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Dr. Otto Stemme
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Heideckstraße 29, 8000 München 19 Herbert Schultes Höchelstraße 4,
8000 München 80 Finne für ein Surfbrett Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Finne für ein Surfbrett, mit im wesentlichen parallel zur Brettlängsachse und senkt
zur Brettunterseite verlaufenden Finnenseitenflächen.
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Surfbretter besitzen im hinteren Bereich aus dem Boden nach unten
herausragend, eine oder mehrere Finnen. Segelsurfer weisen zusätzlich zu den Finnen
im mittleren Bereich des Brettes ein Schwert auf. Sowohl Finne als auch Schwert
tragen zur Richtungsstabilität des Surfbrettes bei. Die Finne ist im allgemeinen
wesentlich kleiner als das Schwert. In der kombinierten Wirkung wächst der Einfluss
der Finne, je kleiner das Schwert wird. Ihr Einfluß auf die Richtungsstabilität
nimmt zu. Bei Höchstgeschwindigkeiten übernehmen die Finnen die Hauptrolle für die
Richtungsstabilität, vor allem dann, wenn ohne Schwert gefahren wird. In der schnellen
Gleitphase, bei der nur noch der hintere Teil des Brettes auf dem Wasser liegt,
sind die Finnen das entscheidende Element zur Gewährleistung der Richtungsstabilität.
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Nun hat sich in höheren Geschwindigkeitsbereichen gezeigt, daß die
richtungsstabilisierende Wirkung plötzlich aussetzen kann. Das Heck des Surfbrettes
bricht in solchen Fällen plötzlich
ohne Vorwarnung aus. Dieser Effekt,
der zwangsläufig zu Stürzen führt, wird in der Fachwelt als spin out bezeichnet.
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Eine Ursache für diesen Effekt kann darin bestehen, daß Luft unter
das Brett gelangt, so daß zunehmend Luftblasen gegen die Finne strömen und diese
dadurch in ihrer durch die Umströmung mit Wasser bedingten Wirksamkeit gestört wird.
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Es ist bekannt, zur Reduzierung dieses Effektes im oberen Bereich
der Finnen Manschetten anzubringen. Diese verhindern, daß Luft in den unteren Bereich
der Finne gelangt und stattdessen nach hinten abgeleitet wird. Bei Verwendung mehrerer
Finnen hat es sich bewährt, diese Finnen nicht zu nahe an den Brettrand zu setzen,
da sie dort stärker der Luftzufuhr ausgesetzt sind, als weiter innen. Versuche haben
ergeben, daß sich durch derartige Maßnahmen zwar graduelle Verbesserungen erreichen
lassen. Das Problem des "spin out" ist jedoch dadurch nicht zu lösen.
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Diese Erkenntnis gilt auch für Finnen, die mehr oder weniger stark
säbelartig gekrümmt ausgebildet sind. Derartige Ausbildungen erbringen zwar eine
weitere Verbesserung dahingehend, daß der spin out" erst bei höheren Geschwindigkeiten
auftritt.
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Eine Vermeidung dieses Effektes kann jedoch auch durch eine derartige
Formgebung nicht erreicht werden.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Vermeidung des spin out" eine
im Querschnitt parallel zum Brettboden keilförmige, scharfkantige Flosse (mit Keilbasis
vorn) zu verwenden. Eine derartige Ausbildung hat aber den entscheidenden Nachteil
eines extrem hohen Strömungswiderstandes. Infolge starker Wirbelbildung an den scharfen
Keilbasiskanten sind "spin out -Geschwindigkeiten" mit derartigen Flossen nicht
zu erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Finne der eingangs
genannten Art auf einfache technische Weise ohne Einbuße an Festigkeit derart weiterzubilden,
daß in hohen Geschwindigkeitsbereichen der gefährliche Effekt des spin out" zuverlässig
vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche
der einen Finnenseite mit der Oberfläche der anderen Finnenseite über vorzugsweise
schlitzförmige Durchbrüche in Verbindung steht.
