Schneller als der Wind?

Hallo Forum,

am Mittwoch las ich in der Yacht, dass der Australier Lindsay Cunningham bei lediglich 4 Beaufort sage und schreibe 47 Knoten fuhr.
Und genau an dieser Stelle setzt jetzt meine Frage ein: Wie schafft er es schneller als der Wind zu sein? Bei Raum- oder Vorwindkursen würde das Segel doch nach hinten klappen und man führe einen Quasi-Aufschießer....
Also wie geht das nun?

Er ist "Berg runter" gesegelt

[Muckymu]

Ich kenn das vom Surfen.

Ein Surfsegel gleicht einer Trägfläche sehr.
Der eigentliche Vortrieb entsteht nicht durch den Wind, den man einfängt, sondern durch den "Auftrieb" des Segels.
Am schnellsten ist man quer zum Wind bis leicht gegen den Wind.
Vor dem Wind wirds dann richtig langweilig.

Wenn der auch so ein Profilsegel hat, warum nicht ?

[Holger]

bei eisseglern ist es ähnlich. die sind auch schneller als der wind. und haben keine abtrift, weil die kufen wie auf schienen führen. vor dem wind ist man nie schnbeller als der wind, nur auf den anderen kursen. da kommt noch der scheinbare wind dazu und mit dem kräfteparallelogramm kann man damit die resultierende (in diesem falle die maximal theoretisch möglich Geschwindigkeitskomponente) errechnen.

vielleicht haben wir einen physiker im forum, der das mal anschaulich erklären kann.

holger

Haben wir denn hier einen Physiker?!?

[Gerwin]

Hallo Guido !

Ich bin zwar kein Physiker aber ich habe trotzdem eine Erklärung

Wenn du z.B. 90° zum wahren Wind fährst und Speed=Wind hast du einen scheinbaren Wind aus 45°
bie Speed=2*Wind hast du einen Einfallswinkel von knapp 30°

d.h. Es wird nur der Einfallswinkel enger und der scheinbare Wind nimmt immer mehr zu.

Das ist auch der Grund warum bei schnellen Booten (Tornado, ...) der Großbaum (und auch die Fock) meist sehr dicht gefahren wird. Du hast den Traveller selten weiter als 50cm von der Mitte weg.

Gruß aus Wien
Gerwin

[seamaster]

Naja - ich will's mal versuchen zu erklären, warum es möglich ist:

Bei einem Am-Wind-Kurs bläst der Wind so ins Segel, dass eine Kraft nach schräg vorne erzeugt wird. Diese Kraft lässt sich nun mithilfe des vielzitierten Kräfteparallelogramms formal in zwei Kräfte zerlegen, eine Kraft nach vorne (die für den Vortrieb sorgt, im folgenden Vortriebskraft genannt), eine zur Bootsseite (zur Leeseite, im folgenden Abdriftskaft genannt), die die Abdrift verursacht.

Segelt nun das Boot mit konstanter Geschwindigkeit und Kurs, so erinnern wir uns aus dem Physikunterricht, dass das Boot kräftefrei ist, alle an das Boot angreifenden Kräfte müssen sich also gegenseitig aufheben.

* Die Abdriftskraft wird durch den Auftrieb des Kiels kompensiert (der Kiel wird ja nicht von vorn angeströmt, sondern schräg von vorn, denn ein Segelboot segelt ja am Wind nicht genau nach vorn, sondern schräg nach vorn).

* Die nach Vortiebskraft wird durch den Rumpfwiderstand kompensiert. Oder anders ausgedrückt: der Segler beschleunigt so lange, bis die Vortiebskraft den selben Betrag hat wie die Widerstandskraft (der Widerstand nimmt ja mit der Geschwindigkeit zu).

Das Boot bleibt also nicht wie beim Vorwindkurs "hängen", sobalt Windgeschwindigkeit=Bootsgeschwindigkeit, sondern sobalt Vortriebskraft=Rumpfwiderstand. Und für ein schnittiges Boots ist dann die Windgeschwindigkeit schon überschritten.

