Warum erreicht ein Balken auf modernen Segelbooten den schnellsten Segelpunkt?

Der schnellste Segelpunkt hängt vom Boot (sowohl seiner Rumpfform als auch seinem Segelplan), der Windstärke und dem Seegang ab. Im Allgemeinen ist eine Balkenreichweite nicht der schnellste Punkt des Segels.

Zum Beispiel fahren einige Boote bei sehr leichtem Wind auf kurze Distanz am schnellsten, da der scheinbare Wind durch das Fahren in Richtung des Windes zunimmt. Bei Booten, die schneller als der Wind segeln, ist der begrenzende Faktor für die Geschwindigkeit, wie nah sie am scheinbaren Wind segeln können; Wenn sie schneller als die Windgeschwindigkeit sind, ist der scheinbare Wind immer vor dem Balken. Ein breiterer Winkel zum wahren Wind ermöglicht es ihnen, schneller zu fahren, bevor ihre Segel vollständig eingezogen sind, sodass eine große Reichweite am schnellsten ist.

Schauen Sie sich die Polardiagramme auf dieser Seite an:

https://76trombones.wordpress.com/2009/10/17/polar-diagrams-vmg/

90 Grad zum wahren Wind sind normalerweise nicht die schnellsten.

Warum einige Winkel schneller sind als andere, ist etwas kompliziert und würde den Rahmen dieser Antwort sprengen. Es genügt zu sagen, dass die Auftriebskomponente in Fahrtrichtung geringer ist, je näher Sie am Wind segeln, und der Luftwiderstand erhöht wird. Sie werden also langsamer, wenn Sie sich einem Amwindkurs nähern. Wenn Sie zum Laufen abfallen, werden die Segel schließlich abgewürgt und weniger effizient. Irgendwo zwischen Amwindkurs und Lauf liegt der Winkel der maximalen Geschwindigkeit, der manchmal etwa 90 Grad zum wahren Wind beträgt, aber nicht immer.

Übrigens sollte ich hinzufügen, dass der Begriff "Strahlreichweite" keine genaue Definition hat. Einige Quellen sagen, dass die Strahlreichweite 90 Grad zum wahren Wind beträgt, andere sagen, dass sie 90 Grad zum scheinbaren Wind beträgt. Die meisten Quellen führen die Segelpunkte vor dem Konzept des scheinbaren Windes ein und lassen den Unterschied vollständig aus. Für Boote, die nur einen Bruchteil der Windgeschwindigkeit fahren (dh die überwiegende Mehrheit von ihnen), ist eine Unterscheidung nicht so wichtig. In der obigen Antwort habe ich die wahre Winddefinition verwendet, aber selbst wenn Sie die scheinbare Winddefinition wählen, ist eine Strahlreichweite nicht immer am schnellsten. Bei Booten, die schneller als der Wind fahren, werden die Segel unabhängig von ihrem Segelpunkt auf Amwind getrimmt.

Bei einer Balkenreichweite ist der Ausleger über die Seite des Bootes hinaus, und der Auftrieb vom Wind ist ein Vektor, der in Fahrtrichtung zum Bug gerichtet ist.

Bei einer kurzen Fahrt befindet sich der Ausleger in der Nähe der Mittellinie des Bootes, und der Auftrieb durch den Wind ist ein Vektor, der zur Seite des Bootes gerichtet ist, fast orthogonal zur Fahrtrichtung.

Ein Amwindboot hängt vom Wasserdruck gegen die Leeseite des Kiels ab, damit es sich vorwärts bewegt, anstatt seitwärts geschoben zu werden.

Bei einer Balkenreichweite gibt es weniger Wasserdruck auf der Leeseite, und das Boot kann mit weniger Widerstand durch das Wasser schneiden.

Dies ist eine Vereinfachung, da die tatsächlichen Segelwinkel variieren, aber die höhere Geschwindigkeit bei einer Reichweite ist darauf zurückzuführen, dass der Wind das Boot in Fahrtrichtung anhebt, anstatt es seitlich gegen seine Fahrtrichtung zu ziehen, wie bei einem Nahflug.

Anders ausgedrückt: Wenn Sie das Boot als eine feuchte und glitschige orangefarbene Grube betrachten, die zwischen Daumen und Zeigefinger (zwischen Wind und Wasser) gehalten wird, wird das Drücken der konischen Spitze der Grube es herausschießen, aber das Drücken der flachen Seiten der Grube Grube wird wenig Wirkung haben.

Der schnellste Kurs ist nicht genau senkrecht zum wahren Wind, sondern leicht vor dem Wind. Der optimale Vorwind-Offset ist der scheinbare Windwinkel, den das Boot segeln kann (Beta), der für effiziente Boote (15 Grad) und Eisboote (<10 Grad) klein ist.

Die Geometrie wird hier erklärt: http://en.wikipedia.org/wiki/Sailing_faster_than_the_wind#Maximum_speed_course_sailing_angle

Downwind-Reichweiten sind viel schneller - wie beim letzten America's Cup zu sehen war.

