Dynamischer Auftrieb des Kiels nach Luv?

[Tilo]

Ich fange hier mal einen neuen Thread an, obwohl der Anstoß woanders steht. Es geht um das hier:

Zitat von haegar

Hi,

Sorry, aber das ist ein Irrtum. Diese Aussage ist nur im Stand richtig. Ein moderner "untergebolzter" schmaler aber tiefgehender Kiel hat zwar kaum seitlichen Widerstand - deshalb driften moderne Konstruktionen ohne Fahrt so stark seitlich weg - beim Höhe Laufen entwickeln diese Flossen aber einen erheblichen dynamischen Auftrieb, mit dem kein Langkieler mithalten kann.

Ich habe selber die Erfahrung z.B. auf einer Faurby 393 (obwohl auch schon etwas betagt) gemacht , dass auf der Kreuz keine messbare Abdrift auftrat, sehr gut optimierte Konstruktionen können durch den dynamischen Auftrieb des Kiels zumindest unter Idealbedingungen sogar Weg nach Luv gut machen!

Ein Kiel ist unter Wasser ähnlich wie das Segel über Wasser und ist im übertragenen Sinne auch nur so was wie eine Flugzeugtragfläche. Profil, Anströmung und Streckung sind damit die wesentlichen Parameter für die Wirksamkeit. Da kann kein klassischer Langkieler, auch wenn er unbestreitbare (andere) Vorteile hat, auf der Kreuz mithalten.

Also ich habe aus dem Physikunterricht behalten, dass es ein asymmetrisches Profil braucht, um Auftrieb bei Anströmung zu erzeugen. Wie bei den Flugzeugtragflächen und Segeln. Nun sind die Profile der Kiele, die ich kenne, aber mehr oder weniger symmetrisch. Wie können die denn nun einen Auftrieb nach Luv erzeugen??? Oder zumindest eine Abtrift völlig verhindern?

Ein grübelnder Tilo

[avivendi]

moin tilo,
im prinzip ist das schon richtig, nur ist das nicht alles. selbst ein brett entwickelt auftrieb, wenn es den richtigen anstellwinkel zur strömung hat. vom flugmodellbau kenne ich noch symmetrische profile, gerade auch bei kunstfliegern. und die fallen jedenfalls nicht durch auftriebsmangel runter
beim segeln hat man in den siebziegern versucht, den "auftrieb" des kiels durch trimmklappen zu erhöhen, welchen praktischen sinn es gemacht hat, kann ich nicht sagen, es gibt sie jedenfalls nicht mehr.
auch munkelt man, dass zumindes bei einem langkieler ein leicht nach lee gelegtes ruder die lateralfläche wirkungsvoller macht, kann ich aus eigener erfahrung so nicht bestätigen.

[haegar]

Hi,
1.) wie avivendi richtig bemerkte, entwickelt auch ein Brett Auftrieb, wenn es richtig angeströmt wird. Das mit dem asymmetrischen Profil ist eine einfache Plausibilitätserklärung, die, obwohl sie eigentlich völlig falsch ist, nicht totzukriegen ist. Auftrieb entsteht tatsächlich durch eine Zirkulationsströmung, die letztendlich durch die Zähigkeit des umströmenden Mediums ausgelöst wird, und nicht durch "unterschiedlich lange Wege auf der Ober- und Unterseite". Nur deshalb entwickelt ein Segel Auftrieb (das ist ja beliebig dünn, und somit dürfte nach den gängigen Plausibilitätsbetrachtungen eigentlich kein Auftrieb entstehen. Hier gibt es ja gar keine "gerade" Unterseite!) und deshalb entwickelt auch ein symmetrisches Profil Auftrieb (manche Flugzeuge können ja auch auf dem Rücken fliegen!)

2.) Das System Kiel/Ruderblatt unter Wasser verhält sich ähnlich, wie das System Vorsegel/Großsegel über Wasser und ebenso vergleichbar zu zwei Booten im Luvkampf. Es gibt dabei immer ein gemeinsames Strömungssystem. Bei Anströmung schräg von vorn befindet sich der Kiel quasi in der der sicheren Leeposition aus Sicht des Ruderblattes und wird dadurch raumer und schneller angeströmt, als ohne Ruderblatt (gilt genauso für Fock und Groß bzw. zwei Boote im Luvkampf!) Beide Flächen zusammen bilden ein gemeinsames Profil, dessen Profiltiefe durch den Anstellwinkel des Ruderblattes bestimmt wird. Eine leichte Luvgierigkeit und damit ein Anstellwinkel des Ruderblattes nach Lee ist somit nötig, um ein tiefes (=kraftvolles) Profil der Unterwasseranhänge zu erzeugen, um den dynamischen Auftrieb so groß wie möglich zu machen. Damit landet man dann übrigens wieder beim asymmetrischen Profil, aber aus ganz anderen Gründen als in der einfachen Plausibilitätsbetrachtung.