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Die Vermeidung des spin out-Effektes" bei Finnenkonstruktionen der
erfindungsgemäßen Art ergibt sich aus folgenden Oberlegungen: Wie aus der Strömungslehre
bekannt, kommt die sich um einen Strömungskörper ausbildende Strömung (Fig. 1) durch
Überlagerung einer Parallelströmung (Fig. 2) mit einer Zirkulationsströmung (Fig.
3) zustande. Dies gilt auch für wasserumströmte Finnen von Surfbrettern. Die unterschiedlichen
Geschwindigkeiten haben - entsprechend der Bernoullischen Gleichung - auf der angeströmten
Seite der schräg zur Strömung stehenden Finne einen Uberdruck, und auf der Gegenseite
der Finne einen Unterdruck zur Folge.
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Beide setzten sich zu einem auf die Finne in die Strömungsrichtung
zurückstellend wirkenden Gesamtdruck Pges (Fig. 1) zusammen. Im allgemeinen beträgt
der Anteil am Gesamtdruck durch die Druckerhöhung auf der angeströmten Seite (Stauseite)
etwa 1/3 und durch den Unterdruck auf der Gegenseite etwa 2/3.
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Voraussetzung für stabileDruckverhältnisse ist die Ausbildung und
Aufrechterhaltung einer Umströmung (Fig. 1). Dies ist jedoch - wie ebenfalls aus
der Strömungslehre bekannt - nur möglich, wenn zwsischen dem umströmten Körper,
also der Finnenoberflöche, und der umströmenden Flüssigkeit eine Grenzschicht
existiert,
die - mit ihrer untersten Lage an der Oberfläche haftend - die Haftkräfte auf die
strömende Flüssigkeit überträgt. Nur so ist eine der Körperkontur folgende Umströmung
möglich.
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Diese Grenzschicht kann verhältnismäßig leicht auf der Unterdruckseite
einer Finne von der Finnenoberfläche abreissen.
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In diesem Falle ergibt sich eine Strömung nach Fig. 4. Dementsprechend
bricht in dieser Phase der Unterdruck zusammen. Erfolgt dies plötzlich - was im
allgemeinen der Fall ist - fehlen schlagartig etwa 2/3 des richtungsstabilisierenden
Druckes, und damit ein erheblicher Teil der richtungsstabilisierenden Kraft, bzw.
des richtungsstabilisierenden Drehmomentes. Mit anderen Worten: Im richtungsstabilen
Zustand besteht ein kompensatorisches Gleichgewicht zwischen dem auf dem Surfbrett
von Wind und Wasser hervorgerufenen auslenkenden Drehmoment und dem an der Finne
von der Gesamtkraft erzeugten rückstellenden Gegendrehmoment. Fehlt plötzlich ein
erheblicher Teil dieses kompensierenden Drehmomentes, dann überwiegt das auslenkende
Drehmoment schlagartig und dreht das Surfbrett.
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Dieser Effekt führt zum gefürchteten spin out".
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Als Ursache für das Abreißen der Grenzschicht und den damit verbundenen
"spin out" kommen Wirbelbildung, insbesondere am hinteren Finnenende, sowie das
Phänomen der Kavitation auf der Unterdruckseite in Betracht. Kavitation - Bildung
von Wasserdampfblasen auf der Finnenoberfläche der Unterdruckseite - entsteht, wenn
der Druck derart stark abfällt, daß bei der herrschenden Wassertemperatur der Siededruck
des Wassers erreicht wird.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindung der Oberfläche der einen Finnenseite
mit der Oberfläche der anderen Finnenseite einer die vorzugsweise schlitzförmigen
Durchbrüche wird nun erreicht, daß die durch die Durchbrüche hindurchtretende starke
seitliche Strömung - die Finne ist bei Verdrehung des Brettes
seitlich
angeströmt - die Grenzschicht auf der Rückseite, von den Schlitzkanten her, abreißt.
