Geradeauslauf eines Bootes (laminare oder turbulente Strömung und andere Fragen)

[Heimfried]

Die Diskussion zu diesem Thema ergab sich am Rande eines Bautheads:
https://www.boote-forum.de/showthrea...9&#post4410269

Ich zitiere mal aus dem letzten Beitrag dort, weil ich darauf eingehen will:

"Ich hatte den Effekt mit meinem Doppel-Kajak (s. dieses #11):
Allein nur hinten gefahren -> kein Problem volle Fahrt möglich ohne dass das Boot ausbrach.
Zu zweit, langsame Fahrt: auch kein Problem!
Aber sowie wir zu zweit über eine kritische Geschwindigkeit hinauskamen, brach das Heck aus, mal zur einen mal zur andere Seite. Und es war gefühlt nicht die Geschwindigkeit, die ich, allein gefahren, erreicht hatte.
Mit dem in Kielrichtung eingetauchten Paddel konnte man das während der Fahrt ausgleichen bzw. abfangen, war aber natürlich grundsätzlich unerwünscht und Kräfte zehrend.
Mit eine Finne konnte man dieses Verhalten gut dauerhaft korrigieren.

Meine Erklärung dazu ist, dass ab einer kritischen Geschwindigkeit die Turbulenzen - nennen wir sie lieber "Verwirbelungen", um kein Vokabel-Hickhack zu bekommen - am Heck so groß werden, dass das Heck mal re. mal li. ausbricht, je nachdem an welcher Seite die größeren Verwirbelungen am Heck zerren.
Durch eine Finne wird diese kritische Geschwindigkeit angehoben, weil dann die Verwirbelungen für einen weiteren Geschwindigkeitsbereich eingegrenzt werden und das Wasser laminarer - auch hier besser: linearer - verlaufen und somit die Seitenkräfte, die für das Ausbrechen des Heck ausschlaggebend sind, erst bei größerer Geschwindigkeit gewinnen."

Ich habe nur sehr bescheidene Kenntnisse im Bereich Hydrodynamik. Allerdings meine ich, dass das begriffliche Ausweichen auf "Verwirbelungen" statt "Turbulenzen" und "lineare" statt "laminare" Strömung an der Problemstellung nichts verändert und auch nicht wirklich etwas zur Erklärung beiträgt. Turbulenzen sind weitgehend chaotisch, ich kann also z. B. zwar mit der Reynoldszahl berechnen, dass eine turbulente Strömung vorliegt, kann aber über Anzahl, Größe, Lage und Drehsinn der Wirbel nichts sagen.

Die Erfahrungen (Ausbrechen des Hecks versus ruhiger Lauf mit Finne), die du schilderst, würde ich nicht in erster Linie auf Turbulenzen (bzw. deren Beruhigung durch eine Finne) zurückführen. Du erhöhst ja mit einer Finne die Lateralfläche achtern recht deutlich und damit auch den Widerstand des Bootes gegen eine Drehung um die Hochachse. Vielleicht ähnlich ist die Lage bei deiner Alleinfahrt im Zweisitzer. Der gewichtsmäßig fehlende Vordermann führt dazu, dass das Heck deutlich tiefer eintaucht und also wieder die achterliche Lateralfläche erhöht.


https://www.boote-forum.de/showthrea...1&#post4410911

[Tippe]

Nach deiner Beschreibung müsste dann das Verhalten auch bei Stillstand auftreten, war aber nicht der Fall.
Und warum nimmt der Widerstand der Lateralfläche mit der Geschwindigkeit ab?
Denn das Ausbrechen war vorhersagbar ab einer bestimmten Geschwindigkeit und dann ohne erkennbare Änderung der Krafteinwirkung in Richtung der Querachse also bei Geradeausfahrt. Und es endetet teilweise erst nach einer 90° Drehung.

Das Verhalten war wie, wenn beim Auto die Hinterachse auf Rollbrettern steht und einfach ohne erkennbaren Grund ausbricht.

Für mich ist die Erklärung in der Diffusität bzw. dem chaotischem Verhalten des Wassers zu suchen.
Ob Herr Reynolds und seine Zahlen damit zu tun haben oder nicht, ist mir nicht so wichtig.

