DE19646961A1 - Segelbootsrumpf mit tetraederförmigem Unterwasserschiff, Ruder- und Steueranlage - Google Patents

Description

1. Die Erfindung, für die Patentschutz begehrt wird, stellt eine wesent­ lich veränderte Gestalt des Unterwasserschiffes eines Segelbootes dar, die in ihrer Wechselwirkung zwischen angreifenden Kräften aus Wind und Wasser und ausgeübten Kräften durch Rumpfform und Anhänge wie Kiel und Ruder ein funktionelles Gleichgewicht bewirkt. Aerodynamische und hydro­ dynamische Vorgänge, die das Segeln bestimmen, werden dergestalt beeinflußt und genutzt, daß effektiver damit gesegelt werden kann.

2. Die Aufgabe eines Segelbootes ist es, die Bewegung von Luft = Wind in Bewegung im Wasser = Fahrt umzusetzen. Die Bedingungen, unter denen das geschieht, sind äußerst komplex, differenziert nach Richtung und Geschwin­ digkeit der Fahrt im Wasser im Verhältnis zu Richtung und Stärke des Win­ des. Der Vorgang des Segelns wird wesentlich bewirkt durch Winddruck in den Segeln, der Vortrieb und Abdrift des Rumpfes erzeugt, und den Wasser­ druck auf den Rumpf, der Fahrtwiderstand und Aufdrift erzeugt (Marchaij, Segeltheorie und Praxis, Verlag Delius Klasing & Co, S.34 ff., 239 ff.). Die beiden Kräftepaare wirken gleich und einander entgegengesetzt und heben sich auf.

Vortriebs- und Abdriftwiderstände werden durch Form und Größe des Rump­ fes und seiner Anhänge Kiel und Ruder bestimmt. Dabei gilt es, die Wider­ stände zu minimieren und die Aufdrift, die der Lateralplan erzeugt, zu maximieren. Zu unterscheiden sind dabei zwei typisch differente Kräftegleichgewichte zwischen Aerodynamik und Hydrodynamik: Segeln vor dem Wind und Segeln am Wind. Ersteres mit geringen Lateralkräften und großem Vortrieb, zweites mit großen Lateralkräften und geringem Vortrieb. Dem entsprechen der Bootstyp des Gleiters (z. B. Jolle mit breitem, flachem Boden) einerseits und anderseits der Typ mit hohem Längen-Breitenverhält­ nis (z. B. Katamaran oder Rennyacht). Die Typen sind in der Rumpfform extrem unterschiedlich und schließen einander aus.

Eine weitere Komponente schnellen Segelns ist das Segeltragevermögen, das mit der Querstabilität des Rumpfes korrespondiert, die das Aufrichtemo­ ment liefert (Marchaj, ebenda S.366 ff.). Um es groß zu machen, braucht es schwere, tiefliegende Gewichte, was die Verdrängung und damit den Formwiderstand erhöht (Verdrängertyp), oder großes Breiten-Längenver­ hältnis, was den Reibungswiderstand erhöht (Leichtdeplacement), sofern dieser nicht durch Übergang in den Gleitzustand kompensiert werden kann.

Eine weitere Bedingung ist die Kursstabilität = Richtungsgleichgewicht (Marchaj, ebenda, S. 383 ff.). Um es in jeder Lage zu wahren, muß dem seitlichen Auswandern des Segeldruckpunktes DP bei zunehmender Krängung ein achterliches Auswandern des Lateraldruckpunktes DPL entgegengesetzt sein. Diesem fließenden Vorgang wird, wie bekannt, behelfsweise dadurch entsprochen, daß DP gegenüber DPL ein gewisser Vorsprung gegeben wird, auch Lead oder Vorlauf genannt; nachteilig ist dabei, daß er bei geringer Krängung zu groß, bei starker jedoch zu gering ist. Infolge dieser Se­ gelluvgier ist Leeruder zu legen, was wiederum den Formwiderstand erhöht.

