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Segelanordnung für Wasserfahrzege.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung von gewöhnlichen l'uchsegeln
auf Wasserfahrzeugen, die es ermöglicht, die Kraf des Windes nicht nur zum Vorwärtstreiben
eines Fahrzeugs wirkungsvoller einzusetzen, sondern auch zur Erzeugung eires Auftriebs,
der eine seitliche Neigung des Fahrzeugs (Krängung) unabhängig vo der Windstärke
begrenzt und den Neigungswinkel (Krängungswinkel) konstant hält.
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Die heute übliche Segelanordnung für Boote und Yachten besteht meistens
aus einem als Hochsegel ausgeführten Hauptsegel und einem Vorsegel. Auch andere
Formen als Hochsegel werden benutzt.
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Ob tateinersegel, Luggersegel, Sprietsegel etc. sie alle haben, wie
das Hochsegel auch, in bezug auf die vorkommenden Kurse, das heißt Fahrtrichtungen
bezogen auf die Windrichtung, Starken und Schwächen, indem sie je nach Kurs die
Windkraft mehr oder weniger gut in Vortriebskraft umsetzen.
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Der gute Wirkungsgrad des Hochsegels bei Kursen hoch am Wind, scheint
sich bei höheren Kursen, ab etwa 70C zunehmend zu verschlechtern. Das ist zunächst
umso unverständlicher, als bei haherer. Kursen die Widerstandskomponente der Windkraft
immer mehr in Fahrtrichtung weist.
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Wenn das Segel bis zu einem Winkel von 600 gefiert werden kann, was
meistens möglich ist, so könnte bis zu einem Kurs von 900 das Segel mit einem Anströmwinkel
von 300 gehalten werden. Das heißt, der Winkel zwischen der Windrichtung und der
Sehne des Segelprofils kann so gehalten werden, daß das Segel seinen maximalen Auftriebsbeiwert
erreicht.
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Praktisch ist das deswegen nicht möglich, weil der Baum bei einem
größeren Fierwinkel nicht mehr mit ausreichender Spannung nach unten gezogen werden
kann. Das Achterliek weht aus und es tritt eine Abflachung des Segelprofils ein.
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Zusätzlich wird die Stellung des Vorsegels zum Hauptsegel ungünstiger,
besonders wenn der Holepunkt nicht verändert werden kann. Bei Kvrsen über 1000 ist
es nicht mehr möglich, das Haupt segel in die günstigste Stellung zum Wind zu bringen,
abgesehen von der noch ungünstigeren Stellung zum Vorsegel.
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In der Drucksckrift: Windkanaluntersuchungen einer Segelyacht mit
verschiedenen Segelführungen, von B. Wagner und P. Boese, Institut für Schiffbav
der Universität Hamburg, April 1968, sind diese Zusammenhänge durch umfangreiche
Messungen nachgewiesen worden.
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Man könnte annehmen, daß Segelsurfer, die ja in bezug auf die Segelführung
viel beweglicher sind, keine Schwierigkeiten haben, die Windkraft immer optimal
für ihren Vortrieb zu nutzen. Aber bei höheren Kursen wird es auch hier unmöglich,
das Segel in der gümstigsten Position zum Wind zu halten.
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Fig. 1 soll das verdeutlichen. Sie zeigt schematisch die Draufsicht
auf ein Boot 1,.mit einem Vorsegel 2, und einem Hauptsegel 3. In der linken Darstellung
ist das Hauptsegel in dem Winkel zur Fahrtrichtung gezeichnet, den es bei einem
Kurs von 1500 auf Booten und Yachten einnehmen kann.
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Die rechte Darstellung zeigt das Boot 1, auf gleichem Kurs aber mit
cptimaler Einstellung der Segel 2 und 3.
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Den Segelstellungen sind, mit einer Segelpolare als Parameter, maßstabgleiche
Kräfteparallelogramme zugeordnet, in denen bedeuten: R= resultierende Gesamtkraft,
V = Vortriebskraft, S = Sitenkraft.
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Der Segelsurfer könnte theoretisch das Segel in die günstigste Ebene
zum Wind bringen, wenn er den Mast nach Luv herüberzieht, es wird ihm aber kaum
gelingen, dabei das Brett auf Kurs und sich selbst auf dem Brett zu halten.
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Hierzu: Beitrag in der Zeitschrift "Surf" vom Sept. 1983 S. 19 - 26
über den Test von Surfsegeln im Windkanal.
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Delius-Klasing-Verlag, Bielefeld.
