Physik des Segelns Alinghi - Physik des Segelns
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05 / Segeln ‐ Alinghi
Alinghi – Physik des Segelns
Lehrerinformation
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Kapitel 5
Physik des Segelns
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Arbeitsanleitung für die Lehrperson zum Schritt 05 der Lektion
Arbeitsauftrag • Die Schüler erarbeiten die Texte und erstellen je einen Kurzvortrag zu den vier
Kapiteln:
o Windströmung am Segel
o Die drei Winde
o Stabilität
o Segelmanöver
• Die Lehrperson verteilt die Experimentvorgabe und fordert die Schüler auf, das
Segelexperiment mit verschiedenen Segeln aufzubauen und zu vollziehen.
• Die Schüler führen ein einfaches Experiment zum Thema Windkraftwirkung auf
die Segel und messen Vortrieb und die finden die jeweils beste Segelstellung
heraus.
• Die Lösungen werden im Plenum besprochen.
• Die beste Lösung wird prämiert.
Ziel
• Vortrag halten
• Ein einfaches Experiment durchführen
• Varianten entwickeln
• Experiment‐Idee in die Praxis umsetzen
Material
Texte
Experimentvorgabe
Baumaterial (Physikunterricht, oder Behelfsmaterial aus dem Baugrossmarkt)
Sozialform
3‐4 Gruppen
Zeit
60‘ (mit Varianten)
Als erschwerte Aufgabe kann den Fortgeschrittenen, den Schnellen und Hellen folgende
Fragestellung mitgegeben werden:
Erkläre folgenden Zusammenhang:
Zusätzliche Segeln gegen den Wind:
Informationen:
Bei einem Boot mit zwei Segeln (Klüver und Hauptsegel), bewegt sich die Luft zwischen
dem Vorsegel und dem Hauptsegel schneller als hinter dem Hauptsegel, daher erfährt das
Segel eine Kraft fast senkrecht zum Wind!
Dies ergibt, kombiniert mit dem Bootskiel eine →Vorwärtsbewegung gegen den Wind!
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AB für Schüler, Informationen und Texte
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Aufgabe: Lest die Texte, Erarbeitet die Kurzvorträge, macht das Experiment.
Physik des Segelns
Antrieb eines Segelschiffes
Ein Segelschiff wird durch zwei Effekte
vorangetrieben: durch Winddruck auf das
Segel und durch Luftströmung um das
Segel.
In der Praxis überlagern sich meistens beide
Effekte, wobei je nach Kurs zum Wind der
eine oder der andere Teil überwiegt.
Beim fahrenden Schiff ist die Gegenkraft
zum Vortrieb im Wesentlichen der
Wasserwiderstand, der auf den
Schiffsrumpf wirkt.
Der hauptsächliche Vortrieb entsteht durch
die Übertragung des Winddruckes auf den
oder die segelführenden Mast(en), und die
Kraft überträgt sich wiederum auf den
Schiffsrumpf. Der Rumpf wird quasi
„mitgezogen“.
Winddruck auf das Segel
Trifft der Wind von hinten (auf Vorwindkurs)
oder von schräg hinten (auf Raumwindkurs)
auf das Segelschiff, erfolgt der Antrieb des
Segelschiffes durch den Widerstand, den die
Segel dem Wind entgegensetzen. Die Luftströmung wird dabei unterbrochen und der
Wind versucht, den Widerstand „wegzuschieben“. Diese Art des Vortriebs wird am
günstigsten durch die früher auf Grossseglern verwendeten Rahsegel genutzt. Moderne
Segelschiffe mit Schratsegeln sind nicht besonders gut für den Antrieb durch
Widerstand geeignet, da es den Schratsegeln besonders im oberen, wirksameren Bereich
an Segelfläche fehlt.
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Windströmung am Segel (Tragflächeneffekt)
Um gut kreuzen zu können (schräg gegen den
Wind fahren), sind Schratsegel von Vorteil.
Werden Schratsegel in einem bestimmten Winkel
(Anstellwinkel etwa 5° bis 30°) angeströmt,
funktionieren sie nach den gleichen Prinzipien wie
die Tragfläche eines Flugzeugs.
Die am Segel entlang streichende
Luft (1) wird abgelenkt (2) und
bewirkt dabei eine Kraft (3), die
etwa im ersten Drittel des Segels
wirkt und im wesentlichen
senkrecht zum Segel steht.
Sie ist das Resultat komplizierter
Vorgänge, denn die Wölbung (der
Bauch) des Segels bewirkt
komplexe Luft-Strömungen rund
um das Segel.
So kann das Boot schräg gegen den Wind segeln! Eigentlich müsste
diese Kraft (3), die auf das Segel trifft, über den Mast an dem es befestigt ist, das ganze
Boot zur Seite abdrängen.