[Mio69]

Moin, moin,

die Hydrodynamik gehört jetzt auch nicht zu meinen Spezialgebieten, außerdem habe ich Physik ja auch vor 25 Jahren nur auf Lehramt studiert .

Trotzdem zwischendurch (ich packe ja gerade für den Urlaub):

Ich habe den Eindruck, dass das Phänomen, das Tippe beschreibt eher makroskopisch ist.

Die laminare und turbulente Strömung bezieht sich ja erstmal nur auf die maximal ersten Millimeter Wasser am Rumpf.

Solange sich das Boot also mit Geschwindigkeiten von wenigen mm/s bewegt ist alles noch laminar, kein Problem.
Wenn jetzt aber die ersten Turbulenzen am Rumpf entstehen, lässt sich das alles nicht mehr genau rechnen, weil wir in den Bereich des Anfangswertproblems kommen.
Für Nicht-Physiker: Das Anfangwertproblem entsteht dadurch, das sich das System Boot/Wasser/Umgebung nicht ausreichend genau beschreiben lässt um dann damit genau rechnen zu können.

Das ist eigentlich der Bereich, wo es von der Physik in die Ingenieurwissenschaften übergeht.

Damit kommen wir in den makroskopischen Bereich, in dem sich größere Wirbel bilden und bei höheren Geschwindigkeiten auch wieder abreißen.
Und ich denke, in dem Bereich liegt das Phänomen.

Viel mehr kann ich jetzt aber auch nicht dazu beitragen .

Lieben Gruß

Mio

[Tippe]

Ich hatte gehofft, dass durch Veränderung des Vokabulars sich die Sicht auf das Problem ändert, dass man von der physikalischen exakten Sicht unter Laborbedingungen und Formeln wegkommt um das Problem von der praktischen Seite versucht zu erklären und zu verstehen.

Auch meine letzte Physikvorlesung ist jetzt 25 Jahre her.

[Heimfried]

Zitat von Tippe

Auch meine letzte Physikvorlesung ist jetzt 25 Jahre her.

Das toppe ich spielend mit 35 Jahren.

Was die Wirbel angeht, bin ich wie ihr der Meinung, dass deren Größe eine entscheidende Rolle spielt.

Man kann ja mit einem kräftig durchgezogenen Paddelblatt strudelnde, große Wirbel erzeugen und ich vermute, dass bei einem querstehenden Paddelblatt kleine Winkeldifferenzen darüber entscheiden, an welcher Kante der große Wirbel entsteht. Dann kommt dazu, dass bei einem Paddelboot jeder Krafteinsatz des Bootsfahrers zu einer Gewichtsverlagerung, also auch Krängung führt, was die Strömung entlang der Bootshaut im Sekundentakt verändert.

[loony]

Leut, ihr denkt zu kompliziert.
Nimm ein Blatt Papier, und lass es fallen. Es stellt sich immer quer zu seiner Bewgungsrichtung. Das gleiche macht ein Stängchen aus Styropor. Und das hatt fast schon die Form eines Bootes. Ein Boot will sich IMMER, wenn es vorn und hinten symetrisch ist, quer zur Fahrtrichtung legen. Nur merkt man das nicht, wenn ein Kanu zb sehr auf Kiel gebaut ist, also wenig Kielsprung und einen guten Geradeauslauf hat. Dann dreht es so langsam, dass man das ganz leicht ausgleichen kann.
Wenn Du alleine hinten im Boot sitzt, dann ist die Form des Unterwasserschiffs nicht mehr symetrisch, dann führt das Boot hinten besser als vorn, weil der scharfe Bug aus dem Wasser gehoben ist, das scharfe Heck aber eingetaucht ist. Genauso ist es, wenn Du hinten das Skeg ausgefahren hast. Es ist wie bei einem Pfeil: Der hat hinten Federn, und vorne nicht. Er wird also hinten besser geführt als vorn, deshalb fliegt er schön geradeaus. Wenn man aber seine Federn und vorn das Gewicht entfernt, legt auch er sich schnell quer zur Flugrichtung.