Eine weitere Beeinträchtigung der Fahrtleistung, die weitgehend unbeachtet bleibt, weil der Vorgang durch den oben beschriebenen überdeckt wird, entsteht durch die Verformung des Rumpfes bei Krängung. Er wird unsym­ metrisch und nimmt im Umriß eine gekrümmte Gestalt an, deren verformte Mittelachse einen nach Luv gerichteten Bogen beschreibt, der Rumpf-Luvgier erzeugt und zusätzlich durch Leeruder kompensiert werden muß.

Dieses Ausbiegen der Mittelachse ist aber gerade die Voraussetzung dafür, daß hohe Querstabilität erzeugt wird, ohne daß schwere Gewichte die Ver­ drängung vergrößern, und damit den Formwiderstand des Rumpfes.

Ein zusätzlicher Nachteil der bekannten Kielboote besteht darin, daß die optimale Wirkung des Kieles gerade dann zur Verfügung steht, wenn er senk­ recht steht und eigentlich gar nicht gebraucht wird, weil kaum Lateral­ kräfte herrschen. Hilfsweise wird dem mit Kielschwertern begegnet, die dem Nachteil des überflüssigen Kiels ganz oder teils abhelfen, oder auch mit Kimmschwertern, die allerdings einen hohen Konstruktions- und Bedie­ nungsaufwand erfordern. Auch die bekannte Anordnung von Kimmkielen hat den Nachteil, daß die Kielflächen verdoppelt werden, solange das Boot aus den weiter oben angeführten Gründen möglichst aufrecht gesegelt wer­ den muß.

3. Die Lösung der divergierenden Probleme, die sich in der Vielzahl der unterschiedlichsten Bootstypen spiegelt, die jeweils nur Teilzwecke er­ füllen, unvollkommene Kompromisse der einander widersprechenden Bedingungen darstellen, wird ermöglicht durch ein Segelboot mit tetraederförmigem Unterwasserschiff, die Anordnung der Ruderanlage im Anschluß an Kimm­ kiele in Verbindung mit der Vorrichtung einer Steueranlage, welche die Ruderblätter zweckentsprechend verschwenkt. Die Erfindung besteht demnach aus drei Teilen, die aufeinander bezogen sind und ein zusammenhängendes Ganzes bilden.

3.1 Der ins Wasser eintauchende Teil des Rumpfes in der Grundform eines Tetraeders mit gestrecktem, gleichschenklig-dreieckigem Boden birgt in sich je nach Lage drei Unterwasserschiffe: In horizontaler Lage das eines Gleiters mit breiter, nach achtern anwachsender Auflagefläche; in seit­ lich geneigter Lage die von Katamaranrümpfen, lang und schmal, deren Bugsteven zusammenfallen und nach achtern auseinanderstreben (Fig. 1, 1). Unter Krängung verwandelt sich die nach achtern zunehmende Breite des Bodens ganz automatisch in zunehmende Tauchtiefe (Fig. 7 und 8). Die den Boden begrenzenden Kanten = Kimm verwandeln sich dabei zu einer Kiellinie, die zur ursprünglichen Mittelachse einen spitzen Winkel bildet. Die Verdrängungskurve (Fig. 6) verändert sich dabei nur geringfügig, sie nimmt vorn ein wenig zu, wird in der Mitte flacher, achtern etwas höher und endet in einem Absatz, der das eintauchende Heck charakteri­ siert (gestrichelte und volle Linie). Gewichtsschwerpunkt G, Hauptspant und Auftriebsmittelpunkt Δ fallen in ihren Längskoordinaten zusammen. Jedoch ist Δ gegen G seitlich ausgewandert und bildet dem Hebelarm h₁ ein Drehmoment, ohne daß die Kiellinie = Kimm in der Achse x (Fig. 8) eine nach Luv gerichtete Krümmung aufweist. Damit ist das Problem der Rumpfluvgier gelöst (vergl. S.2, Zeile 12 ff.). Ferner taucht der Kiel tiefer und steht senkrecht, entfaltet also bei wesentlich geringer (halber) Größe einen größeren Lateralwiderstand als ein Mittelkiel (Fig. 8, vergl. KK mit MK). Damit ist das Problem (vergl. S.2, Zeile 21 ff.) gelöst.

