3.2 DIE STRÖMUNGSVERHÄLTNISSE MIT AUFTRIEB

Verlässt der Fahrer den Vorwindkurs, kommt es zu seitlicher Abdrift und zum Auftrieb.

Die Finne ist ein Hindernis, das die freie Bewegung des Wassers stört. Doch ihr Widerstand führt zum Auftrieb. Der Widerstand der Finne steht also dem Auftrieb gegenüber, daher kann auch „gegen den Wind“ gesurft werden. Es gilt den Widerstand zu minimieren und den Auftrieb zu maximieren.

Beim Anfahren entsteht ein starker Anfahrwirbel durch Umströmung der Hinterkante der Finne, der Auftrieb ist gleich Null.


ABBILDUNG 9: Die Entstehung des Anfahrwirbels

ß Brett nimmt Fahrt auf

a Anstellwinkel

Sv vorderer Staupunkt

Sh hinterer Staupunkt

Mit zunehmender Geschwindigkeit bleibt der Anfahrwirbel hinter der Finne zurück und die Strömung fließt an der Hinterkante glatt ab.

Blackdiamonds_theory_9


Sobald aber Fahrt aufgenommen wurde, passt sich im Idealfall die Strömung der Finnenform an und es entsteht Auftrieb.


ABBILDUNG 10: Die Entstehung des Auftriebs

Die Finne bewegt sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit, das Board ist im Gleitzustand. Der hintere Staupunkt (Sh) ist nahe zur Hinterkante gewandert und der Anfahrwirbel ist hinter der Finne zurückgeblieben. Lediglich ein schmaler Wirbelnachlauf ist vorhanden.

Die Geschwindigkeit der von der Luvseite abfließenden Strömung ist hinter der Finne gleich der Geschwindigkeit der von der Leeseite abfließenden Strömung. Auf Grund des längeren Weges erreicht die Strömung entlang der Luvseite eine höhere Geschwindigkeit, die Stromlinien werden zusammengedrängt und es entsteht ein Unterdruck (Sog). Auf der Leeseite verlangsamt sich die Strömung, die Stromlinien weiten sich auf, es entsteht Druck. Die Summe von Unterdruck und Überdruck ergibt den Auftrieb.

alt

Ist beim Start der gewählte Anstellwinkel zu groß, kann sich die Strömung nicht oder nur verzögert ausbilden. Wird während der Fahrt die Geschwindigkeit reduziert und der Anstellwinkel abrupt vergrößert, kann die Strömung ebenfalls abreißen.

Es lässt sich folgern, dass es günstig ist, beim Start abzufallen, also einen kleinen Anstellwinkel zu wählen und rasch Fahrt aufzunehmen. Die bremsenden Anfahrwirbel bleiben dann schnell hinter der Finne zurück, sie lösen sich ab und das Brett kommt schneller ins Gleiten. Dann kann der Anstellwinkel im Zuge des Anluvens gefühlvoll vergrößert werden und die gewünschte Höhe gefahren werden.

Der Staupunkt (Sv) ist nun nicht mehr mit der Finnenvorderkante identisch, sondern er rutscht nach Lee. Er ist aber die wahre Vorderkante im hydrodynamischen Sinn, hier teilt sich nun die Saugseiten- von der Druckseitenströmung, die die eigentliche Grundlage des Auftriebs darstellen. Im Staupunkt ist die Strömungsgeschwindigkeit gleich Null.

An der Profiloberseite (Luvseite, Saugseite) der Finne werden die Wasserteilchen zusammengedrängt und sie erreichen eine hohe Geschwindigkeit. Dadurch entsteht Unterdruck.

An der Profilunterseite (Leeseite) der Finne weiten sich die Stromlinien auf, es entsteht ein Gebiet niederer Geschwindigkeit und höheren Drucks.

Beide Kräfte wirken gemeinsam gegen die Windkraft, sie werden in ihrer Summe als Auftrieb bezeichnet. Bei ein und derselben Finne nimmt der Auftrieb mit der Geschwindigkeit zu.

