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Riggtrimm: Mastbiegung längs

Haben wir uns in der letzten "aktuell" mit dem Mastfall - und damit zusammenhängend: der Schwertstellung - auseinandergesetzt, wollen wir uns jetzt die Mastbiegung vornehmen. Zunächst zur Frage: Wozu das Ganze überhaupt? Das Schöne an unseren Segeln ist, daß wir es nicht mit einem starren Tragflügel zu tun haben, sondern daß wir sie uns entsprechend den Bedingungen anpassen - trimmen - können. Die Funktionsweise eines Tragflügels ist vielleicht noch aus Schulzeiten bekannt: Durch die Profilierung entstehen auf der Oberseite Übergeschwindigkeiten, der vorbeistreichenden (zunächst ungestörten) Strömung. Dadurch rücken die Stromlinien enger zusammen, wodurch eine Beschleunigung der Strömung zum Ausdruck kommt (Analog Wetterkarte: Enger Isobarenabstand=viel Wind oder Landkarte: Enger Höhenlinienabstand=steiler Hang). Auf der Unterseite des Profils wird die Strömung dagegen verzögert. Durch dieses unterschiedliche Geschwindigkeitsfeld entsteht eine Druckverteilung um den Tragflügel: Auf der Oberseite entseht durch höhere Geschwindigkeiten als die der Horizontalströmung ein Unterdruck, weil praktisch die Luft hier schneller wegfließt, als neue nachströmen kann. Auf der Unterseite wird die Luft verzögert und aufgestaut, wodurch eine Druckerhöhung - ein Überdruck - entsteht. Dadurch kann sich ein Flugzeug in der Luft halten:
Oberhalb des Tragflügel wird durch den Unterdruck praktisch das Flz. nach oben gesaugt und von unten drückt ein Überdruck nach oben. Nun ein ganz wichtiger Satz: Wie ein Fachmann aus der Druckverteilung um das Profil ablesen kann, ist die Sogseite wesentlich wirksamer und wichtiger als die Druckseite. Bei Flugzeugen kann man das oft daran erkennen, daß die Unterseite oftmals gerade und damit fast völlig unwirksam ist. Stellen wir gedanklich jetzt den Tragflügel senkrecht ins Boot, so bleibt dieser Satz bestehen: Die Unterdruckseite, also die Leeseite des Segels ist die wichtige Seite. Besonders deutlich wird das bei Katamaranen mit rotierenden Masten: In Lee strakt die Verbindung zwischen Mastleeseite und Segel perfekt zum optimalen Profil, während sich auf der unwichtigen Luvseite fast eine Tasche oder Hohlraum zwischen Mast und Segel bildet. Hier strakt nix mehr und es bildet sich auf der Luvseite ein kleiner Wirbel. Der Grund warum ich so auf diesem Aspekt herumreite: Häufig sieht man bei Schachwind die Leute mit angeballerten Schoten auf der Bahn parken. Dabei könnte man noch gut Fahrt voraus machen. Man muß sich nur klar machen, wie die physikalischen Verhältnisse oben am Segel aussehen. Auf der Luvseite des
Segel entsteht aus der Physik ein Überdruck und Windstau, daß hier also nichts mehr fließt, ist selbstredend; außerdem ist diese Seite unwichtig. Wenn ich aber versuche, die Strömung auf der Leeseite zum Anliegen zu bringen, fährt das Boot plötzlich los. Durch viel zu dichte Schoten und nicht anliegender Strömung in Lee hattet ihr also die Handbremse voll eingelegt. Daher: Schoten öffnen und ein klein wenig abfallen, bis das Segel lebt (erkennbar beispielsweise an den Fäden im Achterliek des Großsegels, die anfangen zu zucken etc.) und das Boot losfährt. Jetzt kann man versuchen, wieder etwas dichter zu nehmen und höher zu laufen. Eigentlich wollte ich folgenden Begriff möglichst vermeiden, aber fürs Verständnis ist er ziemlich wichtig, glaube