Gut und etwas ausführlicher beschrieben ist das Ganze im Buch "Das Segel" von Tom Whidden.

[stef0599]

In dem anliegenden Bildchen wird es vielleicht deutlich, wie das Profil wirkt. Der Trick dürfte sein, die Flächen derart zu berechnen, das der Unterdruck stärker ist als der Druck der auftreffenden Wassermassen. Oder lieg ich völlig falsch ?

[avivendi]

so, stef,
und genau da liegt der hase im pfeffer: natürlich kannst du die flächen für optimale anströmung berechnen, oder dir ein passendes nacra- profil raussuchen. aber eben nur für einen bug, auf dem anderen bug entsprechend, und wenn du die profile zusammenbastelst, hast du automatisch ein symmetrisches profil.
das einzige systemteil, was sich verändert und damit den auftrieb in eine richtung lenken kann, ist das ruder (oder eine trimmklappe am kiel). vergleiche das mal mit den flaps am tragflügel.

[Thomas_DE37cr]

Zitat von avivendi

moin tilo,
im prinzip ist das schon richtig, nur ist das nicht alles. selbst ein brett entwickelt auftrieb, wenn es den richtigen anstellwinkel zur strömung hat. vom flugmodellbau kenne ich noch symmetrische profile, gerade auch bei kunstfliegern. und die fallen jedenfalls nicht durch auftriebsmangel runter

Hallo Tilo, Kollegen

auch in der Aerodynamik gibt es ja das "kritische Profil"; das nähert sich extrem dem total symmetrischen. Es ist dabei zu beachten, dass je asymmetrisch das Profil ist, umso kleiner ist die Anforderung an die Strömungsgeschwindigkeit. Dies gilt insbesonder in der Aerodynamik. Deshalb hatten die ursprünglichen Segelflugzeuge start gewölbte, tiefe Profile. Heute findet man bei den modernen "Orchideen" beinahe schon die "kritischen, symmetrischen" Profile, wegen der gesuchten Geschwindigkeit! Damit diese Flugzeuge hohe Geschwindigkeiten und damit Anströmung erreichen, tanken die ja sogar bis zu 300 kg Wasserballast. Mit dem Vorflügel oder den Wölbklappen wird dann für den Langsamflug das Profil wieder tiefer, sprich asymmetrisch gestaltet... Reicht das als Erklärung auch für die Frage nach dem Kielprofil ??

Gruss aus dem Alinghi-Land.. ein ehemaliger Segelflieger
Thomas

[stef0599]

@ avi: Im Prinzip verstehe ich Deine Ausführungen schon, aber

es soll auch Boote geben, die gradeaus fahren, wenn man das Ruder loslässt. ( z.B. unseres wenns gut getrimmt ist ). Ohne Abdrift oder nur minimaler. Und das kann nur funktionieren, wenn sich auch unter Wasser die Kräfte nach obigen Bildchen ausgleichen resp. die der Segel aufheben.

[avivendi]

aber wie will ich das auf dem wasser nachvollziehen? das geradeausfahren wäre ja weniger der punkt, aber die anströmung, die du ja eigentlich nur erhälst, wenn der dampfer insgesamt sagen wir einfach: ein paar grad abweichung zwischen kurs durchs wasser und kurs über grund herbeigeführt werden können. und wenn ich es könnte, wie gross wäre denn der anströmwinkel, bevor die strömung abreisst, und der auftrieb in sich zusammenfällt?
oder eben über das angestellte ruder (siehe oben/klappen).
so, und da weiss ich eben nicht, ob die graue theorie tatsächlich auch in der praxis so aussieht, das das schiff "nach luv gezogen wird"
wie gesagt, die idee ist nicht neu, in den siebzigern gab es segler mit trimmklappen. vielleicht gibt es sie deshalb nicht mehr, weil irgendeine formel sie wieder bestraft hat? aber dies ist imho die einzige reelle methode das kielprofil asymmetrisch zu gestalten

[Thomas_DE37cr]

Zitat von Tilo

Also ich habe aus dem Physikunterricht behalten, dass es ein asymmetrisches Profil braucht, um Auftrieb bei Anströmung zu erzeugen. Wie bei den Flugzeugtragflächen und Segeln. Nun sind die Profile der Kiele, die ich kenne, aber mehr oder weniger symmetrisch. Wie können die denn nun einen Auftrieb nach Luv erzeugen??? Oder zumindest eine Abtrift völlig verhindern?