3.2 Das Unterwasserschiff in der Form eines modifizierten Tetraeders hat im Wesentlichen die gleiche Charakteristik wie die Grundform 3.1. Abweichend davon besitzt es einen gekrümmten Boden, der vorn bis zur Horizontalen aufgebogen ist, und Seiten (Bordwände), die bis zur Parallele miteinander und zur Mittelachse eingebogen sind. Der Boden ist mittschiffs und achtern durchgebogen. Die Kimm in Kielebene bildet ebenso eine Gerade (Fig. 10 und 11). Das Verdrängungsvolumen achtern ist größer geworden, vorn kleiner. Die Verdrängungskurve (Fig. 9) ist nach achtern verschoben.

Infolge der Ausbauchungen in Boden und Seiten ist das Verdrängungsmaximum H nach achtern ausgewandert, G und Δ um Betrag a sind ihm gefolgt und liegen dort, wo das Volumen an Breite und Tiefe zugenommen hat. Dort bildet G mit dem um h₂ vergrößerten Hebelarm h₁ (vergl. Fig. 7 und 8) das Auf­ richtemoment Δx h₃, ohne daß die Kiellinie = Kimm in der Achse x gekrümmt wäre (Fig. 11). Außerdem hat die Tauchtiefe des Kiels infolge des tiefer eintauchenden Rumpfes zugenommen und den Lateralwiderstand optimal erhöht. Damit ist das Problem Querstabilität (vergl. S. 1, Zeile 31ff.) optimiert gelöst.

3.3 Das Problem der Richtungsstabilität ist anschaulich dargestellt auf Zeichnungsblatt 6 (vergl. S. 2, Zeile 3 ff.). Auch mit modifizierter Kimm durch Doppelknickspant oder Ausrundung bleiben alle Vorteile wie unter 3.1 und 3.2 beschrieben erhalten. Gleichzeitig mit dem tieferen Ein­ tauchen des Achterschiffs unter zunehmender Krängung wandert der Lateral­ druckpunkt DPL um den Betrag l' nach achtern (Fig. 13.2) und seitwärts (Fig. 14). Der Segeldruckpunkt DP um den Betrag s senkrecht zur Kiel­ linie = Kimm seitlich versetzt bildet ein Drehmoment aus Segeldruck x s, welches den Rumpf in den Wind drehen würde: die bekannte Segelluvgier. Dem wirkt entgegen ein rückdrehendes Moment aus Lateraldruck x l', bezogen auf seine Projektionsachse x. Da DP und DPL mit zunehmender Krän­ gung gleichfalls auswandert, kompensieren sich die beiden Drehmomente auto­ matisch: Die Kursstabilität ist gewährleistet, ohne daß zusätzlicher Formwiderstand aus Luvruder induziert wird. Damit ist auch dieses Pro­ blem eliminiert. Darüber hinaus bildet Achse x mit der Mittelachse einen Winkel β, um den der Rumpf aufdriftet: Er segelt also tatsächlich höher am Wind als seine Mittelachse! Die Weise, wie sich die gegeneinander wirkenden Kräfte ausgleichen, ist graphisch dargestellt in dem Polar­ diagramm (Fig. 16), indem die Resultierende r der Kräfte aus Segel und Rumpf gleichgerichtet und entgegengesetzt wirkend sein müssen (Marchaj, ebenda S. 98).

