Die Innovation und Entwicklung sind noch nicht am Ende. Das ermöglicht dem Segelsport immer mehr Firmen und technisch interessierten Personen zu finden, die den Sport unterstützen. Daher freue ich mich Ihnen mit dieser Arbeit einen kleinen Einblick in den Segelsport geliefert zu haben und freue mich auf die kommenden Segelentwicklungen.
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