Ein grübelnder Tilo

Hallo Kollegen

der Vergleich mit einem Flügel bringt bei einer Segelyacht eigentlich nicht viel, bloss theoretisch kann das beigezogen werden. Eine Yacht braucht an der Kreuz alleine deshalb schon ein symmetrisches Profil des Kiels, weil sie ja BB + StB etwa gleich oft unterwegs ist. Ein Flugzeug fliegt ja nicht 50 : 50 auf dem Rücken/Bauch ??

Je höhere Geschwindigkeit eine Yacht läuft, desto kleiner ist die seitliche Abdrift. Die ergibt sich aber nicht aus der Symmetrie der Kielform, sondern aus dem Dreieck der involvierten Kräfte. Krängungsdruck ist dabei der wesentlichste Faktor.

Ein Langkieler hat eine viel grössere Lateralfläche, die dem Krängungsdruck entgegensteht. Daher auch die Geradausstabilität. Aber ein Kurzkiel hat dafür weniger benetzte Fläche und höhere Geschwindigkeit und durch die höhere Anströmungsgeschwindigkeit i.d.R. auch bessere Amwindmöglichkeit...

Je schmaler das Querprofil des Kiel im Längsschnitt ist (AC-Yachten) desto höher ist auch die Kreuzeigenschaft. (Alinghi SUI-64 z.B. bis < 30 Grad am Wind ! Dafür aber ist auch der Tiefgang des Kiels wichtig. Mir erklärte einer aus dem Alinhi-Team, dass damit ein hydrodynamisches "Gleichgewicht" zum aerodynamischen Segelprofil gesucht werde und entstehe. Das Kielprofil im Verhältnis zum Segelprofil sei äussersts kompliziert zu berechnendes Problem.

Habe schon etwas Mühe mit dem Verständnis, nur bin ich beruhigt, das offenbar Rolf Vrolijk und seine Kollegen da auch noch nicht am Ende der Weisheit sind
Gruss
Thomas

[haegar]

Hi,
alle Bildchen die mit schrägem Auftreffen und daraus resultierendem Überdruck/Unterdruck argumentieren erklären das wirklich Leben nur teilweise. Es entsteht tatsächlich eine der linearen Anströmung überlagerte Zirkularströmung um das Profil, die auf der Leeseite die Strömung beschleunigt und sie auf der Luvseite abbremst. Dadurch und nur dadurch entsteht der Druckunterschied (Auftrieb).

Diese Zirkularströmung führt nun dazu, dass die Luft oder das Wasser schon vor dem Segel oder Kiel "merkt", dass das Schiff kommt (Upwash). Das Profil wird also raumer angeströmt, als es der tatsächlichen Richtung des scheinbaren Windes bzw. der Fahrtrichtung durch's Wasser entspricht. Wenn man jetzt das Gesamtsystem gut optimiert und vielleicht auch noch Trimmklappen einbezieht (haben die IACC-Yachten!), kann man sich leicht vorstellen, dass es tatsächlich eine Versetzung nach Luv geben kann.

Wer das mit der Zirkkularströmung nicht glaubt: Füllt eine Badewanne halb voll Wasser, streut fein gemahlenen Pfeffer oder so etwas auf die Oberfläche und nehmt ein Stück Karton von einer Milchtüte o.ä.. Biegt den KArton wie ein Segel, taucht ihn vorsichtig halb ein, zieht ihn durchs Wasser und nehmt ihn am Ende der Badewanne ohne erst zu stoppen ruckartig nach oben wieder raus. Es bleiben zwei Wirbel im Wasser übrig. Der sog. Anfahrwirbel, der im Moment des Losfahrens vom Profil "davonschwimmt" (dieser Anfahrwirbel setzt die Zirkulationsströmung in gang gemäß dem Grundprinzip Actio=Reactio) und ein großer Wirbel an der Stelle, wo ihr das Profil wieder aus dem Wasser gezogen habt. Das ist genau die Zirkulationsströmung um ein Segel oder um den Kiel.

