Hochleistungssegeln
Während Eisboote ein Jahrhundert lang in der Lage waren, die Windgeschwindigkeit sowohl in Luv als auch in Lee zu übertreffen, wurde diese Fähigkeit erst mit der Entwicklung der 18-Fuß-Skiffs im dritten Viertel des 20. Jahrhunderts zur Routine, als sich ihre Geschwindigkeit gegenüber den 1950er Jahren verdreifachte. Boote, die schneller segeln als der Wind, sowohl in Lee als auch in Luv, können vor dem Wind wenden, weil der scheinbare Wind immer vor dem Mast liegt. Dies führte zu dem Konzept des „Scheinwindsegelns“.
ScheinwindBearbeiten
Der scheinbare Wind ist die an Bord eines fahrenden Segelbootes gemessene Windgeschwindigkeit (Richtung und Geschwindigkeit), VA; er ist der Nettoeffekt (Vektorsumme) des Bootswindes, VB – die durch die Geschwindigkeit des Bootes über der Erde induzierte Luftströmung über dem Boot (in der Größe gleich, aber in der Richtung entgegengesetzt zur Geschwindigkeit des Bootes) – und des wahren Windes, VT. Der scheinbare Wind, der an Bord eines Motorbootes bei Windstille gemessen wird (VT = 0 Knoten), kommt direkt von vorn und mit einer Geschwindigkeit, die der Bootsgeschwindigkeit über dem Boden entspricht (VA = VB + 0 = VB). Fährt das Boot mit VB = 10 Knoten und einem Rückenwind von VT = -5 Knoten, erfährt es einen scheinbaren Wind von VA = 5 Knoten direkt am Bug (VA = VB + VT = 10 – 5). Der scheinbare Wind, den ein stehendes Fahrzeug erfährt, ist die wahre Windgeschwindigkeit. Fährt ein Fahrzeug in einem Winkel von 90° zu einem wahren Wind von VT = 10 Knoten, während es selbst mit einer Geschwindigkeit von VB = 10 Knoten unterwegs ist, dann beträgt der scheinbare Windwinkel 45° vom Bug und die scheinbare Windgeschwindigkeit etwa 14 Knoten, berechnet als: Quadratwurzel = Quadratwurzel = 14,14. Da das Schiff schneller wird als der wahre Wind, liegt der scheinbare Wind immer vor dem Segel.
Wenn der Widerstandswinkel des Rumpfes vernachlässigbar ist, lauten die Formeln für die Berechnung von VA und β:
- VA = Quadratwurzel {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
SegelleistungBearbeiten
Ein Segel erzeugt Auftrieb mit einer vorwärts gerichteten Antriebskomponente und einer seitwärts gerichteten Komponente, basierend auf einem optimalen Anstellwinkel, der dadurch begrenzt wird, dass der scheinbare Wind, VA, vor dem Segel liegt und annähernd auf dieses ausgerichtet ist.
-
Zerlegung der Windkraft, die auf ein Segel wirkt und Auftrieb erzeugt.
(FT = Aerodynamische Gesamtkraft, L = Auftrieb
D = Luftwiderstand, α = Anstellwinkel) -
Umwandlung von Auftrieb in Vortrieb.
(FR = Vortriebskraft, FLAT = Seitenkraft)
BetatheoremBearbeiten
Garrett führt das Beta-Theorem (oder Kurs-Theorem) ein, um zu verstehen, wie der scheinbare Windwinkel aus dem Zusammenspiel zwischen der treibenden Kraft des Windes und der Widerstandskraft des Wassers (oder der harten Oberfläche) resultiert, dem Ergebnis des Nettoeffekts von zwei entgegenwirkenden Folien, dem Segel in der Luft und dem Kiel im Wasser. Wenn man das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand für jedes Medium auflöst, ergibt sich die resultierende Bewegung des Segelschiffs aus dem Winkel Beta (β) zwischen dem scheinbaren Wind und dem Kurs über dem Wasser. Der Rumpf (unter dem Wasser) und das Segel (über dem Wasser) haben jeweils einen Widerstandswinkel gegenüber dem an ihnen vorbeiströmenden Medium (Wasser oder Luft), sie sind λ und αm im nebenstehenden Diagramm. Die Summe dieser beiden Widerstandswinkel ist gleich β, dem Winkel zwischen dem scheinbaren Wind und dem gesegelten Kurs (β = λ + αm). Dieses Theorem gilt für jeden Punkt des Segels. Ein kleines β bedeutet einen hohen Wirkungsgrad und ein Potenzial für eine hohe Geschwindigkeit. Mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit wird β kleiner; bei Segelschiffen mit wirksamen Unterwasserfolien wird der Widerstandswinkel des Rumpfes, λ, mit zunehmender Geschwindigkeit kleiner, bei Tragflächenbooten wird er vernachlässigbar und ist bei Eisbooten und Landseglern praktisch nicht vorhanden.
