Kapitel 5 Physik des Segelns

Transkript

1 Lehrerinformation 1/9 Kapitel 5 Physik des Segelns

2 05 / Segeln Alinghi Lehrerinformation 2/9 Arbeitsanleitung für die Lehrperson zum Schritt 05 der Lektion Arbeitsauftrag Die Schüler erarbeiten die Texte und erstellen je einen Kurzvortrag zu den vier Kapiteln: o Windströmung am Segel o Die drei Winde o Stabilität o Segelmanöver Die Lehrperson verteilt die Experimentvorgabe und fordert die Schüler auf, das Segelexperiment mit verschiedenen Segeln aufzubauen und zu vollziehen. Die Schüler führen ein einfaches Experiment zum Thema Windkraftwirkung auf die Segel und messen Vortrieb und die finden die jeweils beste Segelstellung heraus. Die Lösungen werden im Plenum besprochen. Die beste Lösung wird prämiert. Vortrag halten Ein einfaches Experiment durchführen Varianten entwickeln Experiment Idee in die Praxis umsetzen Ziel Material Texte Experimentvorgabe Baumaterial (Physikunterricht, oder Behelfsmaterial aus dem Baugrossmarkt) Sozialform 3 4 Gruppen Zeit 60 (mit Varianten) Als erschwerte Aufgabe kann den Fortgeschrittenen, den Schnellen und Hellen folgende Fragestellung mitgegeben werden: Erkläre folgenden Zusammenhang: Zusätzliche Informationen: Segeln gegen den Wind: Bei einem Boot mit zwei Segeln (Klüver und Hauptsegel), bewegt sich die Luft zwischen dem Vorsegel und dem Hauptsegel schneller als hinter dem Hauptsegel, daher erfährt das Segel eine Kraft fast senkrecht zum Wind! Dies ergibt, kombiniert mit dem Bootskiel eine Vorwärtsbewegung gegen den Wind!

3 3/9 Aufgabe: Lest die Texte, Erarbeitet die Kurzvorträge, macht das Experiment. Physik des Segelns Antrieb eines Segelschiffes Ein Segelschiff wird durch zwei Effekte vorangetrieben: durch Winddruck auf das Segel und durch Luftströmung um das Segel. 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. Der hauptsächliche Vortrieb entsteht durch die Übertragung des Winddruckes auf den oder die segelführenden Mast(en), und die Kraft überträgt sich wiederum auf den Schiffsrumpf. Der Rumpf wird quasi mitgezogen. 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 versucht, den Widerstand wegzuschieben. Diese Art des Vortriebs wird am günstigsten durch die früher auf Grossseglern verwendeten Rahsegel genutzt. Moderne Segelschiffe mit Schratsegeln sind nicht besonders gut für den Antrieb durch Widerstand geeignet, da es den Schratsegeln besonders im oberen, wirksameren Bereich an Segelfläche fehlt.

4 4/9 Windströmung am Segel (Tragflächeneffekt) Um gut kreuzen zu können (schräg gegen den Wind fahren), sind Schratsegel von Vorteil. Werden Schratsegel in einem bestimmten Winkel (Anstellwinkel etwa 5 bis 30 ) angeströmt, funktionieren sie nach den gleichen Prinzipien wie die Tragfläche eines Flugzeugs. Die am Segel entlang streichende Luft (1) wird abgelenkt (2) und bewirkt dabei eine Kraft (3), die etwa im ersten Drittel des Segels wirkt und im wesentlichen senkrecht zum Segel steht. Sie ist das Resultat komplizierter Vorgänge, denn die Wölbung (der Bauch) des Segels bewirkt komplexe Luft-Strömungen rund um das Segel. So kann das Boot schräg gegen den Wind segeln! Eigentlich müsste diese Kraft (3), die auf das Segel trifft, über den Mast an dem es befestigt ist, das ganze Boot zur Seite abdrängen. Doch moderne Kiel-, Schwert- und Unterwasserkonstruktionen der Boote verhindern ein Querabtreiben und zwingen das Segelboot in eine Richtung schräg nach vorn (Vortrieb) gegen den Wind. Entscheidend aber ist der Winkel zwischen Segel und Wind. Ist dieser Winkel zu klein, beginnt das Segel zu flattern (killen). Ist der Winkel zu gross, entstehen Luftwirbel und das Ganze funktioniert nicht mehr, der Vortrieb bricht zusammen. Durch laufendes Einstellen des Segels (Straffen oder Lockern des Bauches und Verändern des Winkels), dem Trimmen, wird die richtige Stellung des Segels zum Wind laufend optimal eingestellt. Die Segel An das Material von Segeltuchen wird eine Reihe von Anforderungen gestellt: Es soll luftundurchlässig, reissfest, formstabil, beständig gegen die UV-Strahlung und gegen Seewasser sein, es soll eine geringe Wasseraufnahme aufweisen und leicht sein. Segeltuche sollten auch leicht verarbeitbar und möglichst kostengünstig sein. Je nach Verwendungszweck treten dabei unterschiedliche Auswahlkriterien in den Vordergrund: Für den Antrieb eines kleinen Küstenfischerbootes ist etwa die Kostenfrage wichtiger, als für ein Hochleistungs-Regattasegel.