3.4 Die Art und Weise des einheitlichen Zusammenwirkens von Rumpfform, Kiel und Ruder ermöglicht es, die Segellage des Bootes zu beeinflussen, sie zu bestimmen und nach Bedarf zu korrigieren. Dazu ist es erforderlich, daß zwei Kiele paarweise in stumpfem Winkel an beiden Seiten auf der Kimm angesetzt sind dergestalt, daß sie sowohl horizontale als auch vertikale Kräfte auszuüben vermögen. Die Größe des Winkels wird bestimmt von der Dimensionierung der Segelfläche und ihrer Stellung in Relation zu Länge, Breite und Tiefe des Tetraederrumpfes und der eigenen Flächengröße von Kiel und Ruder. Er ist prinzipiell variabel, jedoch vorzugsweise orien­ tiert an der Größe des Krängungswinkels ψ, auf dem das Boot überwiegend segeln soll. Die feststehenden Kiele üben symmetrische Wirkungen aus, ebenso der symmetrische Rumpf, solange das Boot in ebener Lage fährt. Die an die Kiele gelenkig angeschlossenen Ruderblätter ermöglichen es, durch ihre veränderliche Stellung den Rumpf 1. zu drehen und zu wenden (wie bekannt), 2. zu krängen und aufzurichten und damit den Quertrimm zu beeinflussen, 3. im achteren Bereich Staudruck zu erzeugen und ihn damit anzuheben und damit den Längstrimm zu korrigieren. Die Weise, wie das funktioniert, ist in Fig. 14 an der Backbordhälfte Bb und in Fig. 13.1 im Seitenriß dargestellt: Der Rumpfboden hebt sich bei schneller Fahrt infolge Staudruck q₁ im Vorschiff, seine Achse steigt um den Trimmwinkel τ (Marchaj, ebenda S. 383-387) und das Boot gleitet auf. Dabei verliert es an Verdrängung und gewinnt an Geschwindigkeit im Zustand des Halbgleitens, auch Surfen genannt. Um es in die horizontale Lage überzuführen und in den Zustand des Gleitens zu bringen, bedarf es einer Gegenkraft, die durch Gewichtstrimm = Crew aufs Vordeck gewonnen werden kann oder durch Staudruck unter dem Boden weiter achtern. Dieser wird erzeugt indem Ruder einwärts geschwenkt werden, den Strömungsquerschnitt zwischen den Kielen verengen und durch ihre auch abwärts gerichtete Stellung selbst Druck erhalten, und dadurch den Staudruck q₂ erzeugen, der q₁ kompensiert. Diese Methode hat den Vorteil, daß ein Einhandsegler die Plicht nicht zu verlassen braucht, um eher in den Genuß schnellerer Fahrt zu kommen.

3.5 Die Steuerung der Ruderblätter unabhängig voneinander, wie es in den bei den unter 3.1 bis 3.4 dargestellten Stellungen erforderlich ist, be­ wirkt die Vorrichtung der Steueranlage. Diese besteht aus den Ruderachsen (6), die mit den Steuerhebeln (Pinnen 4) durch ein Gelenk (Kopfgelenk wie bekannt) verbunden sind. Eine Stellstange (5) koppelt die Pinnennocken (Fig. 2). Die Darstellung entspricht der Ausgangslage = Ruhestellung, bei der die Ruderblätter parallel stehen. Um die Stellung der Pinnen unabhängig voneinander in jeder Richtung beweglich zu machen, ist die Stellstange an sie mittels Kardan- oder Kugelgelenken gekoppelt (Fig. 2).

Paralleles Anheben der Pinnen verdreht die Kopfgelenke derart, daß die Ruderblätter einwärts schwenken und den Strömungsquerschnitt verengen. Die Wirkung ist wie unter 3.4 beschrieben (Fig. 3.1). Weiteres Anheben steigert die Wirkung der Verengung bis zur Bremse, die die Fahrt rasch stoppt und das Boot geeignet ist, Kollision in Notfällen zu vermeiden. Trotzdem bleibt das Boot manövrierfähig und kann bei gleichzeitigem seit­ lichem Verschwenken den Kurs ändern (Fig. 3.2).