[Tilo]

Danke, das Bild mit und von der Zirkularströmung macht es mir klar:

auf der Leeseite (des Wassers = Luvseite des Windes) wird die Strömung beschleunigt, auf der Luvseite (des Wassers = Leeseite des Windes) wird sie gebremst.

Nach Bernoulli wird durch höhere Strömungsgeschwindigkeit ein Unterdruck erzeugt und umgekehrt. Dadurch entsteht eine in Lee-Richtung des Wassers (= Luv-Seite des Windes) gerichtete Kraft.

Richtig so?

Dann habe ich es verstanden (und wieder etwas gelernt).

Danke.

Gruß
Tilo

PS: Könnte man dann nicht mit einem zusätzlichen Steckschwertsystem mit 2 unterschiedlichen asymmetrischen Profilen (je nach Bug) diesen Effekt verstärken? Anstelle der Trimmklappen? Und den eigentlichen Kiel nur zur Aufnahme der Ballastbombe verwenden?

[haegar]

Hi, Tilo,

ja, richtig verstanden !

Das mit den Steckschwertern macht man z.T. bei Schwenkkielern so. Da dient das Kiel nur noch als Ballastträger, wird aber nicht mehr als Lateralfläche genutzt. Bei großen Schwenkwinkeln bleibt ja auch kaum noch wirksame Fläche übrig. Statt dessen gibt es entweder derartige Steckschwerter, die wahrscheinlich asymmetrisch profiliert sind (weiss ich nicht mit Sicherheit, nehme es aber an) oder aber mit einen zweiten Ruder vor dem Kiel (CBTF - Canting Ballast Twin Foil), das bei Geradeausfahrt etwas angestellt wird, um mehr Auftrieb zu erzeugen. Auch hier wirken die beiden Ruder zusammen, um den notwendigen UW-Auftrieb zu erzeugen.
Bei Kurvenfahrten wird es gegengleich zum normalen Ruder gelegt.

[moskito]

in dem Zusammenhang der angeströmten Flächen...die vor der Anströmkante befindliche Luftströmung wird doch im englischen "upwash" genannt oder
wie heisst das eigentlich in Deutsch???

[avivendi]

...nicht ganz!
als "upwash" wird der teil der luftströmung genannt, der im vorderen teil des profils seine richtung nach "oben" (also zum höchsten punkt des profils) ändert. aufwärts halt.
logischerweise geht es danach "abwärts". den weg/richtung des abwärts laufenden luftstroms (zur abrisskante "achterliek") nennt man demnach "downwash".

[moskito]

Zitat von avivendi

...nicht ganz!
als "upwash" wird der teil der luftströmung genannt, der im vorderen teil des profils seine richtung nach "oben" (also zum höchsten punkt des profils) ändert. aufwärts halt.
logischerweise geht es danach "abwärts". den weg/richtung des abwärts laufenden luftstroms (zur abrisskante "achterliek") nennt man demnach "downwash".

ok..aber ..gibt es da ein deutsches Wort für ???
upwash ist ja nicht Auftrieb, das ist der lift ....aber "upwash"
"Anströmung"??

[avivendi]

so richtig "aufwärts" ist es ja eigentlich nur am flügel, im segel siehts schon wieder anders aus. mit auftrieb ist da direkt nix, sonder bezeichnet ja nur die umlenkung der luftströmung auf das erste profildrittel.
ma kucken, ob ich was finde...

[avivendi]

was gefunden http://www.flugtheorie.de/

[moskito]

Zitat von avivendi

...nicht ganz!
als "upwash" wird der teil der luftströmung genannt, der im vorderen teil des profils seine richtung nach "oben" (also zum höchsten punkt des profils) ändert. aufwärts halt.
logischerweise geht es danach "abwärts". den weg/richtung des abwärts laufenden luftstroms (zur abrisskante "achterliek") nennt man demnach "downwash".

ja also ich bleibe wohl beim upwash, das ist der gebräuchliche Ausdruck für die strömungsänderung, übrigens..in dem Badewannenversuch kann man schön sehen, dass der upwash schon vor dem angeströmten Profil anfängt, so, als ob die Luft/Wasser wüsste, dass da der Flügel/Profil angefahren kommt und schon mal die Richtung ändert.
Und dass die Luft/Wasser um das Profil zirkuliert, kann man dabei auch schön beobachten, aber das hat ja der Vorgänger gesagt.

