Die Physik des Segelns (auch Theorie des Segelns) erklärt die physikalischen Grundlagen der Fortbewegung eines Segelfahrzeugs unter Nutzung des Windes. Segelfahrzeuge können dabei auch gegen den Wind fahren und in Ausnahmefällen schneller segeln als der Wind weht.
Eine Einführung in das Thema gehört zur Segelausbildung.
mini|hochkant=1.5|Wahrer und scheinbarer Wind bei verschiedenen Kursen zum Wind. Das Segelboot verwendet neben dem Hauptsegel das Vorsegel oder den Spinnaker. Definitionen und Begriffe
Wahrer und scheinbarer Wind
Jedes segelnde Schiff bewegt sich mit der Kraft des Windes. Als wahrer Wind wird in der Schifffahrt der tatsächlich an einem gegebenen Ort wehende Wind mit Richtung und Stärke bezeichnet, der nur durch ortsfeste Einrichtungen gemessen werden kann. Der scheinbare Wind ist der Wind, der von einem sich bewegenden Objekt wahrgenommen wird, etwa an Bord eines fahrenden Schiffs. Aufgrund der Überlagerung des Fahrtwinds mit dem wahren Wind und ergibt sich der scheinbare Wind durch die Vektoraddition der beiden Komponenten. Die nebenstehenden Abbildung zeigt, wie sich Stärke und Richtung des scheinbaren Windes mit Schiffsgeschwindigkeit und Fahrtrichtung relativ zur Windrichtung (Kurs zum Wind) ändern.
Kurse zum Wind
Als Kurs zum Wind bezeichnet man den Kurs (Richtung, in die das Schiff fährt) relativ zur Windrichtung. Es werden im Wesentlichen folgende Situationen unterschieden: Am Wind: Das Schiff läuft schräg gegen den Wind. Weil hier Fahrtwind und wahrer Wind aus fast der gleichen Richtung kommen, ist die Geschwindigkeit des scheinbaren Windes am größten. Der kleinstmögliche Winkel zum Wind hängt von der Konstruktion des Schiffes ab. Halbwind: Das Schiff fährt ungefähr quer zur Richtung des scheinbaren (bzw. wahren)Die Literatur ist sich uneins darüber, ob sich ein Halbwindkurs auf den wahren oder den scheinbaren Wind beziehen soll. Windes. Raumschots: Der Wind weht „schräg von hinten“ auf das Schiff. Vor dem Wind: Der Wind weht genau von achtern (von hinten) auf das Schiff. Hier ist die Geschwindigkeit des scheinbaren Windes am geringsten. Im Wind: Der Wind weht genau von vorne auf das Schiff. In diese Richtung kann ein normales Segelschiff nicht fahren. Abhängig vom Kurs zum Wind wählt der Segler die Stellung der Segel. Als Faustregel gilt: Der Baum halbiert den Winkel zwischen Mittschiffslinie und Windeinfallswinkel. Auf Amwindkursen sind die Segel und Schoten sehr dicht geholt, auf Vorwindkursen stehen die Segel fast querschiffs. Durch das Trimmen der Segel werden die Segel genau auf die vorherrschenden Wind- und Seegangsverhältnisse eingestellt.
Aerodynamik des Segelns Antrieb eines Segelschiffes mini|hochkant=1.5|Diagramm 1: Kraftverteilung am Segel bei verschiedenen Kursen zum Wind. Die Kraftpfeile in Luv symbolisieren Vortrieb durch Winddruck, jene in Lee Vortrieb durch Auftrieb. Mit eingezeichnet ist der scheinbare Wind. mini|links|Zwei Arten des Vortriebs: Die meisten Boote laufen Vorwindkurse und lassen sich mithilfe ihrer Spinnaker vom Wind schieben. Das schräg liegende Schiff fährt hart am Wind. Es kann aufgrund des Tragflächeneffekts auf den Wind zufahren, denn der das gewölbte Segel umströmende Wind zieht das Schiff vorwärts. mini|Video: Antriebseffekte beim Segel
Ein Segelschiff wird durch zwei Effekte vorangetrieben: durch Winddruck auf das Segel und durch Luftströmung um das Segel, die durch Unterdruck am Segel zieht. In der Praxis überlagern sich meistens beide Effekte, wobei je nach Kurs zum Wind der eine oder der andere Teil überwiegt. Beim fahrenden Schiff ist die Gegenkraft zum Vortrieb im Wesentlichen der Wasserwiderstand, der auf den Schiffsrumpf wirkt. Vortrieb entsteht durch die Übertragung der auf die Segel wirkenden Windkräfte auf den Schiffsrumpf durch die segelführenden Masten und Schoten.