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Sowie die Patentschrift DE 19 14 604 vom 28. 08. 80.
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Ein zusätzlicher Verlust an Vortriebskraft wird verursacht durch die
Krängung, d.h. die durch Windkraft bewirkte Neigung des gesamten Fahrzeugs nach
Lee.
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Nach einem Beitrag von H. v. Schulmann in der Zeitschrift fUr angewandte
Mathematik und Mechanik, 21. Jahrgang 1941 S. 308-310, VDI-Verlag, Berlin, mit dem
Titel: Die Grndgleichungen der Segeltheorie unter Berücksichtiglrng der Segelneigung
in Längs- und Querrichtung, soll der Vortriebs-
verlust eines Hochsegeis
bei eirer Krängung von 400 ca.
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50 % betragen, wenn. der Mast senkrecht zum Rumpf, und ca.
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37 %, wann der Mast um 30° von der Senkrechten nc achtern geneigt
angeordnet ist.
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Mit Recht warnt der Verfasser davor, durch Vorrichtungen den Mast
bei Krängung nach luv zu neigen. Das würde in der Tat nur das K-ängungsmor:ent auf
dem Maximum halten l.nd selbst bei einer Kielyacht zum Mastbruch oder zum Vollschlager
des Rumpfes fuhren.
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Und bei der erwähnten Neigung des Mastes nach achtern hat man es kaum
noch mit einem Hochsegel zu tun sondern eher mit einem Lateinersegel. Schlechtere
Vortriebsbeiwerte bein: Kreuzen wird aber kein Segler in Kauf nehmen.
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Zur Lösung dieses Problems bieten sich allerdings zwei Möglichkeiten
in augenfälliger Weise an: ein schwerer, tiefer Kiel, oder weit auseinanderliegende
Stützpunkte für die an Segel angreifenden Kräfte, die bei einem sog. Katamaran oder
auch beim Trimaran gegeben sind.
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Das ist allerdings ein Versuch, der Windkraft eine rohe Kraft entgegenzusetzen
anstatt sie zu benutzen. Sportlich gesehen ist das die Tour de France mit einem
Dreirad.
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Die Aufgabenstellung für die nachfolgend beschriebene Erfindung kann
nun formuliert werden: Schaffung einer für-Wasserfahrzeuge aller Art geeigneten
Segel anordnung, die mindestens auf Kursen von 700 bis 1800 höhere Vortriebsbeiwerte
erreicht, als bisher allgemein erreicht werden.
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Darüberhinaus soll die Windkraft so eingesetzt werden, daß sie selbst
die durch Krängung unvermeidlichen Vortriebsverluste minimiert und das Kentern verhindert.
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Auf welche Weise das erreicht werden kann, soll durch eine vereinfachte
Analyse des Problems verdeutlicht werden.
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In Fig. 2 ist in einer Ebene quer zur Fahrtrichtung schematisch eine
konventionelle Segelanordnung mit nur einem Segel dargestellt.
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Fig. 3 zeigt ir, gleichartiger Darstellung wesentliche Merknale einer
erfindungsgemäßen Segelanordnung.
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Die Windrichtung ist durch zwei parallele Pfeile angedeutet.
In
den Fig. 2 und 3 bedeuten: 4 Segel, 5 Schnittlinie, 6 Segeldruckpunkt, 7 Mast, 8
Hochachse, 9 Krängungswinkel, 10 Linie, 11 Druckpunkthöhe, 12 tangeutiale Kraft,
Eine parallel zur Windrichtung verlaufende vertkale Schnittebene schneidet das Segel
4 entlang der Linie 5. Das Segel ist hier als ebene Fläche aufzufassen und die Lirie
5 verlauRe durch den Seteldruckpunkt 6.
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Beider korventionellen Anordnung nach Fig. 2, die einen se-ikrecht
angeordneten Mast 7 hat, verläuft die Schnittlinie 5 -in weder Lage des Fahreugs
und des Segels pare.llel zur Hochachse 8, die mit der Vertikalen den Krängungswinkel
9 einschließt. Die Projektion der im Segeldruckpunkt 6 angreifenden Kraftkomponenten
auf- die Schnittebene, die hier identisch ist mit cer. - Zeichnungsebene, ist durch
das Kräfteparallelogramm A.W,R, dargestellt.
