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Segler
nennen allgemein die Öffnung zwischen Vor- und
Großsegel „Düse“, weil angeblich
in der trichterförmigen Verengung
die anströmende Luft beschleunigt wird. Sie tritt demnach mit höherer
Geschwindigkeit auf das Großsegel und bewirkt eine Zunahme des Vortriebs.
Dies ist zwar einleuchtend aber falsch.
In Wirklichkeit wird die Luftmasse in der Verengung nicht, wie in einer wirklichen
Düse, zusammengepreßt und dadurch beschleunigt, sondern gebremst und
teilweise sogar gestaut: Die geringen Geschwindigkeiten segelnder Boote reichen
zum Komprimieren der Luft nämlich bei weitem nicht aus. Und wäre der
Spalt zwischen Groß- und Vorsegel wirklich eine Düse, würde man
kaum am Wind segeln können.
Die Gründe hierfür lassen sich auch ohne Mathematik und aerodynamische
Vorkenntnisse leicht erklären:
Da also die trichterförmige Verengung
zwischen Groß und Vorsegel einen Teil der anströmenden Luft nicht
durchläßt, muß diese Luftmasse ausweichen und das Hindernis
irgendwie umgehen. Aber wohin?
Die einzige Möglichkeit ist der Weg nach vorn – und zwar über
die Leeseite des Vorsegels: Dort herrscht ein wesentlich geringerer Druck, als
auf der Luvseite beider Segel. Weil aber Luft, genauso wie Wasser, nicht bergauf
fließen kann, ist sie gezwungen, talwärts zu strömen, zum Tief
der Leeseite, in die sie regelrecht gesaugt wird.
Zu den Druckunterschieden zwischen der Luv- und Leeseite eines Segels kommt es
durch die unterschiedlich hohen Geschwindigkeiten der umströmenden Luft.
Werden Luftmassen über einer Fläche beschleunigt, entsteht in diesem
Bereich Unterdruck, beim Abbremsen der Strömung dagegen Überdruck,
so hat es bereits Bernoulli im 18. Jahrhundert herausgefunden.
Beschleunigt wird die Luftmasse immer dann, wenn das Profil des Segels zur allgemeinen
Strömungsrichtung angestellt ist. Dann haben die der Krümmung folgenden
Luftteilchen der Lee seite einen längeren Weg, als die Luft-teilchen der
Luvseite zurückzulegen. Sie müssen sich „beeilen“, um mit
der über die Luvseite fließenden Luft rechtzeitig am Achterliek anzukommen.
Sonst würde dort ein „Loch“ entstehen, das es in der Physik
nicht geben kann. Der so erzeugte Unterdruck wird durch die zusätzliche,
aus dem „Hoch“ des Spaltes beider Segel mit großer Geschwindigkeit
angesaugten Luft wesentlich erhöht, da sie einen noch längeren Weg
um das Profil zum Achterliek zurücklegen muß.
Warum folgt eigentlich die Luftmasse der Krümmung des Profils und fließt
nicht einfach gradlinig weiter?
Der Grund ist ein weiteres Phänomen: das Vermögen von Fluiden wie Luft
oder Wasser an umströmten Flächen zu haften und das Be-streben der
Moleküle
gleichzeitig aneinander festzuhalten. Diese als Zähigkeit oder Adhäsion
bezeichnete Eigenschaft ist bei den meisten Flüssigkeiten sehr unterschiedlich.
Sie ist das Maß der Leichtflüssigkeit eines Mediums. Sirup beispielsweise
hat eine sehr hohe Zähigkeit, während das Fluidum Luft – physikalisch
gesehen ist es „trockenes Wasser“ –, extrem leichtflüssig
ist.
Zurück zum Segel:
Während der Anströmung bildet die Luft eine
sehr dünne, nur Bruchteile eines Millimeters dünne Haftschicht, die
das Profil wie eine Haut umgibt und die Strömungsgeschwindigkeit Null hat.
Sie ist mit weiteren Luftschichten überlagert, die nach außen hin
mit zunehm-ender Geschwindigkeit strömen, bis sie wieder so schnell wie
die
Außenströmung sind.
Diese flächennahe, durch die Zähigkeit beeinflußte Strömung
bestimmter Dicke bezeichnet man als Reibungs- oder Grenzschicht. Sie bewirkt,
daß auch nicht profilierte Flächen, wie beispielsweise eine in den
Wind gehaltene Platte, Auftrieb bekommt, wenn sie mit einem bestimmten Winkel
zur Strömung ange- stellt wird.
Genauso läßt sich die Tatsache
erklären, warum man mit einem gleichmäßig profilierten, drehbar
gelagerten Mast Vortrieb erzeugen kann. Durch den Anstellwinkel wird für
die Luftströmung die Leeseite verlängert: Sie muß schneller strömen.
Es entsteht Unterdruck und damit Vortrieb. |
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