Die Frage ist nun natürlich die: Warum verhalten sich all diese Dinger so doof? Erst jetzt kommt ein wenig Strömungslehre ins Spiel.
Gehen wir davon aus das Kanu ist symetrsch und es hat seinen Schwerpunkt genau in der Mitte. Solange es exakt geradeaus läuft, bleibt es auch so. Solange bis eine kleine Störung es ein wenig zu einer Seite lenkt. Sagen wir es dreht jetzt nach Steuerbord. Dann haben wir auf der Steuerbordseite etwas Unterdruck und an Backbord Überdruck, denn die träge Masse will ja geradeaus. Nun, jetzt kommts. Der Mittelwert des Unterdrucks ist nicht in der Bootsmitte sondern davor. Die träge Masse aber ist stehts in der Mitte. Daraus resultiert dann ein Drehmoment.
Ein erfahrener Paddler gleicht die beginnenden Drehbewegungen schon im Ansatz aus, ein Ungeübter bemerkt die Drehung erst, wenn es zum Gegensteuern schon zu spät ist.

Beim Blatt Papier ist es genau gleich: Unten ist Überdruck, und zwar recht gleimässig verteilt. Oben ist Unterdruck. Aber der ist kurz hinter der vorderen (in Flugrichtung) Kante am stärksten. Das Zentrum des Auftriebs ist also stets VOR dem Schwerpunkt. Stabil ist also nur der Zustand, wenn das Blatt genau quer liegt, alles andere ist instabil.

Loony

[Tippe]

Ja danke, das war doch schon mal sehr anschaulich.
Das stabilisierende Heck hatte ich ja auch schon mal thematisiert mit dem Rollbrett.

(Allerdings den Gelegenheitspaddler ziehe ich mir nicht an. )

Wobei sich mir immer noch die Frage stellt, warum es sich nur mit sehr viel Aufwand wieder einfangen lässt. Aber das müssen wohl die Massenträgheitsmomente sein.

Na ja und dass das untere flache Heck mit mehr Kielsprung als am Bug diesen Effekt nur unterstützt, hast du ja hinreichend ausgeführt.

[loony]

Ja, klar die Trägheit spielt eine Rolle.
Wenn das Boot einmal dreht, dann muss man schon heftig eingreifen, um ein entgegengesetztes Drehmoment auf zu bringen. Es geht nur, wenn der Steuermann sehr weit vom Drehmittelpunkt entfernt eingreift, also das Paddel für den Steuerschlag weit nach hinten streckt. Einfach auf einer Seite stärker paddeln hilft überhaupt nicht. Das Ganze wird schwieriger, je schneller man unterwegs ist und je weiter voneinander entfernt die "Menschenmasse" sitzt. (Rotationsträgkeit).
Vielleicht hast Du auch schon bemerkt, dass , wenn man eine Kurve paddelt, es reicht auf der Kurveninneren Seite zu paddeln. So kann ,man das Drehbestreben in der Waage halten.

Ich finde immer gut, zu "spielen" also mal ganz schnell zu paddeln, und dann das Boot sich selber überlassen, und beobachten, was passiert. Dann versuchen, wann man noch eingreifen kann und wann es hoffnungslos wird.

Übrigens legt sich aus den gleichen srömungstechnischen Gründen ein Boot immer quer zum Wind, wenn man es sich selber überlässt. Das gibt lustige Effekte. Quer zum Wind ist der stabilste Kurs, den behält das Boot bei ohne Kurskorrekturen. Paddle ich mit raumem Wind muss ich auf der Luvseite stärker paddeln. Paddle ich "am Wind", muss ich auf der Leeseite stärker paddeln. Bei stärkerem Wind ist es dann beim Canadier sinnvoll, dass beide auf der gleichen Seite paddeln.

loony

[Heimfried]

Zitat von loony

Leut, ihr denkt zu kompliziert.

Ich weiß nicht.

Aber jedenfalls haben wir das Phänomen der schräg angeströmten Platte außer acht gelassen. Eine relevante Wirkung entfaltet das allerdings erst, wenn es irgendeinen anderen Grund gibt, der das Boot vom Geradeauskurs (Strömung parallel zur Längsachse Boot) erheblich ablenkt.

[René]

Jetzt weiß ich endlich weshalb unser Schlauchi beim Fluss (kleiner Fluß mit vielleicht 10 m Breite) runter treiben lassen so schwer in der Richtung zu halten ist. Einer sitzt vorne und einer ganz hinten. Solange man ständig mit dem Paddel die Drehung im Griff hat geht es. Sobald einer aber nix macht, gehts dahin wo es will.

