Wie segelt man vor dem Wind schneller als der Wind?

Es klingt kontraintuitiv. Das eigentliche Gerät verwendete Zahnräder, die an einer Windkraftanlage befestigt waren. Obwohl sich die Turbine schneller als der Wind bewegte, war der Schub (IIRC) so groß, dass er das Windfeld verlangsamte. Über das richtige Übersetzungsverhältnis wurde also dem Windfeld Energie entzogen, um Räder anzutreiben. In jedem Fall wird dem Windfeld Energie entzogen, so dass keine Gesetze der Physik verletzt wurden. Das Fahren im Winkel zum Wind ist einfacher zu visualisieren. Tatsächlich bewegen sich die Flügel von Windkraftanlagen mit Vielfachen der Windgeschwindigkeit rechtwinklig zum Wind. Aber das ist anders. Dies war ein wirklich cleveres Gerät, und wenn nicht gezeigt wird, wie es funktioniert (ich erinnere mich nicht an die Details), denken die meisten Physiker "auf keinen Fall". Ich vermute, es muss möglicherweise schneller als die Windgeschwindigkeit gedrückt werden, um es zum Laufen zu bringen. Ohne am festen Boden befestigte Räder würde es nicht funktionieren,

Eine andere Erklärung.

Dies wurde auch anhand eines Rades auf einem Laufband erklärt, wenn man die Luft als relativ dick und steif betrachtet.

Damit dies mit echter Luft funktioniert, wird natürlich ein Teil der Luft nach hinten gedrückt, und da sich die Oberseite des Rads mit relativ hoher Geschwindigkeit nach vorne bewegt, muss der Luftwiderstand durch Stromliniengestaltung usw. minimiert werden warum diese Dinge nicht funktionieren, wenn sie beiläufig gemacht werden.

Aber im Grunde ist es eine einfache Frage der Hebelwirkung und der Ausnutzung des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der Oberfläche und der Luft.

UND Noch eine Erklärung. Stellen Sie sich den Wind als etwas vor, das drückt, und stellen Sie sich die Oberfläche des Propellers als einen gleitenden Keil vor.

Wenn der Wind diese Oberfläche um eine bestimmte Strecke nach vorne schiebt, bewegt sich der Keil selbst um eine größere Strecke nach vorne.

UND noch eine weitere Erklärung, die nach einem supereinfachen intuitiven Bild dessen sucht, was vor sich geht. Hier ist ein Katamaran mit großer Reichweite:

Der Grund dafür ist die Quetschwirkung zwischen Wasser und Wind auf das Dreieck aus Kiel und Segel. Es gibt keine Begrenzung der Reisegeschwindigkeit. Je schmaler das Dreieck ist, desto schneller kann es fahren, begrenzt nur durch Ziehen. Auch muss die Fahrtrichtung nicht rechtwinklig zum Wind sein, solange es Komponenten der Windkraft und der Wasserkraft gibt, die wirken, um den Keil zusammenzudrücken.

Nehmen wir nun an, die Wasseroberfläche ist tatsächlich ein Zylinder, der gegen den Wind ausgerichtet ist, und das Boot segelt um und um ihn herum. Dann sieht das Segel eher aus wie ein Lüfterblatt (wie beim Amselauto), aber es funktioniert genauso.

Hier ist die einfachste Erklärung, die ich mir vorstellen kann.

Tatsächlich funktioniert der Propeller nicht wie eine Windmühle, die die Räder antreibt, sondern wie ein Ventilator, der von den Rädern angetrieben wird.

Was das Diagramm zeigt:

• Der Wind und der Lüfter arbeiten zusammen, um das Auto voranzutreiben. Im Ruhezustand schiebt allein der Wind das Auto. Aber sobald sich der Propeller dreht, verstärkt er den Schub.
• Wenn man das Auto anschiebt, dreht sich das Rad.
• Das Drehen der Räder treibt den Propeller an und hilft, das Auto zu schieben.

Zu verstehen ist, dass sowohl die Wirkung des Windes als auch der Propeller dazu beitragen, den Druck auf das Auto zu erzeugen. Der Wind bewegt die Luft nach vorne, wodurch der Propeller das Auto leichter bewegen kann. Daher liefert der Druck auf das Auto mehr Energie an die Räder als die Energie, die der Propeller benötigt, um seinen Teil zu leisten.