5 5/9 Die drei Winde Wahrer Wind Als wahrer Wind wird in der Seefahrt die Windrichtung und Windgeschwindigkeit des normalen Windes bezeichnet, wie sie beispielsweise auf einem vor Anker liegenden Schiff gemessen werden kann. Liegt also ein Segelboot fest vor Anker, so zeigt die Windfahne des Bootes die Richtung des wahren Windes an. Fahrtwind Fahrtwind ist der durch die Bewegung eines Fahrzeugs oder Schiffes hervorgerufene Gegenwind. Er kommt aus Sicht des Schiffes immer genau von vorn. Bei Windstille gibt es nur den Fahrtwind zeigt und gleichzeitiger Bewegung des Schiffes zeigt seine Windfahne die Richtung des Fahrtwindes an. Scheinbarer Wind Es handelt sich um den auf dem fahrenden Schiff wahrgenommenen Wind, der sich aus dem wahren Wind und dem Fahrtwindes (vektoriell, Dreieck aus beiden Windrichtungen, Pfeillänge = Windstärke) zusammensetzt. Fahrzeuge mit Segelantrieb nutzen immer den scheinbaren Wind. Bei einem Segelschiff richtet sich die Stellung der Segel ebenfalls nach dem scheinbaren Wind. Segelfahrzeuge, die nur mit Rahsegeln ausgerüstet sind (meist alte Schiffe), werden vom Wind geschoben und können ihm kaum entgegenfahren. Segelfahrzeuge mit Schratsegeln können im Gegensatz dazu auch (schräg) gegen den Wind fahren und dabei Geschwindigkeiten erreichen, die über der Windgeschwindigkeit liegen.

6 6/9 Die Stabilität Kiel einer Yacht Eine wesentliche Aufgabe des Kiels oder Schwertes besteht darin, dem seitlich wirkenden Winddruck auf das Segel einen Widerstand unter Wasser entgegenzusetzen, um die Abdrift nach der windabgewandten Seite, nach Lee, zu verringern. Die daraus resultierende Schräglage des Bootes wird als Krängung bezeichnet. Auch durch Seegang kann ein Boot in Krängung versetzt werden. Unter der Stabilität eines Bootes wird seine Fähigkeit, diese Krängung auszugleichen und selbständig wieder in die aufrechte Lage zurückzukehren, verstanden. Dies kann auf zwei unterschiedliche Arten geschehen: einerseits durch die Rumpfform des Bootes, die eine Rückkehr in die Ausgangslage begünstigt, und andererseits durch einen tief liegenden Gewichtskiel, der das Boot wieder in die aufrechte Lage zwingt. Yachten mit schwerem Kiel können nur unter sehr starkem Wind- und hohem Seegang kentern. Im Gegensatz dazu kann ein durch seine Form stabiles Boot (Katamaran oder Trimaran mit seiner grossen Breite) bei einer starken Schräglage plötzlich rasch kentern. Mit dem Gewicht der Mannschaft an Bord, die sich auf die Seite begibt, die in die Luft geht, kann ein gewisser Ausgleich erreicht werden (man nennt dies auch einen Gewichtstrimm). Segelmanöver Das Drehen des Bootes mit dem Bug zur Windrichtung hin, nennt man anluven. Die entgegengesetzte Bewegung, mit dem Bug vom Wind weg, heisst abfallen. Eine Drehung der Bugspitze durch den Wind hindurch, so dass der Wind nachher von der anderen Seite auf das Segel trifft, nennt man Wende. Der entgegengesetzte Vorgang, das Heck durch den Wind zu drehen, heisst Halse. Ein Ziel, das in der Richtung liegt, aus der der Wind weht, erreicht man durch Kreuzen, das Segeln schräg gegen den Wind schräg in Richtung des Ziels mit regelmässigen Wenden. Ein Aufschiesser ist der Vorgang, das Boot mit der Bugspitze (vorne) in den Wind zu drehen. Nur so kann man das Segelschiff zum Stehen zu bringen. Der Zustand ist allerdings nicht stabil, weil dabei etwas rückwärts fährt und sich bald etwas dreht und dann schon bei