Bei erfindungsgemäßen Finnen wird daher weder in niedrigen noch in höheren Geschwindigkeitsbereichen
auf der Rückseite ein Unterdruck aufgebaut. Erfindungsgemäß ausgebildete Finnen
zeigen somit keinen spin out" mehr, da ein plötzliches Zusammenbrechen des bei herkömmlichen
Finnen auf der Unterdruckseite herrschen den Unterdruckes auf Grund des Fehlens
derartiger Druckverhältnisse nicht mehr stattfinden kann. Die stabilisierende Wirkung
erfindungsgemäßer Finnen beruht deshalb praktisch nur auf dem auf die angeströmte
Seite wirkenden Staudruck der entsprechenden Kraft.
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Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Finne ergibt sich im Vergleich
mit herkömmlichen Finnenkonstruktionen auch aus folgendem theoretischen Zusammenhang:
Durch Abströmen der Finnenfläche F ändert sich der Geschwindigkeitsvektor Lt ( Fig.
5, Fig. 6 ), die Änderung bzw. der Anderungsvektor ist AAS ,die Richtungsänderung
erfolgt um den Winkel α . Mit #v ist eine Impulsstromdifferenz AI senkrecht
zur Finnenfläche F und damit eine Kraft senkrecht zur Finnenfläche F verbunden,
d.h.
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Wegen und ist dann die Kraft bzw. der Druck auf F
q = Dichte des Wassers Vs= sekundlich angström des Wasservolumen ( Die Fläche F
wird nä rungsweise als eben trachtet )
Damit ergibt sich z.B. für
# = 1g/cm3 = 10³Kg/m³, v = 10 m/s = 36 Xm/h, F = 200 cm2 = 2- 10-2 m², α =
30° K = 10³ Newton # 100 Kilopond P = 5 104 N/m2 = 0,5 Bar # 0,5 Kp/cm2 Dies bedeutet
für einen Abstand vom Drehungsmittelpunktes des Brettes von z.B. 1,5 m ein rückstellendes
Drehmoment M = 1500 Nm#150 Kpm.
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Aus diese Werten wird ersichtlich welch hohe Anforderungen an die
mechanische Stabilität des Brettes gestellt werden und wie wichtig insbesondere
die Materialfrage ist.
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Die entsprechenden Werte sind für z.B.α = 100 K = 347 N # 34,7
Kp P = 1,73 # 104 N/m² = 0,175 Bar X 0,173 Kp/cm2 M = 520 Nm %, 52 Kpm .
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Wie aus der Strömungslehre bekannt ist, gilt für ein angeströmtes
Flügelprofil mit ausgebildeter Zirkulationsströmung, also im Falle der herkömmlichen
Finne (mit ausgebildetem Unterdruck) für die Kraft
ca = Konstante = "Auftriebsbeiwert" 1 = Länge des Flügels 2 bzw Höhe der Finne Die
Kraft wächst also mit v2. b = Breite des Flügels Dasselbe gilt entsprechend der
Kraft- bzw. der Finne (nach formel K = Fv²sinα auch für die er- hinten) findungsgemässe
Finne.
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In beiden Fällen tritt also dasselbe Geschwindigkeitsverhalten auf,
so dass für einen Surfer mit dem Einsatz der erfindungsgemässen Finne keine störende
Änderung des von der Benutzung herkömmlicher Finnen gewohnten Geschwindigkeitsverhaltens
verbunden ist.
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Die erfindungsgemässe Finne liefert also das gewohnte Geschwindigkeitsverhalten
- allerdings frei von spin out.
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Das Fehlen des Unterdruckes und des entsprechenden Kraft- bzw.