ich. Potentialtherotisch kann man die Vorgänge der Umströmung eines Profils durch eine ungestörte Strömung mit dem Begriff der Zirkulation erklären. Das Profil als lokale Störung der parallelen Horizontalströmung wird ersetzt durch eine Störströmung in konzentrischen Kreisen, deren Geschwindigkeit nach außen hin abnimmt - im allgemeinen als Wirbel bezeichnet. Beide Strömungen überlagert ergibt das Stromlinienbild um das Profil: Auf der Oberseite addieren sich Horizontalströmungsgeschwindigkeiten (Anströmung) und die Störgeschwindigkeiten durch die Drehrichtung des Wirbels, während auf der Unterseite die Störgeschwindigkeiten entgegengesetzt gerichtet sind.Woraus dann wieder oben beschriebene Druckverteilung resultiert.Wie entsteht jedoch diese Umströmung und wie resultiert daraus der Auftrieb? Dazu betrachten wir untenstehende Abbildung. In der Skizze A) hat der Umströmungsvorgang gerade begonnen. Man erkennt die beiden Staupunkte S1 und S2, in denen die Strömung in Ruhe ist. Alle anderen Teilchen wandern von S1 entweder nach rechts oder links und umströmen so das Profil auf der Oberoder Unterseite. Da oben`rum ein längerer Weg als unten`rum vorhanden ist, erreichen die unteren Teilchen die Hinterkante als erste und umströmen die scharfe Achterkante. Daher liegt der Staupunkt S2 etwas zurück auf der Oberseite des Profils. Dieses anfängliche Strömungsbild entspricht etwa der Potentialströmung (reibungsfreie ideale Strömung) ohne Zirkulation. Es ist wohl einleuchtend, dass eine reibungsbehaftete Strömung diese scharfe Umströmung der Hinterkante nicht lange mitmachen wird, denn an der Hinterkante entstehen dadurch extrem hohe Übergeschwindigkeiten mit sehr hohem Unterdruck. Dadurch löst die Strömung zwischen Profilhinterkante und hinterem Staupunkt ab und es entsteht der sogenannte Anfahrwirbel, der in Skizze C) angedeutet ist. Sowie sich der Anfahrwirbel zu drehen beginnt, bildet sich infolge des Satzes von der Erhaltung des Drehimpulses eine Rotationsströmung um den Flügel mit entgegengesetztem Drehsinn aus, die in Skizze B) zu sehen ist. Erst dadurch bildet sich das Stromlinienbild nach Skizze C) aus und Unter- und Überdruck -p/+p erzeugen eine aerodynamische Gesamtkraft, die in C) mit "Auftrieb" bezeichnet ist. Diese Kraft entsteht, indem ständig Energie aus der Umströmung abgezapft wird.
Für unsere Belange wird sie vektoriell in Längsschiffrichtung zerlegt: In die Vortriebskraft in Längsrichtung, die wir nutzen und in die Querkraft senkrecht dazu, die durch den Tragflügel unter Wasser, dem Schwert, kompensiert wird. Potentialtheoretisch heißt, das wir die Reibung vernachlässigt haben, die hier aber auch keine entscheidende Rolle spielt. Ein wenig ist sie in der Wirbelschleppe (Verwirbelungen, Abwinde) in Skizze C) zu erkennen (Hydrodynamik: Abstrom, Totwasser) . Warum ich einen so weiten Ausflug ins Land der grauen Theorie gemacht habe? Obige Geschichte ist extrem wichtig für jedes Manöver, was wir fahren: Nach jeder Wende muss sich erst wieder die Strömung anlegen, eine Zirkulation aufbauen und dann erst geht es wieder weiter!! Das kann man unterstützen, wodurch man viel weniger Fahrt in der Wende verliert: In der Wende wird auch die Großschot circa 30cm gefiert, nachdem sie zum Einleiten der Drehbewegung ganz dicht genommen wurde. Der Vorschoter zieht die Genua möglichst flüssig auf dem neuen Bug dicht - bis auf die letzten 40cm !! Diese werden gaaanz