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In jedem Fall zeigt. die Resultierende R schräg nach unten, ihre
Projektion auf die Linie 10, die rechtwinklig zur Druckpunkthöhe 11 durch den Segeldruckpunkt
6 verläuft, stellt die tangentiale Kraft12 dar, die an der Druckpunkthöhe ii als
Hebelarm das Krängungsmoment erzeugt.
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Nach der Lebenserfahrung sieht man schon, daß sich das Segel wie
eine Windfahne in den Wind zu stellen sucht.
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Es läßt sich nun eine Segelstellung -vorstellen, bei der die parallel
zur Windrichtung vertikale Schnittebene im Segel die Schnittlinie 5' erzeugt, die
nicht parallel zur Hochachse 8' ist, sondern diese nahezu rechtwinklig schneidet,
wie Fig.3 - zeigt. Die analog Fig. 2 ermittelte tangentiale Kraft 12' kann hier
positiv, negativ oder gleich. Null sein, je nachdem,"ob si&--nach oben oder
nach@unten gerichtet oder gleich -dem Schnittpunkt der Hochachse 8 mit der Linie
10 ist.
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Auch hier liegt der. Vergleich mit einem allgemein bekannten Gebilde
nahe, der Drachen, deshalb wird diese Segelstellung im folgenden die Drachenstellung
genannt.
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Sie läßt sich erzeugen durch Neigung der Segelfläche nach Lu@ und
nach achtern.
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Voraussetzung dafür ist, daß sich der Segeldruckpunkt 6 mehr oder
weniger weit entfernt vom Rumpf Ln Les befindet.
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Aus Fig. 3 sollte auch deutlich werden, daß eine Neigung des Mastes
nach luv z.B. von der Decksebene aus, die efabr des Kenterns nur vergrößern würde.
Solche Konstellation wäre vergleichbar einem Drachen,der an der unteren Spitze befestigt,
aber nicht durch die Drachenschnur geha'ten würde.
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Allerdings kann der Fußpunkt der "Drachenschnur" nicht nur durch eirenSckiffsrumpf,
sendern auch durch ein anderes "Gegengewicht" dargestellt werden, z.B. durch ein
aus Schiffsrumpf und menschlichem Körper gebildetes Kräftepaar oder durch einen
zusätzlichen Schwimmkörper.
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Je kleiner der Winkel zwischen der horizontalen Ebene und der Resultierenden
R ist, desto größer ist natürlich die verbleibende Vortriehskraft.
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Der Vergleich einer erfindungsgemäßen Segelanordnung mit -einem Drachen
trifft im strengen Sinne nicht zoll. Auch der bekannte Spinnaker wird wie ein Drachen
eingesetzt und funktioniert wie jeder Kinderdrachen nur bei Rückenwind.
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Das Ziel ist es aber, die Segel unter allen Bedingungen nach den aerodynamischen
Kriterien eines Tragflügels einzusetzen, das heißt mit anliegender Strömung bis
auf die unvermeidlichen Randwirbel. Der Vergleich mit einem Vogel wäre eigentlich
zutreffender aber nicht so anschaulich zu erklären.
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Die eigentliche Kunst des Segelns, ein Boot durch Herstellung und
Erhaltung eines labilen Kräftegleichgewichts vorwärts zu bringen, wird durch die
erfindungsgemäße Segelanordnung nicht geschmälert, aber im Verhältnis zum Boot können
die Kräfte größer sein und zweckmäßiger eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbei spiele beschrieben.
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In Fig. 4 ist ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemaBen Segelanordnung
als Seitenansicht in Ruhelage, und in Fig. 5 als Heckansicht im Zustand der Krängung
dargestellt.
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In den Fig. 4 und 5 bedeuten: 13 Hauptsegel, 14 Vorsegel, 15 Mast,
16 Mastachse, 17 Schwerpunkt, 18 Mastfuß, 19 Drehzapfen, 20 Mastfußhalter, 21 Drehzapfen,
22 Lager 23 Achse, 24 Neigungswinkel, 25 Krängungswinkel, 26 Segeldruckpunkt, 27
Schwerpunkt, 28 Achse, 29 Neigungswinkel, 30 Schnittpunkt, 31 Stage.
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Pas Frug trägt ein als Hochsegel ausgeführtes Eauptsegel 13 und ein
Vorsegel 14. Beide Segel sird am Mast 15 befestigt und in ihrer Stellung zueinander
fixiert.
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Mast und Segel sind gemeinsam um die Mastachse 16 drehbar, die in
Ruhelage in der Mittschiffsebene vorzugsweise senkrecht steht. Der Schwerpunkt 17,
der Teile 13, 14 und 15, befindet sich in der Mastachse 16.