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Drehmomentanteiles kann bei erfindungsgemässen Finnen durch eine Vergrösserung
der Finnenfläche kompensiert werden: Herkömmliche Finne: Kraft auf Anströmseite:
K1, Druck; P1 Fläche der Anströmseite: F1 Unterdruckbedingte Kraft auf Gegenseite:
K2 Fläche der Gegenseite: F2 , Druck: P2 Erfindungsgemässe Finne: Kraft auf Anströmseite:
K1, Fläche der Anströmseite: F11 Es ist Forderung: Somit
d.h. dieselbe Kraft wie bei herkömmlichen Finnen --
FUr
Pges = Gesamtdruck, der auf eine herkömmliche Finne wirkt (Bei Vernachlässigung
der Fläche des Durchbruches bzw. der flrchbrüche) Dieser Faktor ist unter Berücksichtigung
der tatsächlichen Verhältnisse zu groß. Er setzt voraus, daß bei der zum Vergleich
herangezogenen herkömmlichen Finne über deren gesamte Fläche eine Zirkulationsströmung
bzw. über der gesamten rückseitigen Fläche gleichmäßig ein Unterdruck ausgebildet
ist. Dies ist jedoch bekanntlich nicht der Fall. Vielmehr findet um die untere Kante
der Finne herum entweder eine druckabbauende Ausgleichsströmung statt oder die Strömung
reißt bei höheren Geschwindigkeiten (Spin-out-Bereich) von der Kante her im unteren
Bereich der Finne auf der Rückseite ab, so daß hier praktisch kein Unterdruck auftritt.
Dies ist bei den nach hinten stark säbelartig verlaufenden Finnen für den gesamten
unteren Teil der Fall.
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Hierauf dürfte im übrigen die Verbesserung des Spin-out-Verhaltens
bei dieser Säbelform beruhen.
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Die die Oberfläche der einen Finnenseite mit der Oberfläche der anderen
Finnenseite verbindenden Durchbrüche können in der verschiedensten Weise ausgebildet
sein.
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Vorteilhaft ist es, die Durchbrüche in Form von Nuten zu gestalten,
deren Erstreckungsrichtung in Strömungsrichtung des Wassers verläuft. Zur Erzielung
der erfindungsgemäßen Lösung ist es jedoch auch möglich die Durchbrüche in Form
von Nuten auszubilden, deren Erstreckungsrichtung quer zur Strömungsrichtung des
Wassers, d.h. etwa vom Surfbrettboden nach unten bis zum Finnenende verläuft.
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Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn jeweils eine Anzahl
von Nuten parallel und im Abstand zueinander verteilt über den Finnenkörper angeordnet
werden.
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Im Falle einer Erstreckungsrichtung der Nuten in Strömungsrichtung
des Wassers können die Nuten im Abstand vor der Finnenvorder- und der Finnenhinterkante
enden. Dadurch entstehen sowohl im Bereich der Finnenvorder- als auch im Bereich
der Finnenhinterkante Stege, die eine außerordentlich stabile Gestaltung der Finne
ermöglichen.
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Ausgezeichnete Ergebnisse werden auch mit einer Ausgestaltung erzielt,
bei der die Nuten zur Bildung einer kammartigen Anordnung in Strömungsrichtung hinter
der Finnenvorderkante beginnen und bis in den Bereich der Finnenhinterkante auslaufen.
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Bevorzugt können die Nuten auch von den Zwischenräumen von parallel
und im Abstand zueinander angeordneten stabförmigen Elementen gebildet werden. Aus
Gewichtsgründen können diese stabförmigen Elemente beispielsweise aus Rohren hergestellt
werden. Eine besonders stabile und strömungsgünstige Form ergibt sich, wenn die
stabförmigen Elemente an ihrem in Strömung richtung vorderen Ende in einen die Finnenvorderkante
bildenden Steg übergehen und an ihrem in Strömungsrichtung hinteren Ende spitz oder
keilförmig auslaufen. Im Falle der Verwendung von Rohren für die stabförmigen Elemente
können die Auslaufbereiche durch spitz- oder keilförmig ausgebildete Kappen gebildet
werden.
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Versuche haben ergeben, daß bei kammartigen Ausbildungen oder solchen,
bei denen die Nuten im Abstand von der Finnenvorder- und der Finnenhinterkante enden,
die Nutbreite zweckmässigerweise einem Viertel der Breite des zwischen zwei Nuten
verbleibenden Steges entspricht.