Das vom Wind angeströmte Segel nimmt eine gewölbte Form (Bauch) an und entwickelt eine Kraft, die proportional zum Produkt aus der Segelfläche und dem Quadrat der scheinbaren Windgeschwindigkeit ist. Die Kraft wirkt senkrecht zur Fläche des Segels in Richtung Lee (windabgewandte Seite). Einfluss auf die Größe der Kraft hat neben Form und Größe des Segels und der Windgeschwindigkeit auch der Anströmwinkel des Windes auf das Segel. Je nach Anströmwinkel überwiegt entweder die Komponente Antrieb durch Widerstand oder die Komponente Antrieb durch Auftrieb (Diagramm 1).
Winddruck auf das Segel Trifft der Wind von hinten (auf Vorwindkurs) oder von schräg hinten (auf Raumwindkurs) auf das Segelschiff, erfolgt der Antrieb des Segelschiffes durch den Widerstand, den die Segel dem Wind entgegensetzen. Die Luftströmung wird dabei unterbrochen und der Wind schiebt den Widerstand vor sich her. Diese Art des Vortriebs wird am günstigsten durch die früher auf Großseglern verwendeten Rahsegel genutzt. Wie moderne Segelboote fuhren dabei auch die Großsegler auf Raumwindkurs schneller als auf Vorwindkurs, da bei Letzterem die vorderen Segel im Windschatten der hinteren stehen. Moderne Segelschiffe mit Schratsegeln sind nicht besonders gut für den Antrieb durch Widerstand geeignet, da es den dreieckigen Haupt- und Vorsegeln der Schratsegler besonders im oberen Bereich an Segelfläche fehlt. Um dies auszugleichen, werden im Kursbereich Vor dem Wind bis Halber Wind zusätzlich große, bauchige Segel wie Spinnaker oder Gennaker eingesetzt.
Windströmung am Segel (Tragflächeneffekt)
Die Wölbung (der Bauch) des Segels bewirkt eine Beschleunigung der am Segel anliegenden (laminaren) Strömung auf der windabgewandten Seite (Leeseite) und zugleich eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Winds innerhalb des Segelbauchs. Mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert sich nach Bernoulli auch der Druck. An der Außenseite des Segels entsteht ein Unterdruck, der das Segel nach Lee und vorwärts zieht.
Die Umströmung des gewölbten Segels ermöglicht den Vortrieb des Schiffes auch schräg gegen die Windrichtung. Das Segel verhält sich dabei aerodynamisch wie der Tragflügel eines Flugzeuges, bei dem die Luftströmung dynamischen Auftrieb bewirkt.
Der Tragflächeneffekt ermöglicht es Segelschiffen durch Kreuzen (Zickzack-Kurs gegen den Wind) auch Ziele zu erreichen, die genau in Windrichtung liegen. Zum Kreuzen sind Schratsegel wesentlich besser geeignet als die historischen Rahsegel.
mini|Diagramm 2: Vektordiagramme der Wirkung des Windes und der Gegenwirkung des Bootes bei Amwindkurs. Erklärung siehe Text. mini|Diagramm 3: Vektordiagramme für die Wirkung auf Halbwindkurs. Hier zeigen Auftrieb und Vortrieb genau in die gleiche Richtung. Es ist der schnellste Kurs eines Segelschiffes. mini|Diagramm 4: Vektordiagramme für die Wirkung des Windes auf Raumschotskurs. Jetzt überwiegt der Vortrieb durch Widerstand. Die Gesamtkraft nimmt jedoch ab, da der scheinbare Wind schwächer wird.
Diagramm 2 erläutert die Kräfte, die an einem Boot wirken, das auf Am-Wind-Kurs segelt. Die linke Darstellung zeigt, dass der anströmende Wind einerseits aufgrund des Luftwiderstands des Bootes die nach hinten gerichtete Kraft Ww bewirkt und andererseits die Auftriebskraft A am gewölbten Segel. Der Auftrieb ist bei optimaler Anströmung des Segels ungefähr fünfmal so groß wie der Luftwiderstand. Beide Kräfte werden in der Skizze zur Gesamtkraft G zusammengefasst. In der rechten Darstellung wird die Gesamtkraft G wiederum in den in Längsrichtung des Bootes wirksam werdenden Vortrieb V und die quer zum Boot gerichtete Kraft Q zerlegt. Ein Segelschiff mit kreisrundem Rumpf würde vom Wind in Richtung der Gesamtkraft G getrieben. Da jedoch der Wasserwiderstand des Rumpfs in Querrichtung deutlich größer ist als der Wasserwiderstand in Längsrichtung, kann sich das Schiff auf einem Kurs bewegen, der ungefähr der Richtung der Vortriebskraft V folgt, während die Querkraft Q nur eine relativ geringe Abdrift (Querbewegung) des Schiffs nach Lee bewirkt.