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Die Mastachse 16 wird im unteren Teil gebildet durch den Mastfuß 18,
der einerseits den Mast trägt und andererseits mit einem Drelizapfen 19 in den Mastfußhalter
gO eingreift, der andererseits ebenfalls mit einem Drehzapfen 21 in einem Lager
22 in der Mittschiffsebene im Rumpf drehbar gelagert ist.
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Die Achse 23 des Drehzapfens 19, um die sich der Mastfuß.
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mit dem Mast und den Segeln drehen kann, ist in Ruhelage in der Mittschiffsebene
nach achtern geneigt und schneidet Mast und Segel unter einem Neigungswinkel 24,
der etwa dem zulässigen Krängungswinkel 25 entspricht. Sie verläuft dabei oberhalb
des Segeldruckpunktes 26 und des Schwerpunktes 27, des aus den Teilen 13, 14, 15
und 18 bestehenden Ensembles.
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Die Achse 28 des anderen Drehzapfens 21 ist ebenfalls in der Mittschiffsebene
geneigt angeordnet. Richtung und Grad des Neigungswinkels 29 wird durch Stabilitätsgesichtspunkte
bestimmt, welche die metazentrische Höhe, die Momente der verschiedenen Schwerpunkte
um die Achsen und das gewünschte Trägheitsmoment des gesamten Fahrzeugs zu berücksichtigen
haben.
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Die Achsen 23 und 28 schneiden sich in der Mastachse 16 in dem Schnittpunkt
50. Dieses ist der Befestigungspunkt für sechs Stage, die in Abhängigkelt von der
Drehung des Mastes um die Mastachse 16 wechselweise fest am Rumpf oder lose sind.
Bei jeder Segelstellung sind mindestens zwei Luvstage fest.
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Das gesamte System hat eine stabile Ruhelage, in die es auch zurückkehrt,
wenn innerhalb des zulässigen Krangungswinkels der Wind plötzlich aussetzt, und
damit der Auftrieb des Segels als "Drachen" aufhört.
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Bei leichten Booten, die nicht durch Gewichtskraft stabilisiert sind,
wird man dazu ein Mindestkörpergewicht am Luvbord einkalkulieren.
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Mit der beschriebenen Anordnung nach Fig. 4 und 5 läßt sich das Segel
so einstellen, daß gleichzeitig Vortrieb und das erforderliche Maß an Auftrieb erzeugt
wird. Kurs, Windstzrke und Schiffsstabilität bestimmen den Grad und die Richtng
der Segelneigung für die optimale Einstellung, das heißt fürmaximalen Vortrieb.
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Die korrekte Einstellung des Segels zu den drei Drehachsen würde den
Segler vermutlich überfordern und manche Manöver erschweren. Dem kann durch eine
Kopplung der Breh;newegungen von Mastfuß 18 und Mastfußhalter 20 begegnet werden.
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Durch die Drehbewegungen um die Achsen 23 und 28, beschreibt de Mastspitze
zwei Kreise auf einer imaginären Kugeloberfläche mit dem Schnittpunkt 30 als Kugelmittelpunkt.
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Durch Überlagerung der Drehbewegungen wird aus den beiden Kreisen
eine Ellipse.
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Einem gegebenen Rumpf mit seiner kinematischen Charakteristik kann
eine bestimmte Ellipse als bester Kompromiß zugeordnet werden, der ein bestimmtes
Übersetzungsverhältnis der Drehwinkel um die Achsen 23 und 28 entspricht.
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Danach ist es auch denkbar, daß dem besten Kompromiß nicht eine elliptische,
sondern eine kreisförmige Bahn der Mastspitze im Raum entspricht.
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In diesem Fall vereinfacht sich die gesamte Anordnung zu dem in den
Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 5 stellt wieder eine Seitenansicht in Ruhelage, Fig. 7 eine Heckansicht
im Zustand der Krängung dar.
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Die bisherige Beschreibung gilt sinngemäß auch für dieses Beispiel,
der Mastfuß 32 ist jedoch mit seinem Drehzapfen 33 direkt in dem Lager 34 im Rumpf
drehbar gelagert.
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Der Neigungswinkel 35 der Achse 36 ist größer als der zulässige Krängungswinkel
37.
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Die beschriebene Segelanordnung fordert fast zwingend, die Segel selbst
in die ,rberlegungen einzubeziehen und, soweit es bei einfachen Tuchsegeln noch
möglich ist, sie funktionell zu verbessern.