Seamaster

P.S.: Das Schneller-als-der-Wind-Segeln hat übrigens nichts damit zu tun, dass sich zum wahren Wind der Fahrtwind addiiert und folglich bei Am-Wind-Kursen der scheinbare Wind stärker ist als der wahre Wind! Der Fahrtwind bremst (leider) auf ALLEN Kursen.

[Sayang]

Zıtat:
Das Schneller-als-der-Wind-Segeln hat übrigens nichts damit zu tun, dass sich zum wahren Wind der Fahrtwind addiiert und folglich bei Am-Wind-Kursen der scheinbare Wind stärker ist als der wahre Wind! Der Fahrtwind bremst (leider) auf ALLEN Kursen.


Ein Boot segelt IMMER nur mit dem scheinbaren Wind.

[TomM]

Ich hoffe ja mal, dass die Frage nicht wirklich ernst gemeint war. Es ist ja zum größten Teil beantwotet worden.

Das Segel ist ein Flügel, so wie der optimale Kiel und der optimale Rumpf erzeugt das Segel Auftrieb am Profil, würde man es waagerecht stellen, so könnte man fliegen. Kräftediagramme nutzen hier nicht viel, weil es viel Worte braucht um die genaue Wirkungsweise zu erklären. Übrigens ist man sich immer noch nicht ganz klar darüber, ob denn nun und wo denn nun, Verwirbelungen nützlich üder schädlich sind.

Eines ist aber sicher. Es entsteht an jedem Flügel eine Unterdruckseite (die mit der Profilwülbung nach außen). Der Unterdruck entsteht durch die Beschleunigung der Luft, die vorhandene Luftmenge wird durch das Segel geteilt, an der äußeren Wölbung beschleunigt, das sie nun schneller fließt entsteht ein Unterdruck. Ob und inwiefern ein Überdruck auf der Innenseite entsteht bzw. welchen Einfluß der hat ist übrigens die bisher ungeklärte Frage (neueste Erkenntnisse zeigen, dass die alten Erklärungen nicht unbedingt richtig waren). Wichtig ist nun, die aus dem Unterdruck entstehende Kraft als Vortrieb (Auftrieb) zu nutzen, d.h. möglichst verlustfrei beim Schiff nach vorne wirken zu lassen, beim Flugzeug nach vorne/oben. Entscheidend für diesen Wirkungsgrad ist die Form des Profiles, die Profiltiefe und der Anstellwinkel. Durch Addition des Fahrtwind entsteht zudem der scheinbare Wind, der stärker ist als der wahre. Selbstverständlich wirken die umströmten Flächen als Widerstand und "bremsen" durch diesen Widerstand. Und selbstverständlich ändert sich mit zunehmender Fahrt der optimale Anstellwinkel und die optimal Profiltiefe und die optimale Profillage (wo ist der Segelbauch).

Vögel können diese Veränderungen mit Leichtigkeit produzieren, beim Segeln ist das mühsam und beim Fliegen ist das unmöglich. Übrigens fliegt ein Segelflugzeug ja auch schneller als der Wind und das nicht weil es sinkt!

Die Flügelwirkung ist auf allen Kursen gegeben, aber bei platt vor dem Wind heben sich die Kräfte zum größten Teil auf (Reibung und Vortrieb). Am optimalsten für die Geschwindigkeit sind Halbwind- bis Raumschotkurse weil hier der Unterdruck am effektivsten erzeugt werden kann. Durch den hohen Fahrtwind entsteht ein schneller scheinbarer Wind und daher sind die Anstellwinkel wesentlich flacher als sie sein müssten.

Das alles ist nur ein Teil des Zusammenspiels von Segel, Rumpf, Kiel, Ruder, aber so funktioniert es In der Luft und im Wasser, in jedem Medium, dass durch Beschleunigung seine Druckverhältnisse ändert.

Was heute unklar geworden ist, ist der Druckausgleich am Achterliek und die Wirkung der Umströmung eines Segels. Manche sagen es ist sinnvoll ein Segel umströmen zu lassen und beweisen dies technisch, ander sagen, das damit die Druckdifferenzen verkleinert werden und die Effektivität leidet und beweisen wiederum dies.