langsam und gemeinsam dichtgenommen! Und auch erst nach der Fahrtaufnahme des Bootes kann der Steuermann wieder einen kleinen Tick höher `ran und optimal an der Kreuz fahren. Warum? Nach der Wende ist der Boot sehr langsam, und der Wind fällt viel raumer ein (Die story mit wahrem und scheinbaren Wind kennt ihr ja). Daher dürfen die Segel noch nicht ganz dicht sein - die Strömung legt sich auf der Leeseite sofort an, der Anfahrwirbel bildet sich aus und das Boot beschleunigt. Durch die Beschleunigung fällt der scheinbare Wind immer spitzer ein, weshalb ihr während der Beschleunigungsphase beide Schoten gemeinsam dicht nehmt und eventuell auch euer Gewicht nach Luv einsetzt (Prinzip der Rollwende wird an anderer Stelle erklärt). Dadurch erzeugt ihr einen richtig kräftigen Anfahrwirbel – so wie beim Paddeln, wo dieser Wirbel sichtbar achteraus bleibt. Mit der Zirkulation hat es noch eine andere Bewandtnis: Man sagt, die Strömung hat ein "Gedächtnis" - oder besser: sie hat ein Beharrungsvermögen. Das bedeutet, sie versucht so zu strömen, wie sie gerade eben noch geströmt hat. Daher muss sich nicht bei jedem Schotzug erst wieder eine neue Zirkulation aufbauen, sondern sie macht viel mit. Auf der anderen Seite: Wenn die Strömung mal zusammengebrochen ist, dauert es auch wieder, bis sie aufgebaut ist, denn obiges Motto gilt auch umgekehrt: "Wieso soll ich strömen, wenn ich gerade eben noch nicht geströmt habe?" Daher versucht man, bei ganz leichtem Wind eine einmal aufgebaute Strömung auch zu erhalten und bewegt sich ganz vorsichtig im Boot. Nun wollen wir uns wirklich langsam mal dem Thema Mastbiegung nähern. Bisher war alles nur (allerdings wichtige) Vorarbeit. Ich sagte schon, das wir gegenüber einem festen Tragflügel den Vorteil haben, uns unser Profil optimal anpassen zu können. Ist das Profil sehr tief, dann wird die Strömung zu großen Umwegen gezwungen, wodurch hohe Übergeschwindigkeiten, viel Unterdruck und hohe aerodynamische Gesamtkraft resultieren. Auf der anderen Seite steigt durch die großen Umwege auch der Widerstand erheblich an.
Ist das Profil sehr flach, ist der Widerstand gering, aber auch die aerodynamische Gesamtkraft ist nicht groß. Das ist der Grund, warum bei vielen Windbedingungen Fliegengewichte und Schwergewichte zumindest theoretisch gleich bevorteilt bzw. benachteilt sind. Man sollte immer zusehen, dass man soviel Power in den Segeln erzeugt, dass man gerade noch voll hängen und sein Gewicht einsetzen kann. Je mehr es weht, desto flacher muss man die Segel trimmen, um nicht overpowert zu sein. Insbesondere am Großsegel kann man viel tun. Die wichtigste Trimmmöglichkeit ist hier die Mast-Biegung. Lässt man den Mast im mittleren Bereich nach vorne biegen, wird der Bauch des Segels nach vorne herausgezogen, wobei sich gleichzeitig das Achterliek öffnet. Ein sehr bauchiges Segel macht hinten durch den Bauch "zu". Somit hat man einen doppelten Effekt: Durch die geringere Profiltiefe sind die Kräfte geringer und das Segel wird die Strömung achtern besser los.

Bisher haben wir uns eigentlich nur über die Grundlagen und Sinn einer Biegung des Mastes in Bootslängsrichtung unterhalten. Im nächsten Teil kommt die Biegung in Querrichtung hinzu und wie ich die Biegung beeinflussen kann, d.h. die praktische Umsetzung des obigen Exkurses in die graue Theorie.....

von Jens Schlittenhard

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