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Stand der Technik. Leitflächen am Heck von Surfbrettern.
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Bei Surfbrettern in Fahrt und beim Manövrieren ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes die optimale und an Strömungswiderständen arme Funktionsweise entscheidend für höchste Fahrleistungen. Grundsätzlich sind bei leistungsoptimierten Segelfahrzeugen, Yachten und Jollen nach Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer bei geringem Gewicht von Bedeutung. Zu den fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich von Segelfahrzeugen gehören der Yachtkiel, das Jollenschwert, die Ruderanlage, bzw. die Ruderblattfläche im Allgemeinen, bei Surfbrettern insbesondere un in vielen rezenten Konstruktionen einzig die als Leitflächen ausgeführten Finnen am Heck des Segelfahrzeuges.
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In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich mit symmetrischen Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Dies gilt insbesondere für Surfbrettfinnen.
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Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Surfbrettfinnen resultierende Querkraft wird beim Manövrieren genutzt. Surfbrettfinnen nach Stand der Technik sind üblicherweise aus symmetrisch profiliertem Vollmaterial. Für die Kontur des vom Surfbrettkörper abweisenden, freien Surfbrettfinnenflächenendes sind unterschiedliche Formen bekannt.
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Stand der Wissenschaft und Technik.
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Die aus dem Energieumsatz am Surfsegel hervorgerufene und zum Segeln erforderliche Vortriebskraftkomponente bildet mit der bei Segelsurfbrettern durch die hydrodynamisch wirksamen Unterwasserteile des Surfbrettes erzeugte Querkraft ein Kräftesystem aus dem die Vortriebsbewegung resultiert. Die Projektion der hydrodynamisch wirksamen Unterwasserteile des Surfbrettes und der Anbauten wird Lateralplan genannt. Bei Segelsurfbrettern stellt das Schwert und ddie heckfinne den überwiegenden Anteil des Lateralplans.
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Von Bedeutung für die unten beschriebenen und auf die Erfindung Bezug nehmenden hydrodynamischen Vorgänge ist (1) der Umstand einer nichtzentrischen Anströmung des Finnenblattprofils in Fahrt und beim Manövrieren und (2) die für das Segelsurfen typische (verfahrensbedingte) beidseitig wechselnde Strömungs-Beaufschlagungsrichtung. Die dem entsprechenden hydrodynamischen Vorgänge sind Ursache dafür, dass die Strömungsprofile von Segelsurffinnen nach Stand der Technik symmetrisch sind und die Finnentragflächen aus (symmetrisch profiliertem) Vollmaterial bestehen. Derartige Profile sind aus physikalischer Sicht bei nicht zentrischer Anströmung durchaus zur Generierung von Querkräften geeignet. Sie bilden einen „Tragflügel” aus. Segelsurfbretter ohne Schwerttragfläche sind Stand der Technik. Surfbretter, die nicht zum Segelsurfen benutzt werden besitzen generell keine Schwerttragfläche. Wölbbare oder flexibel, nichtsymmetrische Leit- und Steuerflächen, (gegebenenfalls klappbare) Surffinnenblattprofile sind Gegenstand experimenteller und theoretischer Untersuchungen und Stand der Forschung, der Entwicklung und der Technik bei Surfbrettern. Grundsätzlich gilt, dass die Beiträge flexibel, nichtsymmetrischer Leitflächen zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Seefahrzeugen relevant sind. Den aus dem Yachtdesign im Speziellen und aus Konstruktionen von Seefahrzeugen im Allgemeinen bekannt gewordenen Konstruktionen ist gemeinsam, dass die Wölbung, die Klappbewegung bzw. die Strömungsprofilvariabilität von außen angesteuert oder zwangskinematisch erzwungen werden muss.
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Stand der Wissenschaft. Biologie, Kinematiken.
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Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden komplexe, mehrachsige, räumlich wirksame Getriebesysteme aus. Das Handgelenk rezenter Lebewesen und dessen evolutionsbiologisch relevante Frühstadien die als Fossilen vorliegen, können als biologisches Vorbild für eine vierachsige (technische) Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip dieser technischen Vierachsen-Scharnier-Kinematik ist jenes von vier dreidimensional-räumlich verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren Scharnier-Drehachsen einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen dreidimensionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems ein Untersetzung- oder eine Übersetzung dar. Bei mechanischer Beaufschlagung bilden die beschriebenen Gelenkplattenkinematiken abhängig von der Anordnung der Gelenk- und Fixationsebenen(Knick-)Gewölbeformen aus.
