4.3 Der induzierte Widerstand

Der Profilwiderstand wird von Seite der Finne durch ihr Profil und ihre Oberflächenbeschaffenheit bestimmt und führt zu einer zweidimensionalen Veränderung des Stromlinienverlaufs um das Profil. Diese Überlegung zieht allerdings noch nicht in Betracht, dass die Finne eine endliche Länge besitzt. Um die Finnenspitze herum kommt es zu einem Druckausgleich zwischen Luv- und Leeseite. Es bilden sich zusätzliche Strömungen, die die zweidimensionale Strömung zur Finnenspitze hin teilweise nach unten ziehen – die Strömung wird dreidimensional. Es entstehen zusätzliche Verwirbelungen – sogenannte Randwirbel – die für zusätzlichen Widerstand verantwortlich sind und als induzierter Widerstand bezeichnet werden. Mit zunehmendem Auftrieb nehmen diese Verwirbelungen zu, somit wächst mit dem Auftrieb der induzierte Widerstand, beide Werte korrelieren also.

ABBILDUNG 16: Die Entstehung der Randwirbel hinter der Finne

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Die Randwirbel können im Strömungsversuch sehr gut sichtbar gemacht werden. An den Spitzen von Flugzeugflügeln können sie durch Winglets reduziert werden.

Randwirbel beeinflussen das gesamte umliegende Strömungsfeld und damit das Gesamtverhalten der Finne. An der Finnenspitze entsteht praktisch kein Auftrieb mehr, der Widerstand nimmt zu.

Nicht berücksichtigt werden in dieser Darstellung der Anstellwinkel, Twist und Flex, Hochtief- und Kippbewegungen.

Andererseits verringert sich der induzierte Widerstand mit zunehmendem Seitenverhältnis (schmälere, dafür längere Finne), während sich der Auftrieb erhöht. Daraus kann geschlossen werden, dass es für lange Finnen mit hoher Auftriebsleistung ein ideales Seitenverhältnis geben muss, das dann zu optimalem Auftrieb bei geringstmöglichem induzierten Widerstand führen sollte. Diese theoretische Überlegung wird jedoch stark eingeschränkt bzw. modifiziert durch eine Reihe weiterer Faktoren, u. a. durch die Outline, die Profildicke, die Profiltiefe, das Flex- und Twistverhalten.

Würde man am Ende der Finne eine Endscheibe anbringen, so würde diese Umströmung verhindert. Da sich die Finne jedoch in allen drei Richtungen des Raumes bewegt, käme es zusätzlich zu einer unverhältnismäßig großen Widerstandszunahme. Bei Flugzeugen kann diese Umströmung der Flügelenden durch die Anbringung sogenannter Winglets (Endscheiben) deutlich verringert werden.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Umströmung der Finnenspitze mehrere Auswirkungen hat:

  • Die Stärke des Auftriebs nimmt zur Finnenspitze hin ab.
  • Diese Auftriebsabnahme ist mit einer Widerstandszunahme verbunden.
  • Zur Finnenspitze hin entstehen Zusatzströmungen (Randwirbel). Dadurch ändert sich entlang der gesamten Finne die ursprüngliche (theoretische) Anströmrichtung, folglich auch der ideale Anströmwinkel und in weiterer Folge der Auftrieb und der Widerstand.

In all diese schön gegliederten Überlegungen fällt aber ein Wermutstropfen, der umso größer ist, je kürzer die Finne ist, je unruhiger die Wasseroberfläche ist und je radikaler der Fahrstil ist. Das Surfboard unterliegt im Gleitzustand vor allem bei unruhiger Wasseroberfläche ständigen Hochtiefbewegungen und auch seitlichen Kippbewegungen, außerdem kommt immer wieder Luft unter die Boardunterseite. Diese zusätzlichen Faktoren können alle anderen Einflüsse stark verändern. Sie sind den Berechnungen der Theoretiker kaum mehr zugänglich und nur der praktische Test kann über das Gesamtverhalten der Finne endgültig Auskunft geben.

ABBILDUNG 17a: Die Bewegung der Finne – hypothetische geradlinige Bewegung

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Es wird angenommen, dass die Finne (ohne Twist) eine völlig geradlinige Bewegung in Fahrtrichtung durchführt, da

- die Wasseroberfläche vollkommen glatt ist

- vollkommen konstante Windgeschwindigkeit herrscht

- keinerlei Störeinwirkung vom Fahrer kommt.

In dieser Situation würde die Finnenspitze ebenfalls eine völlig geradlinige Bewegung durchführen, bedingt durch den Flex jedoch etwas in Luv von der Finnenbasis.

ABBILDUNG 17b: Die Bewegung der Finne – die reale Bewegung

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Es wird eine weitgehend geradlinige Bewegung des Surfboards angenommen, allerdings mit Störeinflüssen durch

- die bewegte Wasseroberfläche

- böigen Wind

- Fahrereinwirkungen.

Durch wechselnde seitliche Belastungen flext die Finne während der Vorwärtsbewegung unterschiedlich stark. Folglich beschreibt die Finnenspitze einen längeren Weg als das Brett und ihre Geschwindigkeit ist daher auch höher. Zusätzlich kommt es zu Kippbewegungen um die Längs- und Querachse des Brettes und zu Hochtiefbewegungen.

Unter den ständig wechselnden Bedingungen auf dem Wasser sind daher die Bewegungen der Finne unmöglich in jedem Detail nachvollziehbar. Aus einer Nahsicht erscheinen die Bewegungen chaotisch – ein untergetauchtes Universum an Bewegungen. Mit etwas Distanz sind jedoch wiederkehrende Muster des Twistens und Flexens und auch der übrigen Bewegungen zu erkennen.

Es lässt sich folgern, dass theoretische Zugänge zur Finnenfunktion immer durch die Ergebnisse des praktischen Tests ergänzt werden müssen. Weiters folgt, dass die Finne höchstens einen gelungenen Kompromiss im Hinblick auf die vielfältigen Anforderungen darstellen kann.

Am deutlichsten zeigen längere Formulafinnen, dass die dreidimensionale Umströmung der Finne und damit der induzierte Widerstand durch einige ihrer hydrodynamischen Eigenschaften ganz wesentlich beeinflusst wird. Es sind dies

  • Der Grundriss, Umriss, die Outline (Seitenverhältnis, Zuspitzung, Krümmung der Anströmkante, Finnenlänge, Rake)
  • Die Verwindung
  • Die Wölbungsverteilung (in Profiltiefen und Längsrichtung)