Gruß René

[Tippe]

Zitat von loony

Vielleicht hast Du auch schon bemerkt, dass , wenn man eine Kurve paddelt, es reicht auf der Kurveninneren Seite zu paddeln. So kann ,man das Drehbestreben in der Waage halten.

Ja natürlich! Ich paddle etwa 3-4 mal pro Woche auf einem Fluss, also ausreichend Erfahrung ist da, allerdings selten mit dem Zweier.
Mit dem Zweier haben wir immer bei Am-Wind-Kursen auf Seen die Hüfte etwas eingeknickt, dann brauchten wir weniger Korrekturschläge. Also Schräglage! Man muss sich bei einem Zweier dabei absprechen, sonst wird das nix.
Wir nutzen dabei also die Unsymmetrie der Seite um die Richtung zu korrigieren. Aber da war die Finne schon dran. Vorher wäre es gar nicht gegangen!

Ich lege nochmal den ursprünglichen Plan bei, auch wenn der umgesetzte Riss noch ein paar Korrekturen hierzu aufweist.

Für mich ist jetzt aber eigentlich klar, wodurch dieses Verhalten kommt!
Die Führung hinten fehlt und wenn das Heck erst mal ausgebrochen ist, dann sorgen Verwirbelungen/Strömungsabrisse und Massenträgheiten dafür, dass das sich so schnell nicht ändert.

Durch die Finne wird dieses Verhalten verbessert aber nicht aufgehoben!
Denn inzwischen ist mein Sohn älter und schwerer geworden und das Problem ist wieder da, wenn auch nicht so gravierend wie ohne Finne. Also ich muss an die Finne nochmal ran und sie länger machen. (Hab leider kein Bild vom aktuellen Stand).

[zunke]

Das sind sehr interessante Gedanken. Nun wird mir auch klar, warum sich mein Kanu bei Wind deutlich besser händeln läßt, seitdem ich die Ausleger dran habe. Besonders, wenn ich allein unterwegs bin.
Gerhard

[zunke]

Jetzt wo ich genauer drüber nachdenke, nicht nur bei Wind. Ich habe mich Vorgestern bei fast Windstille kilometerweit Heck voran im Fluß treiben lassen und dabei in Stromrichtung über Heck geangelt. Ich selbst und ein Großteil des Gepäcks befand sich in der hinteren Bootshälfte, während es sich in der anderen Hälfte meine Frau bequem gemacht hatte.
Offensichtlich hat sich durch den Kielsprung und das vergleichsweise tief eingetauchte Heck so eine günstige Konstellation ergeben, die keine Paddelkorrekturen erforderte.
Das bewußte Auswerfen und Einholen des Blinkers in eine entsprechende Richtung hat dazu völlig ausgereicht.

[Tippe]

@zunke
Sowie du schneller fährst (in Flussrichtung), als das Wasser fließt, dreht sich dieses Verhalten um und das Heck ist wieder da, wo man es vermutet.
Solange du dich aber nur vom Wasser bewegen lässt, wie du beschreibst, fährst du theoretisch vektoriell Flussaufwärts (Fahrt über Wasser nicht Fahrt über Grund), denn das Wasser fließt schneller als du. Somit muss sich das Heck flussabwärts drehen.

Alles klar?

[zunke]

Genau, und ich nehme an, das die beiden großen Fender mittschiffs, das mit ihrem Wasserwiderstand noch begünstigen. Der Bootskörper im Heckbereich steht in der Strömung wie ein gerade stehendes Ruderblatt. Dazu kommt, das die Strömung an der Oberfläche geringer ist, als schon einen halben Meter unterhalb. Keine Ahnung warum das so ist, aber bei der Angelei (von Schwimmköder bis dicht über Grund) zeigen sich deutliche Unterschiede im Abtrieb.
Gerhard

[Tippe]

Zitat von zunke

Dazu kommt, das die Strömung an der Oberfläche geringer ist, als schon einen halben Meter unterhalb. Keine Ahnung warum das so ist, aber bei der Angelei (von Schwimmköder bis dicht über Grund) zeigen sich deutliche Unterschiede im Abtrieb.
Gerhard

Kam vielleicht der Wind flussaufwärts?

