Gewichtsverlagerung auf Booten — Krängen und (Ver-)Trimmen

[Heimfried]

So, jetzt ist die nächste Version da.
Man kann jetzt nicht nur Massen verschieben, sondern auch weitere Massen an Bord nehmen (Zustieg, Zuladung, Tanken usw.) oder von Bord schaffen (Leichtern, Ausstieg, Treibstoffverbrauch usw.).

Auch die Anzahl der "Knöppe" (Klickzellen) ist gewachsen.

Ich habe im Selbstversuch das zweistufige Öffnen der ZIP (vergleiche #24), die ich gestern abend gepostet habe, getestet. Das hat geklappt. (Falls nötig, Software dazu gibt es kostenlos unter http://www.7-zip.de .)

Hier die neue Version.

[Heimfried]

Der Erläuterungstext (#25) ist um Folgendes erweitert:

Zuladen/Leichtern
Massen, die man der Bootsmasse hinzufügt oder von ihr wegnimmt, werden in die Zellen N29 bis N33 eingetragen. Die Koordinaten es(x), es(y) und es(z) müssen jetzt in Bezug auf den vorhandenen Massenschwerpunkt angegeben werden (der wird in B29 bis B31 angezeigt). Wenn also eine weitere Person (80 kg) auf das Boot kommt und hinten in der Plicht steht, ist ihre Position in Bootskoordinaten z.B. m1(x) = 450 mm, m1(y) = 700 mm, m1(z) = 1.300 mm. In jeder Koordinatenrichtung wird jetzt von der Position der Masse m1 die entsprechende Schwerpunktskoodinate abgezogen, damit ergibt sich das jeweilige es.
es(x) ist gleich m1(x) - LCG1 = 450 - 2573 = -2123 (Der Wert von LCG1 steht in B29.)
es(y) = m1(y) - TCG1 = 700 - 0 = 700
es(z) = m1(z) -VCG1 = 1300 - 900 = 400
m1 = 80

Wenn die Werte eingetragen sind, wird die Zelle N36 "hinzufügen" angeklickt. Die sich aus der Zuladung ergebenden Differenzen werden jetzt zu den Werten LCG1 usw.

Aufpassen: wenn man bei einem bestimmten Werte-Satz "hinzufügen" klickt und dann gleich wieder "wegnehmen", hat man nicht den gleichen Zustand wie vorher. Das hat einfach den Grund, dass sich natürlich nach dem ersten Klicken der Schwerpunkt verschoben hat und für eine genaue Zurücknahme erst die neuen Abstände es(x) usw. berechnet werden müssten.

Solche Lade- und Entladevorgänge können mehrfach durchgeführt werden. Es ist auch möglich, Masse genau in den Schwerpunkt zu laden (es(x) = es(y) = es(z) = 0) oder von dort herauszunehmen. Was zu einer Änderung des Displacements führt.


Noch etwas Generelles: das Verfahren beruht auf numerischer Integration und Iteration. Iteration bedeutet, dass der Computer nach gewissen Vorgaben Probe-Werte in die Rechnungen einsetzt und dann die errechneten Zwischen-Ergebnisse wieder benutzt, um bessere Probewerte einzusetzen. Hier werden in vielen Rechenläufen drei Größen bestimmt, die sich allesamt gegenseitig beeinflussen. Etwas anschaulicher: wenn der Rechner einen neuen (verbesserten) Trimmwinkel einsetzt, verändert er damit auch das Displacement und (ganz wenig) auch die Krängung. Mindestens der Tiefgang muss korrigiert werden, damit das Displacement wieder (annähernd) stimmt, damit ist aber die Auswirkung des neuen Trimmwinkeln wieder verändert usw,. usw.
Es kommen also bei gleichen Vorgaben durchaus geringfügig verschiedene Ergebnisse heraus. Aber Unterschiede in Hundertstel-Graden sind für die Bootspraxis nicht bewegend. (Ohnehin ist die Anzeige-Genauigkeit nur deshalb relativ groß eingestellt, damit man sieht, das bei der Iteration was passiert. Der größte Teil der Rechnerei wäre unsichtbar, wenn ich die Anzeige praxisgerecht runden würde.)


Der ganze Text als pdf anbei.

[Heimfried]

Um zu testen, wie meine Schwimmlage-Berechnungs-Mappe läuft, ist es ja angebracht, das mit einer Reihe verschiedener Rumpfformen zu testen.