Grenzwert des scheinbaren WindwinkelsBearbeiten
Unter den idealen Bedingungen einer reibungsfreien Oberfläche und eines Profils, das Leistung entwickeln kann, gibt es keine theoretische Grenze für die Geschwindigkeit, die ein Segelboot außerhalb des Windes erreichen kann, wenn der scheinbare Windwinkel immer kleiner wird. In der Realität bilden sowohl die Segeleffizienz als auch die Reibung eine Obergrenze. Die Geschwindigkeit wird durch das Verhältnis zwischen der vom Segel entwickelten Leistung und dem Leistungsverlust durch verschiedene Formen des Luftwiderstands (z. B. Oberflächenwiderstand und aerodynamischer Widerstand) bestimmt. Im Idealfall ist ein kleineres Segel besser, da die Geschwindigkeit steigt. Leider schränkt ein kleines Segel die Fähigkeit eines Bootes – selbst eines Eisbootes – ein, auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die schneller als der Wind sind. Die wichtigste Geschwindigkeitsbegrenzung bei Hochleistungssegelbooten ist der Formwiderstand. Die Bemühungen, diese Grenze zu überwinden, zeigen sich in den stromlinienförmigen Rümpfen von Hochleistungseisbooten und in den Verbesserungen bei der Verringerung des Luftwiderstands von Gleitjollen. Ein schnelles Eisboot kann auf einem Kurs, der 135° vom Wind abweicht, einen scheinbaren Wind von 7,5° und eine Geschwindigkeit erreichen, die dem Sechsfachen der tatsächlichen Windgeschwindigkeit entspricht. Bethwaite schlägt vor, dass dies eine praktische Grenze für ein mit Segeln angetriebenes Boot sein könnte.
SegelpunkteBearbeiten
Die Segelpunkte, an denen Hochleistungssegelboote die höchsten Geschwindigkeiten erreichen können, und die beste Geschwindigkeit, die auf einer Kursspanne zwischen einem Beam Reach (90° zum wahren Wind) und einem Broad Reach (etwa 135° vom wahren Wind entfernt) erreicht wird. Nach Bethwaite, der Vergleichsmessungen bei einem wahren Wind von 15 Knoten (28 km/h; 17 mph) durchgeführt hat, kann eine Verdränger-Soling Geschwindigkeiten erreichen, die etwas über dem wahren Wind liegen und 30° vom scheinbaren Wind entfernt segeln, während ein gleitendes 18-Fuß-Skiff bei einem scheinbaren Wind von 20° Geschwindigkeiten von fast 30 Knoten (56 km/h; 35 mph) und ein Eisboot bei einem scheinbaren Wind von 8° 67 Knoten (124 km/h; 77 mph) erreichen kann.
Beim Segeln mit scheinbarem Wind besteht das Ziel darin, den scheinbaren Wind auf dem gesegelten Kurs so weit wie möglich vorne zu halten, um den schnellsten Kurs zum Ziel zu erreichen. Dies erfordert ein Boot, das sowohl in Luv als auch in Lee die wahre Windgeschwindigkeit übertreffen kann, damit der scheinbare Wind auf den gesegelten Kursen, von denen die schnellsten Strecken sind, weit vor dem Segel bleiben kann. Zu vermeiden ist ein zu weiter Vorwindkurs, bei dem der scheinbare Wind hinter dem Segel zurückbleibt und die Geschwindigkeit unter die wahre Windgeschwindigkeit sinkt, wenn der Kurs von einer weiten Reach zu einem Quadrat (toter Vorwind) tendiert.
UpwindEdit
Abhängig vom gesegelten Boot kann der gut in den Wind gebrachte Kurs von seinem engsten Punkt weg in den Wind tendieren, damit das Boot mit optimaler Geschwindigkeit segeln kann. Bethwaite erklärt, dass beim Hochgeschwindigkeitssegeln sowohl die Pinne als auch die Großschot unabhängig voneinander betätigt werden müssen, wobei die Person am Ruder nicht auf Böen reagiert, sondern stattdessen die Großschot je nach Bedarf lockert und so die Geschwindigkeit des Bootes gegenüber der früheren Technik, das Boot mehr in den Wind zu richten, erhöht.
Abseits des WindesEdit
Bethwaite zufolge erfordert das Segeln abseits des wahren Windes bei Geschwindigkeiten, die schneller als der Wind sind (mit dem scheinbaren Wind vor dem Segel), eine andere Reaktion auf Böen als früher. Während ein traditioneller Segler bei einer Böe reflexartig in den scheinbaren Wind hineinsteuert, ist die richtige Reaktion beim Segeln abseits des Windes und bei Geschwindigkeiten, die schneller als der wahre Wind sind, das Abdrehen von der Böe und das Ausweichen auf den Wind. Dies hat den doppelt positiven Effekt, dass die Krängung durch die Böe gemildert wird und das Boot noch schneller aus dem Wind segeln kann.