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Physik des Segelns: Wie Segeln wirklich funktioniert

Physik des Segelns: Wie Segeln wirklich funktioniert

Wolfgang Püschl

ISBN: 978-3-527-64850-4

Sep 2012

278 pages

$31.99

Description

Eine Einführung in die physikalischen Grundlagen des Segelsports für die an Naturwissenschaften interessierten Segler, die schon immer wissen wollten, wie Segeln tatsächlich funktioniert.

»Physik des Segelns« führt zunächst in die einfachen Grundsätze und Bedingungen des Segelns ein, wie beispielsweise das Kräftegleichgewicht während der Fahrt. Anschließend wird aus den Eigenschaften von Luft und Wasser und den dynamischen Grundgleichungen das Entstehen dieser Kräfte dargelegt. Das Buch räumt mit verbreiteten falschen Vorstellungen auf und schreitet systematisch von der Betrachtung zweidimensionaler Phänomene zu dreidimensionalen Phänomenen voran. Von Erscheinungen innerhalb der Medien Luft und Wasser geht es weiter zu den Erscheinungen an ihrer Grenzfl äche, 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 ein optimales Segeltempo zu erreichen. Abschließend werden zeitlich veränderliche Phänomene wie Manöver und das Arbeiten des Bootes im Seegang betrachtet, und die Materialfestigkeit von Takelage und Rumpf diskutiert.

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 Tragf lügels (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 Tragf lügel 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