Aber eines ist sicher, Auf kleinen Fall entsteht der Vortrieb durch den Winddruck in das Segel. Entscheidend ist immer der Unterdruck auf der anderen Seite des Segels!

[Seekreuzer]

Kleines Experiment zur Verdeutlichung des Unterdruckprinzips durch strömende Luft:

Erst mal hinsetzen...

Nehmt zwei Blatt Papier, in jeder Hand eines. Nun haltet sie platt aneinander, nur dort wo ihr sie haltet, bleibt durch die Finger ein Spalt. In diesen blast ihr jetzt mit all Eurer Kraft und dem ganzen Lungenvolumen hinein.

Da sollten die locker aneinanderliegenden Blätter ja nur so zur Seite fliegen! Sie bleiben zusammen? Na, dann blast doch noch fester... und noch fester... jezz abba... ganz doll!!!

Wenn die Schwindelgefühle weg und der Atem wieder da ist, wißt ihr jetzt, daß die durchströmende Luft (auch wenn ihr denkt, daß ihr genügend Luft für einen ordentlichen Überdruck da rein blast) an den Papierblatt-Oberflächen (und auch auf der Lee-Seite des Segelprofils) einen Unterdruck erzeugt

[Muckymu]

Ohne es begründen zu können, das Profil ist extrem entscheidend.

Bei Hack trimmt man das Surfsegel ganz flach.
Lässt der Wind nach, macht man es wieder Bauchiger und es zieht wieder mehr.

Und noch eins zum Druckabfall am Liek:
Wenn´s so richtig schön kachelt und man das perfekt getrimmte Segel dabei hat, zieht man das Unterliek ganz nach unten auf´s Brett.
Vieleicht verhindert dies den Druckverlust, auf jedenfall ist das der Turbo beim surfen.

[Seekreuzer]

Zitat von Muckymu

Und noch eins zum Druckabfall am Liek:
Wenn´s so richtig schön kachelt und man das perfekt getrimmte Segel dabei hat, zieht man das Unterliek ganz nach unten auf´s Brett.
Vieleicht verhindert dies den Druckverlust, auf jedenfall ist das der Turbo beim surfen.

Ziel ist ja, die Luftströmung am Profil entlang zu führen... wenn da nun unten so eine Lücke klafft, dann sucht sich die Luft diesen "Kurzschluß" als Abkürzung...

Du Heizer

[boatman]

Grundsätzlich finde ich das Thema interessant.

Habt Ihr deswegen für nen Mobo vielleicht mal eine kurze Skizze von einem segelnden Boot mit den entsprechenden Bezeichnungen? Luv und Lee kann ich noch, aber dann wirds schwieriger für mich.

Ich möchte das doch auch verstehen.

[seamaster]

Zitat von TomM

Das Segel ist ein Flügel, so wie der optimale Kiel und der optimale Rumpf erzeugt das Segel Auftrieb am Profil, würde man es waagerecht stellen, so könnte man fliegen. Kräftediagramme nutzen hier nicht viel, weil es viel Worte braucht um die genaue Wirkungsweise zu erklären.

Das Kräfteparallogramm soll ja nicht erklären, warum ein Segel Auftrieb erzeugen kann, sondern weshalb Schiffe schneller als der Wind segeln können.

Seamaster

[TomM]

Hab ich schon kapiert seamaster, jedoch erklärt das Kräfteparallelogram gar nix, es sind nämlich nur Pfeile drauf (Vektoren). Wenn man das Prinzip noch nicht kennt, dann verwirrt es mehr als es nutzt weil je nach Ausführung vier bis sechs Vekroen eingezeichnet sind. Erst muss man verstehen warum es zu den Kräften kommt, dannn kann man sie anhand von Vektoren darstellen.

[Seekreuzer]

Zitat von boatman

Habt Ihr deswegen für nen Mobo vielleicht mal eine kurze Skizze von einem segelnden Boot mit den entsprechenden Bezeichnungen? Luv und Lee kann ich noch, aber dann wirds schwieriger für mich.

Ich möchte das doch auch verstehen.

Mache (oder suche) ich Dir gerne, weiß aber leider nicht so genau, welche Begriffe Dir gerade nicht geläufig sind (Lieken? Abdrift? Raumschots?)