Einfacher Grund: Wenn der Luftwiderstand am Rumpf gering ist, können Sie einen erheblichen "Gegenwind" bekommen, den Sie zum tatsächlichen Windvektor hinzufügen, um den scheinbaren Wind zu erhalten.

Dieser scheinbare Wind muss in einem "vernünftigen" Winkel zum Boot sein - genügend seitliche Komponente, damit er das Segel immer noch "schieben" kann.

Je geringer der Luftwiderstand des Bootes ist, desto weiter vor dem Wind liegt dieses Optimum. Die im America's Cup eingesetzte AC72 erreichte Geschwindigkeiten von über 40 Knoten bei 20 Knoten Wind; zu diesem Zeitpunkt betrug der scheinbare Windwinkel 19 Grad, obwohl das Boot nominell eine große Reichweite hat.

Ein schönes Diagramm und eine Erklärung finden Sie unter https://www.nauticed.org/sailing-blog/americas-cup-apparent-wind/

Die Idee, dass der Auftriebsvektor des Segels nahe an der Fahrtrichtung liegen muss, ist nicht richtig. Nur eine Komponente des Auftriebsvektors muss in Fahrtrichtung sein, und es darf nur eine kleine Komponente sein.

Ich denke, das ist am einfachsten zu verstehen, wenn Sie eine vereinfachende Annahme treffen. Vergiss Tragflächen und so. Stellen Sie sich das Schwert des Bootes als eine Art Schlittschuh vor, der sich nicht seitwärts bewegen kann, sich aber fast ohne Widerstand vorwärts oder rückwärts bewegen kann. (Wie ein Eisboot.)

Stellen Sie sich das Segel in ähnlicher Weise als etwas vor, das sich leicht in der Luft vorwärts bewegen kann, aber nicht seitwärts, als ob die Luft eine Substanz wie Wackelpudding und das Segel ein Messer wäre. In dieser Situation fungiert das Boot als Verbindung zwischen Luft und Wasser, in dem Sinne, dass, wenn das Boot im Wasser vorwärts fährt, die Luft seitwärts fließen muss, weil das Segel nicht parallel zum Schwert ist. Ebenso muss sich das Boot vorwärts (oder rückwärts) bewegen, wenn sich die Luft seitwärts bewegt. Je näher das Segel parallel zum Schwert ist, desto mehr muss sich das Boot bewegen.

Angenommen, das Segel und das Schwert sind nicht parallel, sondern in einem kleinen Winkel zueinander. Wenn die Luft in Bezug auf das Wasser nicht bewegungslos ist, sondern sich über eine bestimmte Distanz darüber bewegt, bewegt sich das Boot um eine weitere Distanz, da das Segel nur durch die Luft schneiden kann und das Schwert nur durch das Wasser schneiden kann.

Je näher das Segel parallel zum Schwert ist, desto weiter muss sich das Boot bewegen, da weder Segel noch Schwert seitlich in seinem Medium gleiten können. An der Grenze, wo der Winkel gegen Null geht, nähert sich die Entfernung, die das Boot zurücklegen muss, unendlich. Dies hängt nicht von der Richtung ab, in die das Boot zeigt, solange es nicht direkt vor dem Wind oder gegen den Wind ist. Es funktioniert an jedem anderen Segelpunkt.

Natürlich gibt es weder im Wasser noch in der Luft einen Luftwiderstand von Null, und die Komponente der Luftkraft parallel zur Fahrt kann ziemlich klein werden, sodass eine Fahrt senkrecht zum Wind die besten Ergebnisse liefern kann, was Ihre Frage beantwortet. Aber denken Sie daran, dass alles vom Winkel zwischen Segel und Schwert abhängt. Je näher, desto schneller kann es im Prinzip gehen, wenn da nicht der Luftwiderstand wäre.

Tatsächlich kann das Boot umso schneller fahren, je geringer der Luftwiderstand im Wasser und in der Luft ist. Überprüfen Sie dieses Video.

Klassisch ist es Reach - der schnellste Kurs des Segelbootes. Üblicherweise kommt es vor, dass beim Erreichen der Windkraftprojektion auf den Ausbreitungsvektor Maximalwerte erreicht werden und das Boot auch krängungsstabil bleibt, da die Krängungsprojektion der Windstärke klein wird. Wenn das Boot am Balken läuft und die Krängungskraft groß ist, gewinnt das Boot aufgrund der Krängung an Widerstand und driftet ab. Ein solcher Kurs könnte also optimal für Eisyachten oder für Einrumpfboote sein, insbesondere mit großen Gennakern oder Code Zero-Segeln (wie bei Volvo Ocean Racing). "Moderne Segelboote" - heute sind folierende Einrümpfer, die sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 Knoten ausbreiten, und der Wind in ihrem Bezugsrahmen unterscheidet sich erheblich vom Bezugsrahmen der Erde, und die Windrichtung für Yachten ist nicht die gleiche wie die Windrichtung neigt zum Windauge,