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Im Falle einer Ausbildung mit parallel und im Abstand zueinander
angeordneten
stabförmigen Elementen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Durchmesser der
stabförmigen Elemente derart zu bemessen, daß er etwa dem zwanzigfachen der Breite
der Nut an deren engster Stelle entspricht.
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Bei Finnenausbildungen, bei denen die Erstreckungsrichtung der Nuten
quer zur Strömungsrichtung des Wassers, d.h. vom Surfbrettboden senkrecht nach unten
zum Finnenende verläuft, ist es aus Stabilitätsgründen vorteilhaft, daß die Nuten
im Abstand von der Finnenunterkante enden Dadurch wird im Bereich der ohnehin wenig
wirksamen Finnenunterkante ein Steg geschaffen, der eine statisch sehr stabile Ausgestaltung
der Finne ermöglicht.
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Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Nuten gradlinig, d.h. nach
Art eines Sägeblattschnittes zwischen den Finnenoberflächen verlaufen. Für besondere
Anwendungsfälle kann es jedoch auch zweckmäßig sein, die Nuten bogenartig zwischen
den Finnenoberflächen verlaufen zu lassen. Vorteilhaft ist es dabei, daß die Bogenachse
in bezug auf die Strömungsrichtung des Wassers stromaufwärts von den Nuten angeordnet
wird Bei derartigen Ausgestaltungen kann es zweckmäßig sein, die Länge der vom Surfbrettboden
nach unten verlaufenden Nuten zur Finnenhinterkante zu jeweils kleiner zu bemessen.
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Wegen der hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit der erfindungsgemäßen
Finnen eignen sich als Material besonders gegossene oder im Spritzverfahren verarbeitete
Kunststoffe. Diese können gegebenenfalls mit Einlagen, Glas- oder Kohlenstoffasern
verstärkt werden. Als Einlagen können Metallgerippe verwendet werden, insbesondere
solche aus Leichtmetallegierungen, wie Aluminium und Magnesium.
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Es können jedoch auch Titanlegierungen oder dergleichen eingesetzt
werden.
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Für besonders hohe Beanspruchungen eignen sich auch Ganzmetallausführungen,
z.B. aus Titan oder Aluminium-, Magnesium- bzw. Zinklegierungen. Diese Legierungen
können besonders kostengünstig im Druckgußverfahren verarbeitet werden.
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Im folgenden werden zur weiteren Erläuterungen und besseren Verständnis
der Erfindung verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben.
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Fig. 1 bis 6 zeigen Schemadarstellungen zur Erläuterung der im Vorangegangenen
beschriebenen theoretischen Zusammenhänge, Fig. 7,8 und 9 zeigen Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Finne, bei der die Durchbrüche in Form von Nuten ausgebildet
sind, deren Erstreckungsrichtung in Strömungsrichtung des Wassers verläuft, und
Fig. 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Durchbrüche ebenfalls
in Form von Nuten ausgebildet sind, die Erstreckungsrichtung der Nuten jedoch quer
zur Strömungsrichtung des Wassers verläuft.
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Bei den in den Figuren 7 bis 11 dargestellten Ausführungsformen wird
durch in Form von Nuten ausgebildete Durchbrüche die Oberfläche der einen Finnenseite
mit der Oberfläche der anderen Finnenseite hydraulisch verbunden. Dadurch wird erreicht
-wie eingangs bereits beschrieben - daß im Falle einer seitlichen Anströmung der
Finne Wasser durch die Nuten in Richtung der Unterdruckseite hindurchströmt und
in die Grenzschicht auf der Unterdruckseite eindringt. Diese Strömung, die etwa
senkrecht oder sogar in einem gewissen Winkel gegen die Strömungsrichtung auf der
Unterdruckseite gerichtet ist, nimmt von der Strömung in der Grenzschicht Bewegungsenergie
in der dort herrschenden Strömungsrichtung auf. Diese Bewegungsenergie wird der
ursprünglich in der Grenzschicht vorhandenen Bewegungsenergie entnommen, so daß
die Geschwindigkeit in der Grenzschicht stark abnimmt und die Grenzschicht in ihrer
Ausdehnung stärker wird. Dadurch können die Wasserteilchen nicht mehr gegen
den
(in Strömungsrichtung) nach hinten entlang der Finnenfläche sich erhöhenden Druck
anlaufen, so daß es zur Strömungsumkehr im Bereich niedrigen Druckes im Gebiet vor
der Nutenöffnung damit zum Abreißen von Grenzschicht und Strömung kommt.