Kannste auch per PN durchgeben... Zeichnungen habe ich ja, nur steht da (noch) nix dran...

[Sayang]

Die meisten Erklaerungen zielen auf das Prinzip des Segelns ab, sind aber keine Begruendung dafuer, dass man schneller als der Wind segeln kann.

Nehmen wir an, wir haben halben Wind mit 10 kn und segeln los. Nehmen wir weiter an, wir erreichen 6 Knoten, dann faellt der Wind vorlicher und schneller ein, er nimmt auf etwa 11,7 kn zu. Mit diesem Wind koennen wir, sagen wir, 7 Knoten segeln, der Wind faellt jetzt noch vorlicher ein, aber wird auch noch staerker. So geht es weiter, bis durch Bootswiderstand und moegliche Hoehe am Wind die Grenze erreicht ist. Diese kann eben deutlich ueber 10 kn, der wahren Windgeschwindigkeit liegen. Hier ist die wahre Windgeschwindigkeit irrelevant, denn das Boot faehrt immer mit dem scheinbaren Wind, also dem Wind, der an Bord zu spueren ist.

[TomM]

Zitat von Muckymu

Ohne es begründen zu können, das Profil ist extrem entscheidend.

Bei Hack trimmt man das Surfsegel ganz flach.
Lässt der Wind nach, macht man es wieder Bauchiger und es zieht wieder mehr.

Und noch eins zum Druckabfall am Liek:
Wenn´s so richtig schön kachelt und man das perfekt getrimmte Segel dabei hat, zieht man das Unterliek ganz nach unten auf´s Brett.
Vieleicht verhindert dies den Druckverlust, auf jedenfall ist das der Turbo beim surfen.

Jawohl Muckymu, flach, heißt Profil verändern, nun müsste das Parallelogramm her - es soll weniger Querkraft und mehr Vortrioeb erzeugt werden, der Vektor schräg nach vorne wird länger. Das hängt mit den Strömungsgeschwindigkeiten zusammen, Wird die Strömung und damit der Unterdruck zu schnell (stark) reißt die Strömung ab (so stürzen Flugzeuge ab und deshalb ist der Sturzflug so gefährlich) dann ist es vorbei, kein Vortrieb (Auftrieb) mehr. Deshalb die Regel, je mehr Wind desto flacher das Segel. Je weniger Wind, desto bauchiger das Segel.

Druckabfall am Liek: das Unterliek (die untere Kante des Segeldreiecks) soll keinen Druckausgleich erhalten, weil sonst die Strömung nicht mehr anliegt, turbulent wird und somit nicht mehr den gewünschten Effekt hat. Im Achterliek (die hinter Kante des Segels) ist man sich seit einiger Zeit nicht mehr so sicher. Früher glaubte man es sollte auch da kein Druckausgleich stattfinden (Trimmfäden wehen nach achtern aus), heute weiß man das in gewissem Maße der Druckausgleich Vortrieb erzeugt (Trimmfäden vorlich nach Luv oder Lee flatternd). Erklärt wir die damit, dass die anliegend Strömung ja im vorderen Drittel des Segels wirkt und der achterliche Druckausgleich den Abriss der Strömung verhindert (hört sich logisch an).

Also Regel zwei: Unterliek dich an Deck demit kein Druckabfall im vorderen Drittel entsteht und kein Strömungsabriss im unteren Drittel entsteht.

