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Ein Segelschiff mit Flügeln und ohne Krängung

 

Wir beschreiben hier eine Konstruktion für ein Segelschiff, mit der die senkrechte Stabilität eines Segelschiffs dynamisch unterstützt wird. Die Unterstützung der senkrechten Stabilität ist dabei von der Schiffsgeschwindigkeit durch das Wasser bzw. von der Windgeschwindigkeit abhängig - insbesondere nicht jedoch von der Schräglage des Schiffes.

Die Stabilität des Schiffes wird dynamisch unterstützt.

Die Vorteile dieser Konstruktion zusammengefasst :

Das Kielgewicht wird  drastisch reduziert, da die Stabilität dynamisch und nicht statisch durch einen schweren Kiel erzeugt wird. (Das Gewicht der Kielbombe macht für ein Segelschiff bis zu 80% des Schiffsgewichtes aus und auch ein Katamaran benötigt für die Stabilität ein ordentliches Gewicht der Schwimmkörper.) Damit wird es möglich, erheblich leichtere,  schnellere und  billigere Boote zu konstruieren.  

Das Boot kann auch bei seitlichem Wind dynamisch wirklich senkrecht gehalten werden. Das Boot benötigt keine Schräglage, um ein aufrichtendes Drehmoment zu erzeugen. Das Boot fährt auch bei seitlichem Wind wirklich senkrecht - senkrechter als ein Katamaran.

Das Boot kann leichter gebaut werden als ein Katamaran und hat mit einem Rumpf  weniger Strömungswiderstand als ein Katamaran mit zwei Rümpfen.

   

Und so soll eine solche Konstruktion aussehen:

 

Unterhalb der Wasserlinie links und rechts des Kiels wird jeweils eine Flügelplatte angebracht , die senkrecht zum Kiel und parallel zur Wasseroberfäche ausgerichtet sind, wenn Schiff und Wasser ruhen.

 

Die Platten sollen ganz oder teilweise um eine Achse quer zur Schiffsrichtung unabhängig voneinander, insbesondere auch gegenläufig verdrehbar sein. Der seitliche Abstand der Platten von der Schiffsmitte soll veränderbar sein.

 

Abbildung1

Die Abbildung zeigt schematisch ein Schiff im Querschnitt, an dem links und rechts unterhalb der Wasseroberfläche zwei verdrehbare Flügelplatten angebracht sind, deren Abstand von der Schiffsmitte veränderbar ist.

  

Wird bei einem Schiff in Fahrt die rechte Platte so verdreht, dass die Vorderseite nach unten zeigt, entsteht an der Platte durch die Strömung ein Drehmoment, wodurch das Schiff nach rechts kippt, sowie eine Kraft, die das Schiff auf der rechten Seite abbremst. Wird die rechte Platte so verdreht, dass die Vorderseite nach oben zeigt, entsteht an der Platte durch die Strömung ein Drehmoment, wodurch das Schiff nach links kippt, sowie eine Kraft, die das Schiff auf der rechten Seite abbremst. Entsprechende Überlegungen lassen sich für die linke Platte anstellen.

 

Lassen sich beide Platten unabhängig voneinander verdrehen, kann erreicht werden, dass ein Segelschiff in Fahrt senkrecht gehalten wird, obwohl der Wind von der Seite weht. Durch unterschiedliche starke entgegengesetzte Neigung beider Platten kann gleichzeitig sogar der Kurs gehalten oder verändert werden.

 

Eine Modellrechnung zeigt, dass das aufrichtende Drehmoment durch diese Vorrichtung bei gleichbleibender Plattenstellung proportional von dem Plattenabstand von der Kiellinie abhängt, während der Bremseffekt dieser Vorrichtung nur von der Plattenstellung abhängt.

 

Das bedeutet, dass ein Segelschiff mit dieser Vorrichtung durch das Zusammenspiel von zwei Stellgrößen senkrecht gehalten werden kann.

Man verstellt die Winkel der Platten so lange, bis die Platten genügend viel aufrichtendes Drehmoment erzeugen. Das kann das Schiff möglicherweise gleichzeitig erheblich abbremsen – dann nämlich, wenn sich die Platten sehr dicht am Kiel befinden.

 

Nun wird der Abstand der Platten von der Kiellinie vergrößert . Die Modellrechnung zeigt, dass ein unterproportional kleinerer Anstellwinkel für die Platten erforderlich ist, damit ein gleich großes aufrichtendes Drehmoment entsteht. Der Bremseffekt auf das Schiff wird erheblich kleiner.

 

Es versteht sich von selbst, dass ein großer seitlicher Plattenabstand für ein Segelschiff auch Nachteile hat, insbesondere in engen Gewässern und am Liegeplatz. Daher ist es für einen optimalen Einsatz dieser Stabilisierungsplatten unbedingt erforderlich, dass die Stabilisierungsplatten sowohl verdrehbar als auch im Abstand zur Kiellinie veränderbar sind.

Funktioniert das denn wirklich?

Um diese Frage besser beantworten zu können, haben wir eine Modellrechnung durchgeführt, die wir im Detail im Kap. "Der Beweis" aufgeschrieben haben. Hier die wesentlichen Ergebnisse in der Zusammenfassung.

Das Segelschiff kann in Fahrt (also dynamisch) allein durch die Stellung dieser Platten senkrecht gehalten werden. Das durch einen schweren Kiel erzeugte stabilisierende Drehmoment wurde dabei nicht berücksichtigt. Uns ist klar, dass ein Segelschiff nicht ohne Kiel segeln kann. Der Kiel wird allerdings nicht unbedingt benötigt, um das Schiff senkrecht zu halten.

Bei Windstärke 6 (40 Km/h) liefert unsere Modellrechnung, dass 6,4% der vom Segel erzeugten Vortriebskraft benötigt werden, um das Schiff senkrecht zu halten. Zum Vergleich: Ein Segelschiff, das mit einer Schräglage von 21 Grad unterwegs ist, verliert ebenfalls etwa 6,4% seiner effektiven Segelfläche und damit 6,4% der maximal möglichen Vortriebskraft.