Die seitliche Ansichtsfläche des Bootsrumpfes wird als Lateralplan bezeichnet. Der Wasserwiderstand des Unterwasserschiffs quer zur Fahrtrichtung kann als Querkraft zusammengefasst werden, die am Flächenschwerpunkt L des Lateralplans (Lateraldruckpunkt) ansetzt. Die Position des Flächenschwerpunkts wird bei Segelschiffen insbesondere von Form und Lage des Kiels oder Schwertes bestimmt.
Die rechte Darstellung im Diagramm 2 zeigt den der Querkraft Q entgegenstehenden Lateralwiderstand quer zum Schiff Wl sowie den dem Vortrieb V in Längsrichtung entgegenwirkenden Formwiderstand Wf. Beide wirken auf den Lateraldruckpunkt L. Die Windkraft G wirkt hingegen auf den Segeldruckpunkt S. Der Abstand der beiden Druckpunkte verursacht ein Drehmoment um die Hochachse des Schiffs, der das Boot entweder luv- oder leegierig macht. Nur durch eine dem entgegenwirkende Stellung des Ruders kann dann ein gerader Kurs eingehalten werden. Punkt G verlagert sich mit der Krängung des Boots und Punkt S wird wesentlich durch die Segelstellung beeinflusst.
Die Krängung (Schräglage) von Einrumpfbooten resultiert daraus, dass Widerstand unter Wasser (Punkt G) wesentlich tiefer liegt, als der Angriffspunkt der Windkraft (Punk S). Die Form des Rumpfs und gegebenenfalls der Ballast im Kiel verhindern, dass das Boot umkippt (siehe Abschnitt Stabilität).Seemannschaft. 28. Auflage, S. 157 f.
Die wirkenden Kräfte lassen sich näherungsweise numerisch bestimmen:Joachim Schult: Segler-Lexikon. Stichwort Windkraft mit CT zwischen 1,0 für Vorwindkurse und 1,5 für Amwindkurse.
mit K = Umrechnungskonstante (0,5 für Vortrieb, 1,32 für Querkraft, abhängig auch vom Kurs zum Wind), A = Segelfläche in m2, v = Geschwindigkeit des scheinbaren Winds in m/s, ρL = Dichte der Luft (~ 1,204 kg/m3). Das Ergebnis W ist die wirkende Kraft in Newton. Beispiel: Ein Boot mit einer Segelfläche von 35 m2 erzeugt bei einem scheinbaren Wind von 5 m/s einen Vortrieb von 263 N. Segelt das Boot mit 6 Knoten (3,09 m/s) entspricht dies einer Windleistung von 0,81 kW oder 1,09 PS.
Das Segelschiff beschleunigt, bis sich Antriebs- und Widerstandskräfte die Waage halten. Der Formwiderstand des Rumpfs bestimmt die Energie, die aufgebracht werden muss, um während der Fahrt das vor dem Schiff befindliche Wasser zu verdrängen. Ein Teil der Energie führt zur Bildung der Bug- und Heckwelle des Schiffs. Der Strömungswiderstand des Rumpfs bestimmt sich aus der Größe der vom Wasser benetzten Fläche und der Reibung des Wassers am Bootskörper. Bewuchs am Bootskörper erhöht die Reibung und kann durch geeignete Anstriche reduziert werden. Der Luftwiderstand hängt vor allem von der Größe des Überwasserschiffs sowie der Art von Aufbauten und Rigg ab.
Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Windrichtung und Längsachse des Segels. Ist der Winkel zu klein, beginnt das Segel zu killen (flattern). Ist der Winkel zu groß, bilden sich Wirbel an der Leeseite des Segels, die zunächst an der einfallenden Bauchung des Segels nahe des Vorliek sichtbar werden. Durch Trimmen wird der richtige Winkel zwischen Segel und Wind eingestellt.
Der Windeinfallswinkel hängt nicht nur vom Kurs des Schiffes zum wahren Wind, sondern auch von der Geschwindigkeit des Schiffs ab. Wirksam ist der scheinbare Wind, der immer vorlicher einfällt als der wahre Wind. Da auch die Geschwindigkeit des scheinbaren Windes mit der Bootsgeschwindigkeit zunimmt, ist es theoretisch möglich, schneller als der Wind zu segeln. Der aufgrund des Fahrtwinds vorlicher einfallende scheinbare Wind erfordert, die Segel mit zunehmender Geschwindigkeit dichter anzuholen. Ein schnelles Segelschiff scheint daher häufig Amwindkurs zu fahren, obwohl der wahre Wind achterlicher einfällt.
Hydrodynamik mini|Diagramm 5: Auftriebskräfte (Luvkräfte) am Kiel entstehen durch den Abdriftwinkel zwischen anliegendem Kurs K und Kurs durchs Wasser K’. mini|hochkant=1.7|Rumpfmodelle des Segelbootsbaus aus über 50 Jahren zeigen eindrücklich die Entwicklung vom langen, flachen Kiel zu tiefen, kurzen Formen