7 7/9 leicht seitlichem Wind schnell rasch wieder Fahrt aufnimmt. Beidrehen und Beiliegen bedeutet, dass man das Schiff fast quer zum Wind stellt, es bewegt sich dann nur wenig vorwärts und ein wenig seitwärts. Ein Mann-über-Bord-Manöver dient dazu, das Boot wieder zu einer über Bord gegangenen Person zurückzubringen. Segelführung Bevor ein Segel genutzt werden kann, muss es angeschlagen, das heisst am Rigg (Balken unten am Segel) befestigt werden, falls es dort nicht sowieso dauernd befestigt ist. Zum Segeln muss dann das Segel gesetzt (das heisst meist hochgezogen) werden; am Ende der Fahrt oder bei einem Segelwechsel wird es wieder geborgen. Zur Segelführung gehört weiterhin das Reffen: Um bei starkem Wind oder Sturm die Krängung des Bootes zu verringern, kann die dem Wind ausgesetzte Fläche eines Segels verkleinert werden. Lässt der Wind nach, kann das Segel wieder ausgerefft, das heisst die Segelfläche wieder vergrössert werden. Ist bei weiter zunehmendem Wind die Segelfläche immer noch zu gross, müssen spezielle Sturmsegel gesetzt werden (Sturmfock als Vorsegel und Trysegel anstelle des Grosssegels) oder die Segel müssen ganz geborgen werden.

8 8/9 Experimente mit allen 7 Windrichtigen bezogen auf das Boot Baue ein Modell zur Erprobung der Wind-Segel-Zusammenhänge! Mit Hilfe eines Modellversuch sollen die folgenden Fragestellungen untersucht werden: Welches ist bei welchem Windeinfall die günstigste Segelstellung? Wie wirken sich die Segelform und die Segelwölbungen auf die vortreibende Kraft aus? Aufgabe: 1. Probiere die sieben Windstellungen aus und miss die maximale Vortriebskraft bei optimaler Segelstellung 2. Teste verschiedene Segelformen (Rahsegel. Schratsegel) und verschiedene Segeltuch-Materialien Versuchsaufbau mit beweglichem Ventilator (wahrer Wind)

9 9/9 Beschreibung des Versuchsaufbaus Auf einer Metallfahrbahn steht ein Wagen, darauf ein an einem Holzrahmen befestigtes Segel. Ein Faden, der Segler würde ihn Schot nennen, ermöglicht es, dessen Anstellwinkel zu verändern. Der Rahmen ist 20 cm hoch und 15 cm breit. Die Bahn lässt sich zum Nachstellen verschiedener Kurse in einem zum Ventilator frei wählbaren Winkel aufstellen. Sie wirkt so, wie der Kiel eines Segelschiffes: Der Wagen kann nur in zwei Richtungen rollen, wobei allerdings auch keine Abtrift möglich ist. Mit Hilfe eines Ventilators wird ein Luftstrom erzeugt: der Wind, der über das Segel den Wagen antreibt. Dieser ist über einen Kraftmesser mit einem festen Punkt verbunden und kann so den entstehenden Vortrieb anzeigen. Als Segel werden Papierstücke mit Seitenlängen von 16 cm x 20 cm (im Folgenden Segel 1genannt) und 20 cm x 20 cm (Segel 2) eingesetzt. Sie sind also, da sie auf dem Rahmen mit 15 cm Breite kleben, in der Waagerechten unterschiedlich gewölbt. Segel 1 hat an der tiefsten Stelle 2,5 cm Wölbung, Segel 2 ca. 6,8 cm. Erstelle zu den verschiedenen Messgrössen (Kraft, Segeltyp, Bester Winkel etc. eine Messübersichtstabelle. Arbeitet in kleinen Gruppen. Vergleicht die Ergebnisse untereinander