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Problembeschreibung
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Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagbarkeit auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, Rudertragflächen von Seefahrzeugen, Schwerttragflächen von Segelvollen und Finnenvon Segelsurfbrettern im Allgemeinen symmetrische Profile. Allerdings erfordern in einer Achse vertikal zur Hauptströmungsrichtung wölbbare oder scharnierartig Leit- und Steuerflächen nach Stand der Technik einen hohen Steuer- und Kontrollaufwand. Auf dem Gebiet der Surfbrettfinnen sind wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen gänzlich unbekannt. In Fahrt und beim Manövrieren von Surfbrettern sind flexible, nichtsymmetrische Profile wünschenswert.
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Problemlösung
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Die fluiddynamisch wirksame Finnentragfläche eines Surfbrettes ist in einer vertikal zur Strömungshauptrichtung beweglich gelagert ausgeführt (Klappenprofil). Segmente der Surfbrettfinnentragfläche sind als bewegliche, passiv vom Strömungsdruck beaufschlagbare, also strömungsadaptive Tragflächen ausgeführt derart, dass diese (1) bei nichtaxialer Anströmung der Surfbrettfinnentragfläche automatisch nach Lee (auf die der Strömung abgewandte Seite) um wenige Winkelgrade ausgelenkt wird und (2) durch eine Vierachsen-Scharnier-Kinematik dem in vertikaler Achse beweglichen Surfbrettfinnentragflügel zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form im Sinne einer Wölbverformung aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Surfbrettfinnentragflügel folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids.
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Erreichbare Vorteile
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Durch die leewärtige Passivbewegung der Rudertragfläche wird erreicht, dass – vermittelt über die beschriebene zwangskinematischen Wölbverformung die Profilkontur der Surfbrettfinnentragflügelfläche eine strömungsgünstige, den Formwiderstand mindernde und den dynamischen Vortrieb steigernde Gestalt automatisch, d. h. geometrisch autoadaptiv und energetisch autonom annimmt. Die resultierende Widerstandsminderung im Bereich des Unterwasserschiffs beeinflusst die Energiebilanz des Gesamtsystems positiv.
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Aufbau, und bauliche Ausführung und Wirkungsweise
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Die fluidmechanisch wirksamen Surfbrettfinnentragflächen sind in der Regel profiliert ausgeführt. Das vom Schiffskörper abgewandte Surfbrettfinnentragflächenende (Tragflächenrandbogen) ist typenbedingt geformt und mit unterschiedlichen Konturen ausgebildet. Für Surfbrettfinnentragflächen nach Stand der Technik sind unterschiedliche Profile und Profilkombinationen bekannt.
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Bauweisen und Bauausführungen der Anmontage einer Surfbrettfinnentragflächentragfläche an ein Surfbrett sind nicht Gegenstand der Erfindung. Der Ausschluss einer Surfbrettfinnentragflächen an ein Surfbrett ist sinngemäß und schematisch dargestellt in Abbildung, 1 zu ersehen als ebenso schematisch angedeutete Befestigungsschraube BS zur Anmontage an eine gegebenenfalls standardisierte Montagebucht eines Surfbrettes SB.
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Aufbau und bauliche Ausführung.
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Das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenteil F1, das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3, das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F4, sowie das das scharnierartig ausgeführte und Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und Surfbrettfinnentragflächenteil F3 verbindende und das Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und Surfbrettfinnentragflächenteil F2 verbindende und das F3 und das Surfbrettfinnentragflächenteil F4 verbindende Scharnierinlet S1 und das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F2 und F4 verbindende Scharnierinlet S42 bilden zusammen eine konstruktive und funktionale Einheit.
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Die schematische Skizze, 1 zeigt den Gesamtaufbau der Erfindung nach Anspruch 1.
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Die mechanische Bindung an das Surfbrett SB leistet das Surfbrettfinnentragflächenteil F3; hinsichtlich des Gesamttragflügelsystems entspricht dies einer heckwärtigen Bindung.
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Die Gelenkebene (Gelenkachse) E21 des Gelenkes S1 und die Gelenkebene (Gelenkachse) E42 des Gelenkes S42, die Gelenkebene (Gelenkachse) E43 und die Gelenkebene (Gelenkachse) E31 besitzen einen gemeinsamen Schnittpunkt. Das Gelenk S1, welches die bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F1 mit dem heckwärtigen Surfbrettfinnentragflächenteil F3 verbindet und daes heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 und dem heckwärtigen Surfbrettfinnentragflächenteil F4 verbindet, ist als Biegebauteil mit wählbarer Steifigkeit ausgeführt.
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Das Gelenk S42, welches das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F4 verbindet, liegen in der der Gelenkebene (Gelenkachse) E42 und sind als Biegebauteil mit wählbarer Steifigkeit ausgeführt.
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Das Gelenk S1, welches die heckwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F3 und das heckwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F4 in der Gelenkebene E43 verbindet, wird durch eine Phase von nur wenigen Winkelgraden (Alpha < 5°) in seiner Beaufschlagbarkeit begrenzt. Diese Begrenzung determiniert die Winkelbeweglichkeit in den anderen Gelenkebenen.