Wenn es keinen Wind gäbe, würde bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 100 % die zum Schieben des Autos erforderliche Energie tatsächlich der Energie entsprechen, die von den Rädern eingefangen werden kann. Das wäre ein Perpetuum Mobile. Aber da der Wind einen Teil der Energie liefert, die das Auto antreibt, braucht man weniger Energie vom Propeller.

Zusammenfassend:

• Der Wind und der Propeller liefern beide die Kraft, um das Auto anzuschieben.
• Die Kraft, die das Auto antreibt, wird von den Rädern aufgenommen und treibt wiederum den Propeller an.
• Die am Propeller ankommende Leistung reicht auch bei Reibung und Verlusten aus, um den Propeller anzutreiben.

Der durch die Windpfeile dargestellte Effekt tritt tatsächlich an der Oberfläche der Propellerblätter auf. Der Propeller drückt zurück gegen die Luft, die sich aufgrund des Windes bereits vorwärts bewegt. Stellen Sie sich diese 2 Pfeile wie eine Feder vor, die von beiden Seiten zusammengedrückt wird und eine Kraft auf den Propeller ausübt.

Credits: Das Bild stammt aus einem Video von Veritasium.
https://www.youtube.com/watch?v=yCsgoLc_fzI .
Die Pfeile wurden von mir hinzugefügt.

Dies kam kürzlich auf dem Skeptics-Stack-Austausch auf.

Ich war fasziniert, also habe ich darüber nachgedacht, bis ich glaube, ich habe verstanden, wie es funktioniert, und die Erklärung hier eingefügt .

Ich war etwas begeistert und wurde dort wegen unzureichender Referenzen verprügelt. So ist das Leben. Trotzdem ist es eine raffinierte kontraintuitive Technik.

EDIT: Hier ist ein weiteres kleines Diagramm, das die Geometrie veranschaulicht.

Unten befindet sich ein Rad, das den Boden berührt und durch eine Kette oder etwas Ähnliches mit einer Oberfläche verbunden ist, gegen die ein Drücker drückt, der den Wind darstellt. Die Anfangsposition ist schwarz und die Endposition grau dargestellt. Die Oberfläche, gegen die gedrückt wird, hat einen Winkel oder ein Steigungsverhältnis, das von 0 für absolut vertikal bis 1 für 45 Grad reicht. Wenn sich das Fahrzeug um 1 Entfernungseinheit vorwärts bewegt, steigt die Schubfläche vertikal um 1 Einheit an, folgt also einem 45-Grad-Pfad nach oben und rechts. Abhängig von der Steigung der Druckfläche bewegt sich der Drücker irgendwo zwischen 1 Einheit und 0 Einheiten vorwärts. Das Teilungsverhältnis bestimmt also das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Rädern und dem Drücker, als wäre es ein Getriebe.

Wenn also beispielsweise das Steigungsverhältnis 2/3 wäre, wäre das Verhältnis der zurückgelegten Entfernung von Rädern zu Schieber 3. Um höhere Geschwindigkeitsverhältnisse zu erhalten, hängt es natürlich von Dingen wie Reibung, Effizienz usw. ab.

WEITERE BEARBEITUNG: Möglicherweise veranschaulicht dieses Bild es besser:

Es gibt ein Schaufelblatt, das einem spiralförmigen Pfad folgt, weil es auf die Räder ausgerichtet ist. Sie hat einen Steigungswinkel und damit einen Anstellwinkel gegenüber der Schraubenbahn. In einer gegebenen Zeit dt legt das Schaufelblatt eine Strecke dX in X - Richtung zurück. In derselben Zeit wird ein Luftpaket um die Strecke dx in X - Richtung abgelenkt. Es gibt ein Verhältnis dx/dX und seinen Kehrwert dX/dx . Der Anstellwinkel bestimmt also, ob der Wind das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts, in jeder „Übersetzung“ oder gar nicht antreibt.

Die Räder verwenden regeneratives Bremsen, um einen Propeller / eine Turbine anzutreiben, um Schub zu liefern, nicht umgekehrt.

In einem typischen Segelboot oder einem anderen windbetriebenen Fahrzeug sorgt der Wind für Schub, und der durch den Fördermechanismus (Wasser oder Räder) gegebene Widerstand wird typischerweise minimiert.