(Am Anfang der Berechnungen stand ja der "Backstein" (quaderförmiger Schwimmkörper, einfachster Ponton). Dann kam die "Like", die immerhin einen gebogenen Boden hatte, dann ein über den Daumen gepeiltes gerechnetes Boots-Profil und später Boote von George Buehler, einfach, weil ich dessen Buch habe, in dem die Offset-Tables stehen.)

Da ich mit Freeship bisher nicht zurechtkomme, habe ich ein schlichteres Programm probiert, über das ich neulich gestolpert bin: CARENE2008.

Das kann man hier kostenlos downloaden: http://www.epoxy-resins.co.uk/Carene2013/carene.htm .

In Carene kann man mit relativ wenigen Zahleneingaben Bootsrümpfe zeichnen lassen. Der für mich wichtige Punkt ist, dass das Programm Linien und Schnitte als Textdateien exportiert. Die Dateien kann ich wieder in Excel einlesen, bearbeiten und damit dann die Rumpfformate so schreiben, dass sie von meiner Excel-Mappe "Krängung ..." verarbeitet werden können.

[Heimfried]

Zur Illustration habe ich unten Bilder angefügt.
Zu sehen ist erstens die Darstellung in Carene (die Darstellung ist nicht maßstabsgerecht, die Länge ist gestaucht, das kann man auch anhand der wenigen, eingezeichneten Maße sehen).

Dann noch zwei Excel-Diagramme (Quasi-Längsriss und Quasi-Spantrisse). Das "Quasi" bezieht sich darauf, dass diese Darstellungen ebenfalls verzerrt sind und natürlich auch nicht der Konstruktion dienen. Es geht darum, anhand der grafischen Darstellung herauszufinden, ob die errechneten Werte plausibel sind, die Bootsform stimmt, die Linien straken usw. Es ist also eine gewisse graphische Kontrolle des Ergebnisses. (In den schier endlosen Zahlenkolonnen auf dem Rechenblatt, welche die Rumpfform beschreiben, kann man etwaige Fehler kaum finden.)

[Heimfried]

Beigefügt die (notwendigerweise) doppelt gepackte Excel-Mappe mit dem oben beschriebenen Bootsrumpf.

(Gründe und Verfahren der doppelten Packung (7-zip und ZIP) habe ich oben in #24 beschrieben.)

[Heimfried]

Ich habe die ganze Geschichte auf eine Website umgesetzt.
Das ist noch in mancherlei Hinsicht unvollständig und unvollkommen.
Aber man kann damit schon spielen.

Anmerkung: wenn man einen Wert in ein Eingabefenster geschrieben hat, kann man die Eingabe nicht mit Return/Enter abschicken. Man muss den zugehörigen Button anklicken. (Oder mit der Tab-Taste den Button anwählen und dann Return/Enter betätigen.)

Die Pixelgrafik sieht recht primitiv aus. Aber das ist keine simple Pi-mal-Daumen-Darstellung, sondern dahinter steht die Berechnung eines Bootsrumpfes, der rechnerisch in über 187.000 Teilvolumina ("Stifte") zerlegt wurde. Und für jeden Stift wird Auftriebsmoment usw. berechnet.

[Heimfried]

Ach ja, der Link fehlt noch:

http://www.bootsphysik.de/

oder direkt:
http://www.bootsphysik.de/rechner/boot.php

Sicherlich gibt es noch Bugs, für entsprechende Hinweise bin ich dankbar.

Fragen beantworte ich natürlich gern.

(Geöffnet habe ich die Seite auch gerade, das hatte ich vergessen, sorry.)

[Heimfried]

Ein paar Worte zur Handhabung:

Ganz oben rechts ist ein Button, der auf Klick einen bootsbautypischen Riss des Rumpfes zeigt, damit man eine bessere Vorstellung von der Rumpfform bekommt, als das die beiden Schnitte auf der Rechnerseite zeigen.

Im oberen Teil der rechten Spalte sind Eingabefelder für die Krängungswinkel und Trimmwinkel, darunter der Button, der zur Auswertung der eingegebenen Winkel führt. Dargestellt wird dann ein Zustand im Ungleichgewicht. Das ist der Fall, wenn ein äußeres Moment (z. B. durch Wind) zur Schieflage führt. Am Tiefgang, der sich dabei in der Regel verändert, seht ihr, dass bei der Berechnung die Verdrängung stabil gehalten wird.