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Das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F1, das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 sowie das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F2, das heckwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F4 sind in klassischer Urformbauweise nach Stand der Technik aus Kunststoff fertigbar. Die Gelenke S1 und S42 in den Gelenkebenen (Gelenkachsen) E31, E21, E42 und E43 sind form- und stoffschlüssig als Gelenkinlets im Sinne von Verbindungselementen zu platzieren und zu fügen. Größe und Steifigkeit der Gelenkinlets S1 und S42 sind Konstruktionsparameter und skalierbar. In 2 ist skizzenhaft ein Schnittbild der Surfbrettfinnenblattprofilgeometrie dargestellt.
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Kinematische Wirkungsweise.
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Die konstruktive Ausgestaltung der winkeligen Abkantungen an den Flanken zu den Bauteilen F1 und F2 ist entscheidend für die kinematische Wirkungsweise des strömungsbeaufschlagten, räumlich beweglichen Tragflügels nach Anspruch 1.
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Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels in Ruhelage.
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In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand bilden das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F4 nach Anspruch 1 gemeinsam ein symmetrisches Surfbrettfinnentragflächenprofil aus. Desgleichen bilden in Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand das bugwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnenflächenelement F4 nach Anspruch 1 gemeinsam ein symmetrisches Leitflächenprofil aus. Die Gelenkachsen E21, E42, E43 und E31 bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt; die Winkelsumme aller Gelenkebenen ist 360°. In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand liegen die Gelenklinien E21, E42, E43 und E31 in einer gemeinsamen Ebene; die Ebene fällt in Ruhelage zusammen mit der Vertikalebene der Hauptbewegungsrichtung des Surfbrettes und damit zusammen mit der Hauptanströmrichtung der Surfbrettfinne.
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Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels unter nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung.
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere bei raumigen und Amwind-Kursen eines Segelsufrbrettes tritt am Unterwasserschiff eine nicht zentralsymmetrische fluidische Beaufschlagung auf. Die auf das Unterwasserschiff wirkende, resultierende Strömungsbewegung lässt sich in einen parallel zur Symmetrieachse des Surfbrettes liegenden Anteil und in einen quer zur Symmetrieachse des Surfbrettes liegenden Anteil beschreiben, was für die Erklärung der physikalisch-fluidmechanischen Wirkungsweise strömungsbeaufschlagter, räumlich Leitflächen an Segelsurfbrettern von Bedeutung ist.
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Eine Surfbrettfinne mit symmetrischem Tragflächenprofil nach Stand der Technik besitzt auch bei nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung einen Betriebsbereich, in dem das Verhältnis aus erlittenem Widerstand und der für das Voranbewegen erforderlicher erzeugter Querkraft vertretbar ist und insgesamt gesehen die Strömungsbedingungen zum Segeln taugen, oder kurz: auch symmetrische Profile erzeugen bei nicht zentraler Beaufschagung „Auftrieb”. Der Betriebsbereich (Anströmwinkel, Geschwindigkeit) eines nichtsymmetrischen Tragflächenprofils kann in einem günstigen Auslegungsfall erheblich größer sein, als jener eines vergleichbaren symmetrischen Tragflächenprofils.
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Bei fluidischer Beaufschlagung (also im nicht symmetrischen Anströmungsfall) vollführt das aus den Tragflächenteiklen F1, F2, F3 und F4 repräsentierte Tragflächensystem eine zwangskinematische Klappbewegung. Gleichzeitig erfolgt, zwangskinematisch, dass das von bugwärtigen Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und dem heckwärtigen Surfbrettfinnentragflächenteil F4 gebildete Tragflächensystem eine Klappbewegung (gestaltungsbedingt kleineren Winkels) ausführt.
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Die Gelenkebene E43 und das scharnierartig ausgeführte Gelenk S1 bewirken, dass das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F4 zwangskinematisch ein nicht symmetrisches Tragflächenprofil ausbilden, wenn durch fluidmechanische Beaufschlagung, das aus F1, F2 und F4 gebildete Tragflügelsystem aus der geometrischen Ruhelage um einen gestaltungsbedingten Winkel von 5° oder weniger ausgelenkt wird.
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Fluidmechanische Wirkungsweise.
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Bei nichtaxialer Anströmung arbeitet eine reguläre Surfbrettfinne als fluiddynamische und querkrafterzeugende Auftriebsfläche. Durch die bei nicht axialer Auslenkung infolge fluidischer Beaufschlagung erzwungene Wölbgeometrie entsteht ein fluidmechanisch wirksames, vorteilhaftes Surfbrettfinnenblatttragflächensystem.