Doch moderne Kiel-, Schwert- und Unterwasserkonstruktionen der Boote verhindern ein
Querabtreiben und zwingen das Segelboot in eine Richtung schräg nach vorn (Vortrieb)
gegen den Wind.
Entscheidend aber ist der Winkel zwischen Segel und Wind. Ist dieser Winkel zu
klein, beginnt das Segel zu flattern (killen). Ist der Winkel zu gross, entstehen Luftwirbel
und das Ganze funktioniert nicht mehr, der Vortrieb bricht zusammen. Durch laufendes
Einstellen des Segels (Straffen oder Lockern des Bauches und Verändern des Winkels),
dem Trimmen, wird die richtige Stellung des Segels zum Wind laufend optimal
eingestellt.
Die Segel
An das Material von Segeltuchen wird eine Reihe von Anforderungen gestellt: Es soll
luftundurchlässig, reissfest, formstabil, beständig gegen die UV-Strahlung und gegen
Seewasser sein, es soll eine geringe Wasseraufnahme aufweisen und leicht sein.
Segeltuche sollten auch leicht verarbeitbar und möglichst kostengünstig sein. Je nach
Verwendungszweck treten dabei unterschiedliche Auswahlkriterien in den Vordergrund:
Für den Antrieb eines kleinen Küstenfischerbootes ist etwa die Kostenfrage wichtiger, als
für ein Hochleistungs-Regattasegel.
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Die drei Winde…
Wahrer Wind
Als wahrer Wind wird in der Seefahrt die Windrichtung und
Windgeschwindigkeit des normalen Windes bezeichnet, wie sie
beispielsweise auf einem vor Anker liegenden Schiff gemessen
werden kann.
Liegt also ein Segelboot fest vor Anker, so zeigt die
Windfahne des Bootes die Richtung des wahren Windes an.
Fahrtwind
Fahrtwind ist der durch die Bewegung eines
Fahrzeugs oder Schiffes hervorgerufene „Gegenwind“.
Er kommt aus Sicht des Schiffes immer genau von
vorn. Bei Windstille gibt es nur den Fahrtwind zeigt
und gleichzeitiger Bewegung des Schiffes zeigt seine
Windfahne die Richtung des Fahrtwindes an.
Scheinbarer Wind
Es handelt sich um den auf dem fahrenden
Schiff wahrgenommenen Wind, der sich aus
dem wahren Wind und dem Fahrtwindes
(vektoriell, Dreieck aus beiden
Windrichtungen, Pfeillänge = Windstärke)
zusammensetzt.
Fahrzeuge mit Segelantrieb nutzen immer den
scheinbaren Wind. Bei einem Segelschiff
richtet sich die Stellung der Segel ebenfalls
nach dem scheinbaren Wind.
Segelfahrzeuge, die nur mit Rahsegeln ausgerüstet sind (meist
alte Schiffe), werden vom Wind „geschoben“ und können ihm
kaum entgegenfahren. – Segelfahrzeuge mit Schratsegeln
können im Gegensatz dazu auch (schräg) gegen den Wind fahren
und dabei Geschwindigkeiten erreichen, die über der
Windgeschwindigkeit liegen.
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Die Stabilität
Kiel einer Yacht
Eine wesentliche Aufgabe des Kiels oder Schwertes
besteht darin, dem seitlich wirkenden Winddruck auf
das Segel einen Widerstand unter Wasser
entgegenzusetzen, um die Abdrift nach der
windabgewandten Seite, nach Lee, zu verringern. Die
daraus resultierende Schräglage des Bootes wird als
Krängung bezeichnet.
Auch durch Seegang kann ein Boot in Krängung
versetzt werden. Unter der Stabilität eines Bootes wird
seine Fähigkeit, diese Krängung auszugleichen und
selbständig wieder in die aufrechte Lage
zurückzukehren, verstanden. Dies kann auf zwei
unterschiedliche Arten geschehen: einerseits durch die
Rumpfform des Bootes, die eine Rückkehr in die
Ausgangslage begünstigt, und andererseits durch einen
tief liegenden Gewichtskiel, der das Boot wieder in
die aufrechte Lage zwingt.
Yachten mit schwerem Kiel können nur unter sehr starkem Wind- und hohem
Seegang kentern. Im Gegensatz dazu kann ein durch seine Form stabiles Boot
(Katamaran oder Trimaran mit seiner grossen Breite) bei einer starken Schräglage
plötzlich rasch kentern. Mit dem Gewicht der Mannschaft an Bord, die sich auf die Seite
begibt, die „in die Luft geht“, kann ein gewisser Ausgleich erreicht werden (man nennt
dies auch einen Gewichtstrimm).