Regel Drei: Anstellwinkel immer so wählen, dass das Vorliek des Segel gerade eben nicht mehr killt (flattert). Und gleich wieder eine Ausnahme: Bei zwei Segeln Vorsegel und Großsegel kann das Groß einen leichten Gegenbauch im vorderen Achtel haben, denn durch den Spalt zwischen Vor- und Großsegel wird die Luft noch mal beschleunigt (Beispiel von Markus). Am besten kann man das auf einem Boot zeigen und sogar beweisen. Auch ein Modellboot gibt hier schopn gute Werte obwohl man halt nicht so nah dran ist. Sorry, das ist mit Vektoren wirklich elend kompliziert, und die Pfeilchenmalerei in den Segelbüchern trifft die Wahrheit nicht mal annähernd. Hier geht es nicht um Vektoren, sondern zunächst mal um Dynamik (Aerodynamik in diesem Fall). Da muss man die Grundprinzipen von Überdruck/Unterdruck, Beschleunigung/Kraft (ohne Gashebel) verstanden haben, dann eben die Feinheiten des Druckausgleiches und dann die Erfahrung der Alinghi Crew, die auch umzusetzen. Weltrekorde unter Segeln sind häufig nur das Ergebnis von Idealbedingungen und viel Zufall. Einen Anstellwinkel 100% zu reproduzieren und die Winddreher 100% zu berücksichtigen - das kann kein Mensch, vielleicht ein Vogel - solange ihn die Katze nicht frisst.

P.S. Warum gaubt ihr, macht man Schlepptankversuche - richtig, man kann es nicht ausrechnen (Beispiel New Zealand).

[TomM]

Zitat von Sayang

Die meisten Erklaerungen zielen auf das Prinzip des Segelns ab, sind aber keine Begruendung dafuer, dass man schneller als der Wind segeln kann.

Nehmen wir an, wir haben halben Wind mit 10 kn und segeln los. Nehmen wir weiter an, wir erreichen 6 Knoten, dann faellt der Wind vorlicher und schneller ein, er nimmt auf etwa 11,7 kn zu. Mit diesem Wind koennen wir, sagen wir, 7 Knoten segeln, der Wind faellt jetzt noch vorlicher ein, aber wird auch noch staerker. So geht es weiter, bis durch Bootswiderstand und moegliche Hoehe am Wind die Grenze erreicht ist. Diese kann eben deutlich ueber 10 kn, der wahren Windgeschwindigkeit liegen. Hier ist die wahre Windgeschwindigkeit irrelevant, denn das Boot faehrt immer mit dem scheinbaren Wind, also dem Wind, der an Bord zu spueren ist.

Nicht ganz: Begründung ist die Dynamik der Strömenden Luft! Der messbare scheinbare Wind und die Kraftentwicklung, die Möglichkeit dazu haben nur scheinbar etwas damit zu tun. Natürlich gibt es natürliche Grenzen! Und natürlich gelten diese Gesetze nur, wenn der Widerstand des (in unserem Fall) Bootes so gering wie möglich ist (Gleiten). Ist der Widerstand höher (Rumpfgeschwindigkeit beim Verdränger) dann wird's zu Krangung (Schräglage). Der Anstellwinkel stimmt nicht mehr und die Vektoren zeigen nach vorne/unten (das zum Thema Verkleinerung der Segelfläche durch Krängung).

[Seekreuzer]

Zitat von boatman

Ich möchte das doch auch verstehen.

Das meiste hattest Du in Deiner PN schon richtig interpretiert, hier ein paar Infos:

Kurse zum Wind


Traveller (Schiene zum Verstellen des Fußpunktes der Großschot)
Durch Veränderung der Zugrichtung kann das Segelprofil flacher oder bauchiger getrimmt werden.


Aus http://www.yachtschule-spittler.de/lexikon.htm
Aufschießer
Bremsmanöver bei Segelbooten. Anluven bis das Boot mit dem Bug in den Wind steht.

Frei von mir:
Hack - heftiger Wind.
Ist dann wenn die Segler in den Hafen gehen und die Windsurfer glänzende Augen bekommen und erst richtig loslegen...





Dies nur als Hilfestellung zum Verständnis!
Kein Grund, dies auch noch zu diskutieren...

[TomM]

Also, Luv und Lee waren klar: Aus Luv kommt der Wind nach Lee geht er.

Lieken: Man nehme ein Dreieck, Die untere Kante ist das Unterliek, die hintere das Achterliek und die Vordere das Vorliek. Unten ist der Segelhals, ober der Kopf und hinten das Schothorn. Beim symetrischen Spinnacker wird bei der Halse das Achterliek zum Vorliek und das Vorliek zum Achterliek (durch einfaches Umdrehen des Segels. Beim asymetrischen Spinnacker und Blister bleiben die Lieken und das Segel wird um das Vorliek gedreht.