Mit dem Button darunter läßt sich die Ruhelage wieder herstellen.

Im zweiten Abschnitt der rechten Spalte kann man eine Massenverschiebung auf dem Boot eingeben. Beispielweise läuft der Skipper herum: 75 kg vom Steuerstand um 3000 mm nach vorn zum Festmachen (also in Längsrichtung). Man sieht dann, wie sich der Massenschwerpunkt des Bootes verschiebt. Mit dem Button unten rechts wird die Gleichgewichtsberechnung ausgelöst.

Manchmal schafft der Rechner das Gleichgewicht nicht beim ersten Mal, dann kann man den Gleichgewichtsbutton nochmal betätigen.

[chromofish]

Hi Günter,
die Webseite funktioniert perfekt! Super Umsetzung!!!

Bert

[Heimfried]

So, jetzt hat das Boot auch ein Deck.
Das ist nicht nur eine optische Frage, sondern greift auch in die Auftriebsberechnung ein.

Vorher reichte nämlich eine "rechnerische Verlängerung" des Bootsrumpfes von der Bordkante senkrecht unendlich weit nach oben, was bei kleineren Krängungen allerdings keinen Unterschied macht. Erst, wenn die Bordkante eintaucht, werden die Werte falsch.

Da man aber noch nicht kentert, wenn nur das Schandeck (teilweise) ins Wasser taucht, habe ich diese Erweiterung gemacht. Dazu war musste ich eine weitere Datei mit gut 180.000 Daten errechnen.

Die grafischen Lecks zwischen Deck und Bordwand haben keine Bedeutung, da läuft kein Wasser rein.

[Heimfried]

Die Entwicklung der Website schreitet langsam voran.

Genauer gesagt, die Entwicklung der Online-Rechner-Seite:
http://www.bootsphysik.de/rechner/boot.php .

Es gibt jetzt eine ganze Reihe Info-Buttons, die die Orientierung erleichtern sollen (Buttons, die nur ein i als Aufschrift haben).

Es wird auf Klicks hin abschnittsweise eine Hebelarmkurve erzeugt.

Man sieht dadurch, dass der Rumpf des Beispielbootes sehr stabil ist.

Wenn man allerdings den Massenschwerpunkt nach oben schiebt, ändert sich das sehr.

[Heimfried]

Die Website ist überarbeitet.

http://www.bootsphysik.de/rechner/boot.php

Die die Rumpf-Form-Dateien sind weniger umfangreich, daher haben sich die Antwortzeiten stark verringert.
(Ein paar Sekunden dauert es je nachdem immer noch, es stecken nach wie vor Millionen von iterativen Rechenschriten hinter einer Antwort.)

Leider habe ich nach wie vor nur einen Beispielrumpf im Angebot. Ich arbeite aber schon längere Zeit daran, Rumpfformen in das von der Website benötigte Format umzusetzen. Wenn das erstmal bewältigt ist, wird es wohl eine Reihe von Rümpfen zur Auswahl geben, damit man "Verhaltens-Vergleiche" anstellen kann.

[desertking]

Wow... ich wünschte ich könnte meine Daten schon eingeben. Die Realität ist allerdings erstmal zum richtigen Ausmessen zu kommen...

Danke dir hier für deine Hilfe

[simon-2]

wow, super Sache, gerade sowas web-kompatibel zu machen, Respekt!

kleine Anmerkung: Beim Spantenriss gehört der Bug nach rechts und das Heck nach links (wahrscheinlich nur ein Vorzeichen falsch)

[Heimfried]

Zitat von simon-2

kleine Anmerkung: Beim Spantenriss gehört der Bug nach rechts und das Heck nach links (wahrscheinlich nur ein Vorzeichen falsch)

Ist schon korrigiert, Danke für den Hinweis.

Der erste Korrekturversuch gerade eben brachte ein so schönes Ergebnis, dass ich euch das nicht vorenthalten will:

[Heimfried]

Zitat von desertking

Die Realität ist allerdings erstmal zum richtigen Ausmessen zu kommen...

Das wird schon werden, auch, wenn es dauert.

[desertking]

Dran bleiben ist die Devixe. Aber das ist Off Topic