Segelmanöver
Das Drehen des Bootes mit dem Bug zur Windrichtung hin, nennt
man anluven. Die entgegengesetzte Bewegung, mit dem Bug vom
Wind weg, heisst abfallen. Eine Drehung der Bugspitze durch den
Wind hindurch, so dass der Wind nachher von der anderen Seite auf
das Segel trifft, nennt man Wende. Der entgegengesetzte Vorgang,
das Heck durch den Wind zu drehen, heisst Halse. Ein Ziel, das in
der Richtung liegt, aus der der Wind weht, erreicht man durch
Kreuzen, das Segeln schräg gegen den Wind schräg in Richtung des
Ziels mit regelmässigen Wenden.
Ein Aufschiesser ist der Vorgang, das Boot mit der Bugspitze
(vorne) in den Wind zu drehen. Nur so kann man das Segelschiff zum
Stehen zu bringen. Der Zustand ist allerdings nicht stabil, weil dabei
etwas rückwärts fährt und sich bald etwas dreht und dann schon bei
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leicht seitlichem Wind schnell rasch wieder Fahrt aufnimmt.
Beidrehen und Beiliegen bedeutet, dass man das Schiff fast quer zum Wind stellt, es
bewegt sich dann nur wenig vorwärts und ein wenig seitwärts.
Ein Mann-über-Bord-Manöver dient dazu, das Boot wieder zu einer über Bord
gegangenen Person zurückzubringen.
Segelführung
Bevor ein Segel genutzt werden kann, muss es
„angeschlagen“, das heisst am Rigg (Balken
unten am Segel) befestigt werden, falls es dort
nicht sowieso dauernd befestigt ist. Zum
Segeln muss dann das Segel „gesetzt“ (das
heisst meist hochgezogen) werden; am Ende
der Fahrt oder bei einem Segelwechsel wird es
wieder geborgen.
Zur Segelführung gehört weiterhin das Reffen:
Um bei starkem Wind oder Sturm die Krängung
des Bootes zu verringern, kann die dem Wind
ausgesetzte Fläche eines Segels verkleinert
werden. Lässt der Wind nach, kann das Segel
wieder ausgerefft, das heisst die Segelfläche
wieder vergrössert werden.
Ist bei weiter zunehmendem Wind die Segelfläche immer noch zu gross, müssen
spezielle Sturmsegel gesetzt werden (Sturmfock als Vorsegel und Trysegel anstelle des
Grosssegels) oder die Segel müssen ganz geborgen werden.
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Experimente mit allen 7 Windrichtigen bezogen auf das Boot
Baue ein Modell zur Erprobung der
Wind-Segel-Zusammenhänge!
Mit Hilfe eines Modellversuch sollen die
folgenden Fragestellungen untersucht
werden:
Welches ist bei welchem Windeinfall die
günstigste Segelstellung?
Wie wirken sich die Segelform und die
Segelwölbungen auf die vortreibende
Kraft aus?
Aufgabe:
1. Probiere die sieben Windstellungen aus und miss die maximale
Vortriebskraft bei optimaler Segelstellung
2. Teste verschiedene Segelformen (Rahsegel. Schratsegel) und verschiedene
Segeltuch-Materialien
Versuchsaufbau mit beweglichem Ventilator (wahrer Wind)
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Beschreibung des Versuchsaufbaus
Auf einer Metallfahrbahn steht ein Wagen, darauf ein an einem Holzrahmen
befestigtes Segel.
Ein Faden, der Segler würde ihn Schot nennen, ermöglicht es, dessen
Anstellwinkel zu verändern.
Der Rahmen ist 20 cm hoch und 15 cm breit.
Die Bahn lässt sich zum Nachstellen verschiedener Kurse in einem zum
Ventilator frei wählbaren Winkel aufstellen.
Sie wirkt so, wie der Kiel eines Segelschiffes: Der Wagen kann nur in zwei
Richtungen rollen, wobei allerdings auch keine Abtrift möglich ist.
Mit Hilfe eines Ventilators wird ein Luftstrom erzeugt: der ”Wind“, der über
das Segel den Wagen antreibt.
Dieser ist über einen Kraftmesser mit einem festen Punkt verbunden und
kann so den entstehenden Vortrieb anzeigen.
Als ”Segel“ werden Papierstücke mit Seitenlängen von 16 cm x 20 cm (im
Folgenden Segel 1genannt) und 20 cm x 20 cm (Segel 2) eingesetzt.
Sie sind also, da sie auf dem Rahmen mit 15 cm Breite kleben, in der
Waagerechten unterschiedlich gewölbt. Segel 1 hat an der tiefsten Stelle
2,5 cm Wölbung, Segel 2 ca. 6,8 cm.
• Erstelle zu den verschiedenen Messgrössen (Kraft, Segeltyp, Bester
Winkel etc. eine Messübersichtstabelle.
• Arbeitet in kleinen Gruppen.
• Vergleicht die Ergebnisse untereinander
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