Kurse: Alles Kurse werden zum wahren Wind beschrieben! Halbwind = 90° zum wahren Wind, Am Wind = alles was den Winkel kleiner 90° macht beim Segelboot (Regattaboot) bis max 30° in Windrichtung. Raumschot alles zwischen 90° und 180° = schräg vom Wind weg. Vor dem Wind = 180° = Platt vor dem Laken = langsamster Kurs (siehe Strömung.

Die Geschwindigkeit bestimmt sich durch den Anstellwinkel zum scheinbaren Wind! Und nun die Auflösung für den schnellsten Kurs! Das Segel von Lee über den Schiffsmittelpunkt nach Luv hinauszuziehen erzeugt Widerstand durch den Rumpf. Ergo, Raume Kurse lassen Anstellwinkel Nahe der Schiffsmitte nach Lee und höhere Geschwindigkeiten zu, da der Anstellwinkel optimal gewählt werden kann. Außerdem ist der Widerstand durch den Rumpf dann kleiner (keine Querkraft) weil der Rumpf seiner vorgegebenen Form folgen kann und keine Abdrift und oder Querkraft entsteht.

Ihr seht, Segeln ist ganz einfach - Lappen hoch und durch.

Huch Markus war schneller

[Seekreuzer]

Hier noch was zum (hier verantwortlichen) Bernoulli-Effekt:

http://www.muenster.de/~breitens/seg.../bernoulli.htm

und wer's noch genauer haben will...

http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA01/preiss/kap3.htm

[TomM]

Jepp, so isses, nur mit der Berechnung ist es eben graue Theorie, weil Idealbedingungen nicht vorzufinden sind und viele andere Faktoren auch noch eine Rolle spielen.

Nun Kommt es darauf an, die Vortriebskraft eben maximal zu nutzen. Theoretisch gibt es da kaum Grenzen - praktisch sehr wohl.


Uiiih, der zweite Link ist schön!

[seamaster]

Zitat von Sayang

Die meisten Erklaerungen zielen auf das Prinzip des Segelns ab, sind aber keine Begruendung dafuer, dass man schneller als der Wind segeln kann.

Nehmen wir an, wir haben halben Wind mit 10 kn und segeln los. Nehmen wir weiter an, wir erreichen 6 Knoten, dann faellt der Wind vorlicher und schneller ein, er nimmt auf etwa 11,7 kn zu. Mit diesem Wind koennen wir, sagen wir, 7 Knoten segeln, der Wind faellt jetzt noch vorlicher ein, aber wird auch noch staerker. So geht es weiter, bis durch Bootswiderstand und moegliche Hoehe am Wind die Grenze erreicht ist. Diese kann eben deutlich ueber 10 kn, der wahren Windgeschwindigkeit liegen. Hier ist die wahre Windgeschwindigkeit irrelevant, denn das Boot faehrt immer mit dem scheinbaren Wind, also dem Wind, der an Bord zu spueren ist.

Diese Erklärung halte ich genau für die Falsche: der Fahrtwind kann nicht das Boot antreiben!
Nehmen wir mal das o.g. Beispiel, der Segler segelt am Wind schneller als der wahre Wind. Wenn der Segler dann abfällt auf Halbwindkurs (=schnellster Kurs), wird der scheinbare Wind abnehmen und gleichzeitig die Bootsgeschwindigkeit zunehmen. Die besten Chancen, sowohl schneller als der scheinbare Wind alsauch schneller als der wahre Wind zu segeln besteht demnach beim Halbwindkurs.

Seamaster

[Seekreuzer]

Zitat von seamaster

...der Fahrtwind kann nicht das Boot antreiben!

Nicht alleine, aber er hilft.
Extrembeispiel: Ein Segelflugzeug (in der Hoffnung, daß wir uns über das Prinzip von Segel=Tragfläche einig sind)
Dies bewegt sich durch die Luft (=Fahrtwind), die Flügel werden angeströmt und es entsteht Auftrieb. Würde das Segelflugzeug bremsen können und stehen bleiben, dann gäbe es keine Fahrtwind mehr, damit keinen Auftrieb und ein weiteres Todesopfer in der Luftfahrt.