Mit der Theorie lässt sich jedenfalls das Zusammenwirken von Vor und Hauptsegel richtiger erklären, als mit der alten "Venturi"-Theorie.
der angegebene link ist auch gut zum Nachschlagen

[haegar]

Zitat von avivendi

...nicht ganz!
als "upwash" wird der teil der luftströmung genannt, der im vorderen teil des profils seine richtung nach "oben" (also zum höchsten punkt des profils) ändert. aufwärts halt.
logischerweise geht es danach "abwärts". den weg/richtung des abwärts laufenden luftstroms (zur abrisskante "achterliek") nennt man demnach "downwash".

Hi,
der Upwash macht sich aber tatsächlich schon deutlich vor dem Flügel, Segel oder Kiel bemerkbar. Hast Du zwei Boote im Luvkampf, so befindet sich das vordere/leewärtige (sichere Leeposition) im Upwash des hinteren/luvwärtigen und segelt somit in einer raumeren und schnelleren Luftströmung. Das gilt ebenso für Goß und Fock bzw. Ruder und Kiel und führt dazu, dass die sog. Düse ja gar keine ist, weil der größte Teil der Luft, die angeblich durch die Düse muss, in Wahrheit schon vor der Fock auf die Leeseite geleitet wird.

Den Upwash kann man übrigens bei dem von mir mal angesprochenen Badewannenexperiment sehr schön sichtbar machen.

Der entsprechende Downwash an der Hinterkante ist Voraussetzung dafür, dass überhaupt der Auftrieb entstehen kann. Ohne Downwash keine effektive Beeinflussung der das Segel umgeben Luft und auch kein Auftrieb! Ein Tragflügel, der so angestellt ist, dass er keinen Downwash erzeugt, liefert auch keinen Auftrieb!

Deutsche Bezeichnungen dafür kenne ich übrigens auch nicht.

Der Link ist sehr interessant, muss ich mir mal in Ruhe reinziehen. Ich finde die Passagen, die ich bisher gelesen habe, aber für einen Laien schwer verständlich geschrieben.

[moskito]

nicht nur ür die Regattasegler...
Zu der Aerodynamik (und unter Wasser auch er Hydrodynamik) habe ich noch ein paar Zahlen gefunden, nur als Anhaltspunkt aber zum praktischen Segeln schon brauchbar.
Damit das segel zu arbeiten anfängt, egal ob bei der wende oder beim ersten Anstellen, muss erst diese „Zirkulation“ sich aufbauen (Badewannenversuch) Um für ein 40 ft Boot (nach Tom Whidden mein „Spezi“ für solche Fragen) 85% des „stabilen Lift“ also des wirksamen Auftriebs zu erreichen braucht es 6 sek. bei 20kts Wind, 12 sek. bei 10kts und 24 sek bei 5 kts., deshalb sind die guten Segler ja auch bei leichtem Wind soviel besser als die Anderen

[Muckymu]

Beisst sich bei dem Kielprofiel nicht die Katze in den Schwanz?

ein Tragflächenprofil mit Wirkrichtung Luf würde zwar mehr Höhe bringen, aber auch mehr Lage.
Nach Lee das ganze umgekehrt.

[avivendi]

und da sich die katze in den schwanz beisst, gibt es dieses profil auch nicht!
der kiel ist immer symmetrisch! einzige chance wäre ihn nach luv gegen die strömung anzustellen, um auftrieb nach luv zu entwickeln.
also im prinzip ein "drehkiel"

[Tintenfisch]

habt Ihr Euch schon mal über die asymetrischen Kimmkiele á la Reinke informiert? Da gibt es Auftrieb nach Luv!

[haegar]

Hi, Tintenfisch,
Kimmkiele, Steckschwerter bei Canting Keel Booten oder asymmetrische Rümpfe bei den Hobies funktionieren deshalb, weil das luvwärtige nicht so tief im Wasser oder ganz rausgezogen ist oder aber, wie beim Kimmkiel schräg nach außen steht. D.h. die projizierte Fläche des Leekiels ist beim Lageschieben deutlich größer als die des Luvkiels. Damit ist der gewünschte Effekt auch wieder da.