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Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt
5 Nuten 1 im Finnenkörper angeordnet. Diese Nuten laufen parallel zueinander, wobei
ihre Länge von oben nach unten in Anpassung an die Finnenform geringfügig abnimmt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der Nuten etwa
5 mm und der Abstand A zwischen den Nuten etwa 20 mm.
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Da im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 die Nuten im Abstand von der
Finnenvorder- und der Finnenhinterkante enden, werden Stege 2 und 3 gebildet, die
eine sehr stabile Ausgestaltung dieser Finnenkonstruktion ermöglichen. Die Kanten
der Nuten 1 sind jeweils abgerundet und zur Vermeidung von Wirbeln weiche Übergänge
geschaffen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 beginnen die Nuten 1 zur
Bildung einer etwa kammartigen Anordnung in Strömungsrichtung in einem gewissen
Abstand hinter der Finnenvorderkante und laufen bis in den Bereich der Finnenhinterkante
aus. Die Bemessung der Nuten 1 sowie des Abstandes A zwischen den Nuten entspricht
etwa größenordnungsmäßig dem Ausführungsbeispiel der Figur 7. Der im Bereich der
Finnenvorderkante gebildete Steg 2 kann in seiner Breite den jeweiligen Gegebenheiten
entsprechend dimensioniert werden.
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Bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Nuten
1 von den Zwischenräumen von parallel und im Abstand zueinander angeordneten stabförmigen
Elementen 4 gebildet. Diese stabförmigen Elemente 4 sind an ihrem in
Strömungsrichtung
vorderen Ende in einem die Finnenvorderkante bildenden Steg 5 gehaltert, wobei die
Übergänge zur Bildung wirbelfreier Bereiche aus- bzw. abgerundet sind.
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Durch Anordnung von kegelförmigen Kappen 6 sind die stabförmigen Elemente
4 im Bereich ihres in Strömungsrichtung hinteren Endes strömungsgünstig gestaltet.
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Bei den in den Figuren 10 und 11 dargestellten AusfUhrungsbeispielen
verlaufen die Nuten 1 in bezug auf ihre Er streckungsrichtung etwa quer zur Strömungsrichtung
des Wassers, d.h. vom Surfbrettboden nach unten in Richtung des Finnenendes. In
beiden Ausführungsbeispielen sind in der Finne lediglich zwei Nuten 1 vorgesehen,
wobei die vordere Nut relativ dicht im Bereich der Finnenvorderkante angeordnet
ist, während die hintere Nut 1 etwa im letzten Drittel der Finnenfläche liegt. Bei
beiden Ausführungsformen ist die vordere Nut 1 relativ lang bemessen, während sich
die hintere Nut 1 etwa bis zur Finnenmitte erstreckt.
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Während im Falle der Ausbildung nach Figur 10 die Nuten 1 geradlinig,
d.h. nach Art von dünnen Sägeblattschnitten zwischen den Finnenoberflächen verlaufen,sind
die Nuten 1 im Falle der Ausführungsform nach Figur 11 bogenartig gestaltet. Die
Bogenachse liegt dabei in bezug auf die Strömungsrichtung des Wassers stromaufwärts
der Nuten.
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In allen Figuren ist die Strömungsrichtung zur Verdeutlichung der
Darstellung mit einem Pfeil gekennzeichnet.