Seitwärtsdrehen der Pinnen bewirkt, daß die Ruderblätter im Gegensinne verschwenken, das einschwenkende stärker als das ausschwenkende. Gleich­ zeitiges Anheben der einschwenkenden Pinne bewirkt Rückdrehung und Paral­ lelstellung. Dabei steht der Stellhebel diagonal (Fig. 4).

Einwärtsdrehung der Pinnen bei gleichzeitigem Anheben der einen von beiden bringt die Ruderblätter in Gleichrichtung mit den Kielen (2). Dabei steht der Stellhebel senkrecht (Fig. 5).

Die gleiche Ruderstellung würde alternativ erreicht, wenn die Pinnen ab­ wärts parallel gedrückt würden; das setzt aber voraus, daß auf eine Be­ grenzung der Pinnenbeweglichkeit = Anschlag verzichtet würde, was die Handhabung unbequemer machen würde (gestrichelte Linien). Diese Stellung ermöglicht vorzugsweise das Segeln hoch am Wind. Um dieses Manöver abzu­ brechen und die Wende einzuleiten, wird mit dem eingetauchten Ruderblatt Gegenruder gegeben, d. h. der Stellhebel gesenkt bis zur Horizontalen (Fig. 4: gestrichelte Linie). Dadurch verschwenkt das eingetauchte Blatt so weit einwärts, daß es vermehrt Druck von unten bekommt, das Boot auf­ richtet, bis der Luvkiel gleichfalls eintaucht und Druck von oben erhält. Gemeinsam werfen beide dann den Rumpf über Stag und wenden es auf den neuen Bug durch den Wind. Diese Funktion beschleunigt den Vorgang "Wende". Dieselbe Stellung ermöglicht es funktionell anders benutzt, den Rumpf in Krängung zu halten oder zu zwingen, wenn anders, z. B. durch mangelnden Winddruck, trotz Leetrimm der Crew der angestrebte optimale Krängungswin­ kel ψ, der relativ geringere Widerstände bedeutet, nicht erreicht werden kann. In diesem Fall hält das senkrecht stehende Leeruder den Kurs, das doppelt stark geneigte Luvruder erzeugt bei Berührung der Wasseroberfläche (Fig. 10: w) dynamischen Auftrieb auf der Luvseite (vergl. Fig. 14, Bb). Der Rumpf wird dadurch gestützt und bleibt in der angestrebten optimalen Lage.

3.6 Eine alternative Version der Steueranlage besteht aus Ruderachsen, an deren Kopfgelenke (wie bekannt) Stellhebel (6) angelenkt sind, die mittels Kardan- oder Kugelgelenken (7) durch eine Stellstange verbunden = gekoppelt sind. Ein weiteres Gelenk (7) in der Mitte wird durch einen Hebel (8) gesteuert, der starr an eine Pinne (3) angeschlossen ist. Deren Funktion ist die Gleiche wie die der unter 3.5 beschriebenen Steuerhe­ bel (vergl. S. 5, Zeilen 30 ff.). Die horizontalen und vertikalen oder diagonalen Steuerbewegungen entsprechen denen der Doppelpinnen und be­ wirken mittels der Stellstange (4) die entsprechenden Ruderschwenkungen (Fig. 12.1). Die Wirkung der jeweiligen Stellung der Pinne überträgt sich auf die Stellung der Stellstange (Fig. 12.3) und die Stellung der Ruderblätter (Fig. 12.2), welche letzteren tabellarisch schematisch dargestellt sind. Dabei entsprechen die Stellungen 1. bis 5. in allen drei Figuren einander.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Steuerhand an der Pinne nur auf-und-ab und hin-und-her bewegt werden muß und nicht noch Drehbewe­ gungen auszuführen hat wie an der Stellstange für zwei Pinnen. Dafür ist diese Anordnung technisch aufwendiger. Außerdem ist die Pinne schon bei Stellung 1. = Ruhelage anzuheben.

4. Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge­ stellt auf Blättern 5 und 6. Fig. 14 zeigt in der gestrichelten Umriß­ form das Unterwasserschiff in ebener Lage zum Zwecke des Gleitens und auf der Backbordseite (Bb) die dazu gehörige Stellung der Ruderblätter (2) mit dem Stellwinkel (< β), der den Vorgang des Aufgleitens herbei­ führt. Dem entspricht in Fig. 12.1, 12.2. und 12.3 die Steueranlage in Stellung 4., in welcher die Pinne angehoben und die Ruderblätter einwärts geschwenkt sind.

Im voll ausgezogenen Umriß zeigt Fig. 14 das Unterwasserschiff in gekrängter Lage zum Zwecke des Hoch-am-Wind-Segelns und auf der Steu­ erbordseite (Stb) die zugehörige Stellung des nun senkrecht stehenden, in Kielebene gerichteten Ruderblattes, das maximale Aufdrift im Winkel β zur Mittelachse bei minimalem Fahrtwiderstand liefert. Dabei ist der Bb-Kiel ausgetaucht, der Rumpf lanzettlich schmal und schnell und rich­ tungsstabil und erzeugt minimale Widerstände. Dem entspricht Stellung 3. oder 5. der Steueranlage.

Claims (7)

1. Segelbootsrumpf mit einem Unterwasserschiff in der Grundform eines Tetraeders (Fig. 1 und 7), dadurch gekennzeichnet, daß seine Ver­ drängungskurve (Fig. 6) in ihrem gesamten Verlauf positiv = konvex gekrümmt ist; dabei weder am Anfang noch am Ende negativ = konkav ausläuft; seine Breite nach achtern kontinuierlich zunimmt, seine Tiefe dagegen abnimmt (Fig. 7 und 10).

2. Segelbootsrumpf mit einem Unterwasserschiff in der modifizierten Form eines Tetraeders wie nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß seine Verdrängungskurve (Fig. 9) wie nach 1. gekrümmt ist, jedoch ihr Flächenschwerpunkt = Auftriebsschwerpunkt nach achtern auswandert; seine Breite wie nach 1. zunimmt, jedoch bis parallel zueinander und zur Mittelachse ausläuft; seine Tiefe wie nach 1. abnimmt, jedoch nach vorn bis horizontal ausläuft (Fig. 10, 13.1, 13.2 und 14).

3. Segelbootsrumpf wie nach 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß seine Kante = Kimm als Knickspant (Fig. 8), als Doppelknickspant oder als Rundspant (Fig. 11 und 15) gestaltet sein kann.

4. Ruderanlage an einem Segelbootsrumpf nach 1., 2. und 3., dadurch gekennzeichnet, daß an zwei Kimmkielen, deren Fläche zum Boden in ei­ nem stumpfen Winkel steht, je ein Ruderblatt gelenkig angehängt ist dergestalt, daß beide zusammenwirkend den Rumpf hydrodynamisch drehen, wenden, vertrimmen, krängen und aufrichten können (Fig. 2., 3., 4., 5. und 12.1, 12.2, 12.3).

5. Steueranlage für eine Ruderanlage nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Ruderblätter mit 2 Pinnen, die mittels Stellstange gekop­ pelt sind, bewegt werden können (Fig. 2, 3, 4, 5).

6. Steueranlage für eine Ruderanlage nach 4., dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Ruderblätter mittels Stellhebeln an eine Stellstange ge­ koppelt sind, die mit einer einzigen Pinne bewegt werden kann (Fig. 12.1, 12.2, 12.3).

7. Segelbootsrumpf nach 1., 2. und 3., Ruderanlage nach 4. und Steueranlage nach 5. und 6. als komplexe Einheit, gekennzeichnet dadurch, daß unter Krängung die hydrodynamischen Vortriebswiderstände verringert, der La­ teralwiderstand vergrößert und die Drehmomente selbsttätig eliminiert werden.