ABBILDUNG 11: Der Auftrieb, die Verteilung von Unterdruck und Überdruck

a  Anstellwinkel

Sv vorderer Staupunkt

Sh hinterer Staupunkt

Dieses Diagramm zeigt das deutliche Überwiegen des Unterdrucks gegenüber dem Überdruck. In ihrer Summe ergeben diese Werte den Auftrieb der Finne.




Blackdiamonds_theory_11


ABBILDUNG 12: Der Einfluss der Fahrgeschwindigkeit auf den Auftrieb

Aus diesem Diagramm einer idealen Finne geht hervor, dass mit zunehmender Geschwindigkeit ein größerer Anstellwinkel gefahren werden kann und mehr Auftrieb erzeugt wird.

Weiter kann abgelesen werden, dass bei circa 15° Anstellwinkel das Maximum an Auftrieb erreicht wird. In der Realität wirkt immer das jeweilige Profil auf all diese Punkte begrenzend und auch die Kurvenform wird sich ändern. So steigt bei schlanken Profilen der Auftrieb erst relativ spät an und der ideale Anstellwinkel wird weit unter 15° liegen. Daher sollten derartige Finnen auf der Kreuz mit möglichst hoher Geschwindigkeit gefahren werden.

Blackdiamonds_theory_12

Wie beim Segel hat auch bei der Finne der Unterdruck den größeren Anteil am Auftrieb. Theoretisch kann dieser Wert bis zu knapp 70 Prozent betragen.

In Fahrt nimmt der Auftrieb je nach Profil und Geschwindigkeit spätestens ab einem Anstellwinkel von ca. 15° wieder ab. Der Ablösepunkt wandert dann zunehmend in Richtung Vorderkante und die Strömung an der Profiloberseite beginnt sich immer mehr abzulösen.

Somit lässt sich folgern, dass auch die Wahl des Anstellwinkels den Auftrieb wesentlich beeinflusst.

Zumindest genauso wesentlich sind auch die relative Profildicke und die relative Profiltiefe für den Auftrieb verantwortlich: eine 11 Prozent dicke Finne kann mit einem größeren Anstellwinkel gefahren werden als eine 9 Prozent dicke Finne. Der Grund ist in den höheren Strömungsgeschwindigkeiten an der Saugseite einer dickeren Finne zu suchen, da sich dadurch der Auftrieb erhöht. Natürlich führt ein größeres Dickenverhältnis mit seiner stärkeren Veränderung des Stromlinienverlaufs zu größerem Widerstand, die Finne wird langsamer. Bei höherer Geschwindigkeit verliert sie ihre Stromlinienform, da die Strömung am Profil abzureißen beginnt, der Widerstand nimmt rasch zu. Dies führt zu einer deutlichen Abnahme der erreichbaren Maximalgeschwindigkeit. Dickere Finnen sind also gut für geringere Geschwindigkeiten und hohe Auftriebsleistung. Die relative Profiltiefe beeinflusst den Auftrieb insofern, als Finnen mit Profiltiefen von etwa 33 Prozent und weniger mehr Auftrieb erzeugen als solche mit höheren Prozentwerten.

Die Finnenhinterkante ist für die Leistung indirekt verantwortlich, da es im Falle ihrer Umströmung zu einer Bremswirkung kommt.

Das Ablöseverhalten (Abreißverhalten) und damit der Auftrieb wird weiter beeinflusst von der Outline der Finne, von ihrer Oberflächenrauhigkeit, dem Rake, der Zuspitzung, der Verwindung und der Geschwindigkeit. Diese Faktoren werden weiter unten im Detail besprochen.


 

ERGÄNZUNG ZU DEN BEGRIFFEN „AUFTRIEB“ UND „LIFT“:


Spricht man mit deutschsprachigen Surfern über die Leistung einer Finne, so hört man praktisch nie den Begriff Auftrieb. Stattdessen wird meist von guten oder schlechten Höhelaufeigenschaften gesprochen. Zum Beispiel: „Die Finne läuft sehr gute Höhe, die Geschwindigkeit lässt aber zu wünschen übrig“.