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Ein Ausführungsbeipiel für die Befestigung und Trimmung des Ha@ptsegels
ist in Fig. 8 dargestellt.
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Fig. E ist ein Schnitt entlang der Linie 38 in Fig. 6.
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Hierin bedeuten: 39Hauptsegel, 40 Mast, 41 Blattfeder, 42 Winkel,
43 Backbordtrimmschot, 44 Steuerbordtrimmschot.
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Das Hauptsegel 39 ist in bekannter Weise mit dem Vorliek ;n eine Längsnut
des Mastes 40 eingezogen, Statt des iblichen Großbaums ist jedoch vorgesehen, ein
relativ breites und dünnes Profil, sozusagen eine Blattfeder 41, fest rlit dem Mast
zu verbinden, sodaß der zwischen Mast 40 und Blattfeder 41 gebildete Winkel 42,
unverschieblich ist.
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Die Blattfeder kann sich in einer Tasche des Hauptsegels befinden
oder anders mit diesem verbunden sein.
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Am losen Ende der Blattfeder 41 sind die Trimmschote 43 und 44 befestigt,
die von dort um den Mast geführt und in an sich bekannter Weise mittels Automatik-Klemme
festgeklemmt oder gelöst werden können.
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Das Dichtholen, z.B. der Backbord-Trimmschot 43 verleiht dem Hauptsegel
39 eine vom Kopf bis zum Unterliek durchgehende Wölbung nach Steuerbord.
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Durch an sich bekannte Möglichkeiten, der Blattfeder 41 ein unregelmäßiges
Widerstandsmoment zu geben, kann das Hauptsegel zu einem gewünschten Profil, z.
B. einem Tragflügelprofil geformt werden.
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Der Vorteil dIeser Ausführung gegenüber den üblichen geraden Bäumen
besteht darin, daß das Segelprofil mit einer einfachen, gerade geschnittenen Segelbahn
exakt über die ganze Höhe des Segels eingestellt werden kann. Die zum Teil mit erheblichem
Aufwand, wie computerberechneten Kurven, hergestellten Segelzuschnitte sind überflüssig,
ebenso wie verstellbare Latten, mit denen es bisher auch nicht gelungen ist, dem
einfachen Tuchsegel die aerodynamischen Eigenschaften einer starren Schale zu verleihen.
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Die gebogene Blattfeder 41 in Verbindung mit dem straff gehalten Achterliek
ermöglichen in einfacherer Weise eie bessere Profilierung des Segels.
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Abschließend soll noch ein Ausführungsbeispiel dargestellt werden,
das zwar keine optimale Segeleinstellung auf allen
Kursen erlaubt,
abe wegen der leichteren Handhabung und des geringeren technischen Aufwands vielleicht
für die gewerbliche Nutzung besonders interessant ist.
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E@ist dargestellt in Fig.9 als Seitenansicht in Ruhelage und in Fig.10
als Heckansicht im Zustand der Krängung.
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Hierin bedeuten: 45 Mastfuß, 46 Achse, 47 Mastachse.
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Die Funktion ergibt sich aus folgender Überlegung: Wie eingangs beschrieben
wurde, 'ä3t sich das Krängungsmoment durch die Stellung des Segels relativ zum Wind
beeinflussen. Fei einem leichten Boot ist die sich einstellende Krängung wesentlich
mitbestimmt durch die Verlagerung des Körpergewichtes. Ein leichtes Bcot kann also
bei fast jedem Wind mit einem beliebigen Krängungswinkel gefahren werden.
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Befindet sich in Ruhelage die Mastspitze in der Mittschiffsebene,
und beschreibt sie einen Kreisbogen nach Luv und nach achtern, wenn sich die Segelanordnung
üm den Mastfuß 45 d. h. um die Achse 46 dreht, während gleichzeitig der Rumpf sich
nach lee neigt (krängt) und rnit dem Bug von der Windrichtung wegdreht (abfällt),
so kann die Position des Mastes und damit des Segels im Raum nahezu unverändert
bleiben, ohne daß eine zusätzliche Drehung um die Mastachse 47 notwendig ist.
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Bis zu einem Kurs von ca. 1200 kann so das Segel mit einem günstigen
Anströmwinkel d.h. mit anliegender Strömung gefahren werden. Bei größeren Kurswinkeln
ist keine optimale Segelstellung mehr möglich und es muß nach konventioneller Art
mit abgelöster Strömung gefahren werden.
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- L e e r s e i t e -