[dete]

Hallo zusammen,
Ob ein kleines Boot vektoriell Flussaufwärts fährt ist die Frage, große Boote fahren mit sog. kaltem Druck durch die Schwerkraft schneller als die Strömung. Stellt sich also die Frage, ob dieser Effekt einen Einfluss hat.
Grüße
Detlef

[Tippe]

@dete
Habe ich so noch nicht gelesen, kann ich mir aber vorstellen. Zunke beschreibt es ja mit seinem "Köder dicht über Grund", vmtl. weiter mittig im Strom.

Dass die Wasseroberfläche durch entgegengesetztem Wind oder auch nur durch stehende Luft langsamer strömt, als weiter zur Strömungsmitte, scheint mir nur logisch.
Und dass das Boot dann, weil es ins Wasser eintaucht auch Teil dieses Effektes ist, finde ich auch klar. Nur das spielt natürlich nur bei Booten ein Rolle, die soweit eintauchen, dass sie diesen Effekt auch treffen. Ob das bei 10cm Eintauchtiefe schon der Fall ist, stelle ich in Frage!

Und selbst dann gelten immer noch Strömungswiderstände, Fließrichtung usw. Also auch dann sollte das Boot sich umdrehen, wenn der Widerstand am Heck größer ist als bugseitig.
Denn schneller als die Strömung kann meiner Meinung nach ein Boot ohne Antrieb nicht sein.

[Tippe]

Ich habe den vorherigen Post nochmal umgeschrieben.

[zunke]

Zitat Tippe:Zunke beschreibt es ja mit seinem "Köder dicht über Grund", vmtl. weiter mittig im Strom.

Nein, ich meinte eigentlich an gleicher Stelle. Wobei ich aber festgestellt habe,
das es so einfach nicht ist. So ein Fluß ist ja kein leerer Trog, sondern hat auch Bewuchs und nicht zuletzt ein sich ständig änderndes Profil. Sowohl in Breite, Tiefe, als auch Form. Dinge, die man fast immer nicht einsehen kann.
Ich habe da ein interessantes Werk gefunden, für den geneigten Interessenten.
http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/...cuments/844294
Danach gibt es tatsächlich diverse Einflüsse auf das Strömungsverhalten.
Beim offenen Boot kommt dann noch ein nicht unerheblicher Luftwiderstand dazu, der je nach Bug-oder Hecklastigkeit wie ein aufgespannter Schirm wirkt.
Gerhard

[dete]

Hallo zusammen,
das hatte ich ja im Prinzip geschrieben, auf der einen Seite ein kleines windanfälliges Boot auf de anderen Seite z.B. Lastkähne, die definitiv schnellercals die Strömungcsind und mit dem sog kalten Druck fahren.
Wäre mal interessant zu ermitteln, ab wann welcher Effekt überwiegt ...

In diesem Sinne, viel Spaß
Dete

[Tippe]

Also zu dem kalten Druck habe ich bisher nichts finden können. Kannst du das mal näher ausführen oder einen Link geben der hier weiterhilft?

[Heimfried]

Ich hatte diesen Link gefunden:
http://www.wsa-minden.de/wasserstrassen/weser/
Dort wird aber, anders, als Dete das sagt, "kalter Druck" mit der Fließströmung gleichgesetzt.

[Tippe]

Ja das hatte ich auch gefunden und entschieden, dass Dete wohl was anderes meinen muss.

[dete]

Hallo zusammen,
Der Ausdruck stammt aus der Zeit der Lastkähne. Es ist der Ausdruck für den Effekt, dass die Lastkähne früher flussabwärts selbstständig gefahren sind und dabei schneller als die Strömung waren, sonst hätten nicht gesteuert werden können. Die Erklärung ist , dass die Kähne in/auf der schiefen Ebene Fluss weniger Reibungswiderstand hatten, als das umgebende Wasser. Wie erwähnt habe ich es selbst ausprobiert mit dem Langhans auf der Saale.
Ich werd noch mal im Binnenschifferforum suchen, evtl finde ich noch was. Die Erklärung vom WSA zur Weser passt nicht, da die Kähne so schwer waren dass sie nicht gestakt werden konnten. Als der Langhans in der Werft an der Saale lag habe ich mich einige Male mit einem alten Schiffer unterhalten , dessen Eltern einen Lastkahn hatten. Er ist als Kind noch so mit seinen Eltern gefahren.

Grüße
Detlef