Zusätzlich wird sehr oft der englische Begriff Lift verwendet, der in der englischen Fachsprache der Hydrodynamik Auftrieb bedeutet, dem aber hier eine ganz andere Bedeutung gegeben wird, was häufig auch zu Missverständnissen führt. Zumeist wird darunter eine vertikal nach oben gerichtete Kraft verstanden, die ebenfalls geschwindigkeitsabhängig ist.

Diese vertikal wirkende Kraft – und ich nenne sie nunmehr ebenfalls Lift – wird in unterschiedlichem Ausmaß von jeder Finne auf jedem Kurs außer dem Vorwindkurs produziert. Sie hat zur Folge, dass:

-  das Heck des Boards entlastet wird und dadurch eine neue Gleitlage entsteht

-  das gesamte System Windsurfer + Material leichter wird.

 

Die Veränderung der Gleitlage kann sich je nach Form des Unterwasserschiffs unterschiedlich auswirken, wird aber meist positiv gesehen und führt häufig dazu, dass das Board besser frei wird und so eine höhere Endgeschwindigkeit erreichen kann. Dies erfordert allerdings auch eine entsprechende Feinabstimmung des Gesamttrimms sowie eine an diese Bedingungen angepasste sensible Fahrweise und einen entsprechend sensiblen Fahrstil.

 

Die entstehende Gewichtsreduzierung sollte eindeutig als Vorteil gesehen werden.


 

Wie entsteht nun dieser Lift? Zwei Faktoren spielen dabei eine wesentliche Rolle:

 

1.  Da jede Finne mehr oder weniger flext, sich also durch die einwirkenden Kräfte seitlich weg biegt, entsteht progressiv zur Spitze hin eine schräg nach oben gerichtete Kraft, die sich als Resultierende im Zusammenspiel mit allen anderen beteiligten Kräften als senkrecht nach oben wirkend darstellen lässt.

flexende-finne-auftrieb-D

 

2.  Es scheint, als würde eine Finne mit null Flex als Ursache für diese Liftentwicklung wegfallen. Manche sehr kurze und breite Speedfinnen kommen dem sehr nahe.

Führt man allein diese Argumentation in der Theorie weiter, würde eine senkrecht stehende ideale Finne mit null Flex zu 100 % Auftrieb liefern aber keinerlei Lift. Doch der nachfolgende Punkt zeigt, dass die Praxis anders aussieht und ein weiterer Faktor mit ins Spiel kommt.


Denkt man sich auf Halbwindkurs den Surfer kurzfristig weg, so würde das Board aufkentern. Der Drehpunkt wäre im näheren Bereich der Finne zu suchen. Durch den Druck der Finne auf das Board würde die Luvkante aufsteigen – eine Situation, die jedem Surfer bekannt ist, wenn er einmal mit zu großer Finne überpowert gefahren ist. Dieses Aufkentern wird durch das auf die Luvkante wirkende Gewicht des Surfers verhindert, er dreht das Board durch den ungefähren Drehpunkt Finne wieder in eine horizontale Querposition zurück – die Luvkante geht nach unten und die Leekante kommt nach oben. Eine an der Luvkante nach oben wirkende Kraft wird somit durch eine nach unten wirkende Kraft egalisiert.

Wieder kann man die resultierende Kraft in diesem Geschehen suchen und auch diesmal wirkt sie senkrecht nach oben, selbst wenn die Finne (theoretisch) überhaupt nicht flext. Speedsurfer, deren oft nur 20 cm lange und praktisch nicht flexende Finnen Auftrieb erzeugen, wissen dies und schätzen dies zumeist.


nicht-flexende-finne-D


Beide besprochenen Faktoren führen demnach zu Lift in unterschiedlichem Ausmaß und wirken sich auch auf den Auftrieb aus.

Geschwindigkeit und Anstellwinkel sowie die Kennwerte der Finne sind nicht nur für den Auftrieb von Bedeutung, sie sind es auch für den Lift.

Lift und Auftrieb sind in der Praxis nicht voneinander zu trennen. Bei allen speedorientierten Bewerben kommt dem Lift wie auch dem Auftrieb eine wesentliche Rolle zu.