In diesem Szenario wird jedoch ein wenig regeneratives Bremsen auf die Räder angewendet, und die gesammelte Energie wird verwendet, um einen nach hinten gerichteten Lüfter anzutreiben.

Ohne Antrieb des Lüfters würde die Geschwindigkeit des Fahrzeugs knapp unter der Windgeschwindigkeit liegen, wenn der Schub des stationären Propellers dem Luftwiderstand der Räder entspricht. Das Hinzufügen des regenerativen Bremsens würde die Bremskraft erhöhen, aber dies wird durch die Schuberhöhung des Propellers mehr als wettgemacht. Durch das Getriebe können wir beliebige Übersetzungen anwenden, aber wir müssen weniger Energie aufwenden, als wir erzeugen.

Verfügbare Leistung

Propellerleistung

Propeller sind kompliziert, aber als erste (sehr schlechte) Annäherung könnten wir dieselbe Formel verwenden

Aber hier müssen wir die Geschwindigkeit des Propellers relativ zum Wind verwenden:

Da der Wind nach vorne weht, verbrauchen wir weniger Kraft, als wir erzeugen, wenn wir genug Schub aufbringen, um die Bremskraft auszugleichen, was bedeutet, dass wir zusätzliche Kraft haben, um mehr Schub aufzubringen und zu beschleunigen.

Bessere Annäherung der Schubkraft-Windgeschwindigkeits-Beziehung in Kürze ...

Das Rad mit aerodynamischen Bechern macht Sinn; das Auto mit dem Fahrlüfter nicht. Wenn das Konzept der Räder, die einen Lüfter antreiben, tatsächlich funktionieren würde, könnte es nach einem Anschubstart ewig in der Luft liegen!

Ich denke, die Erklärungen sind äußerst kompliziert: Sie wollen die Dynamik der Wechselwirkung mit Wind abdecken . Unten wiederhole ich die Frage, damit die besondere Geometrie des Propellers keine Rolle spielt – während die wichtigsten Gedankenblöcke immer noch dieselben bleiben. (Ich denke, es ist viel einfacher, diese Gedankenblockaden an einem einfacheren Beispiel zu bekämpfen …)

Schritt 1: Betrachten Sie eine Seilbahn. Unter dem Auto bewegt sich ein Kabel nach vorne. Wenn man dieses Kabel greift, kann man das Auto dazu bringen, sich vorwärts zu bewegen. (Also ersetzen wir hier Wind durch ein Kabel.)

Schritt 2: Betrachten Sie ein dreirädriges Fahrrad anstelle einer Seilbahn, mit dem vorderen (= mittleren) Rad auf einem Förderband und zwei Hinterrädern außerhalb des Bandes. Stellen Sie sich nun vor, wie sich das Band mit 10 km/h vorwärts bewegt. Wir „wollen“ schneller vorankommen als der Gürtel.

Sofern alle Räder Freilauf haben, kann sich das Fahrrad mit beliebiger Geschwindigkeit (Reibungsabhängigkeit) hin- und herbewegen. Wenn jedoch das Vorderrad stecken bleibt, wird das Fahrrad gezwungen, sich mit einer Geschwindigkeit von 10 km/h (weniger aufgrund von Reibung) vorwärts zu bewegen.

Schritt 3: Verbinden Sie das Vorderrad mit den Hinterrädern mit einer Kette. Wählen Sie die Übersetzung so, dass sich die Hinterräder doppelt so schnell drehen wie das Vorderrad.

Jetzt muss sich das Fahrrad relativ zum Boden doppelt so schnell bewegen wie relativ zum Gürtel . Die Lösung: Er bewegt sich relativ zum Band mit 10 km/h und relativ zum Boden mit 20 km/h.

(Aufgrund von Reibung kann die tatsächliche Geschwindigkeit etwas geringer sein.)

Der Grund liegt im Mechanismus der Kraft, die das Segelboot antreibt. Der Mechanismus ist nicht der Druck, den der Wind auf das Segel ausübt, sondern der Auftrieb, der durch die Windströmung um das Segel entsteht. Es ist also das Bernoulli-Prinzip, das die Segelboote antreibt.

Edit: Tut mir leid, ich habe nicht bemerkt, dass du gegen den Wind gesagt hast ...