Benutzer:Schnellpfuscher/Entwurf

Containerfeeder als Beispiel für einen Verdränger.

Boot der US Küstenwache als Beispiel für einen Gleiter.

Als Verdränger wird ein Schiff oder Boot bezeichnet, dass sich sowohl in Ruhe befindend, als auch beim Fahren in einem Fluid, wie z.B. Wasser, genau so viel Wasser verdrängt, wie es seiner Masse entspricht. Bei einem Verdränger gilt zu jeder Zeit das Archimedische Prinzip.

Gleiten ist ein Strömungszustand, bei dem sich durch die Bewegung des Körpers zusätzlich zum hydrostatischen Auftrieb ein hydrodynamischer Auftrieb wirkt. Boote oder Schiffe, die gleiten, nennt man Gleiter. Die Verdrängung des gleitenden Körpers ist hierbei geringer als seine Masse.

Man spricht von Gleiten, wenn die dynamischen Auftriebskräfte "spürbar" am Wirken sind. Dieses "Spürbar" ist dabei ein weiter Bereich, der beginnt, wenn sich das Heckwasser erst in einigem Abstand hinter dem Schiff zu schließen beginnt und endet, wenn durch den hydrodynamischen Auftrieb fast kaum noch Fläche des Bootes oder Schiffes im Wasser ist.

Entwicklungsgeschichte der Gleiter

Dieser Abschnitt behandelt die Geschichte der Gleiter. Die geschichtliche Entwicklung von Verdrängern wird im Artikel Schiffsrumpf behandelt.

Entwicklungen bis zum zweiten Weltkrieg

Mangels ausreichender theoretischer Grundlagen, sind erste nachgewiesene Gleiterfahrten zum Ende des 19. Jahrhunderts nachgewiesen. Freizeit- und Rennboote wurden durch Versuch und Irrtum dahingehend weiterentwickelt, in ruhigem Wasser eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erzielen. Von Commodore Ralph Munroe wird berichtet, dass dieser im Jahr 1998 mit einer Proa die doppelte Rumpfgeschwindigkeit (≈ L/λ = 0,25) erziehlte.

In diese Zeit fällt auch Parsons Turbinia, die das erste von Turbinen angetriebene Schiff war.

Die beiden Weltkriege haben zu erste ernsthaften Versuchen geführt Geschwindigkeit und Seefähigkeit in Einklang zu bringen. Ein erster Vorläufer ist das Thornycroft Coastal Motorboat (CMB), das im ersten Weltkrieg von der Royal Navy im Küstenvorfeld eingesetzt wurde. Zwischen den Weltkriegen beschränkte sich die Weiterentwicklung wieder nur auf private Initiativen. die Boote der Marinen führten ein Schattendasein hinter den größeren Einheiten und wurden in der Regel aus Jachtentwürfen abgeleitet.

Einen wesentlichen Entwicklungsschub brachte die Prohibition in den USA. Durch die Forderung nach hoher Geschwindigkeit, Tragfähigkeit und geringem "Bruch" an der Ladung, kamen zunehmend seetüchtigere und gleitfähige Boote auf. Hierbei war die Entwicklung immer noch von "Versuch und Irrtum" geprägt, bei der ohne experimentelle Methoden die "gelungenen" Boote weiter entwickelt wurden. Dadurch entwickelten sich allmählig Standardformen. -Zuvor waren es zumeist alles Einzelbauten.

1937 tauchte der erste erfolgreiche Knickspanter beim Gold Cup Rennen in England auf.

Schnellboote im zweiten Weltkrieg

Dies ist nur eine verkürzte und zweckdienliche Darstellung. Ein vollständiger Abriss zu technischen Daten, Einsätzen und Typen findet sich im Artikel Schnellboot.

Das Fehlen geeigneter therotischer Werkzeuge beim Entwurf von Gleitern führte zu einer Entwicklung von stark übermotorisierten Schnellbooten, die von den Marinen des zweiten Weltkrieges für unterschiedliche Aufgaben, vom Versetzen von Mannschaften bis zum Torpedoträger, wärend der Dauer des gesamten Krieges eingesetzt wurden. Zu einem Verteter dieser Entwicklung gehört das deutsche S-Boot mit anfangs 34,9 Metern Länge bei einer Verdrängung von 80 (standard) bis zu 120 Tonnen und einer Geschwindigkeit von über 43 Knoten unter guten Bedingungen. Die Leistung wurde durch 3 aufgeladene 2500 PS leistende 20 Zylinder Dieselmotoren von Daimler Benz erbracht. Das Leistungsgewicht des S-Bootes beträgt rund 94 PS je Tonne Verdrängung. Dagegen beträgt das Leistungsgewicht der britischen MTB nur 75 PS je Tonne und erreichte mit seinen dreimal 1200 PS dagegen noch 39 Knoten bei Verdrängungen um 50 Tonnen. Die britschen und amerikanischen PT boats, galten als sehr seetüchtig. Die Italienischen MAS („Motobarca Armata SVAN“ -Bewaffnetes Motorschiff SVAN, wobei S.V.A.N. eine bedeutende italienische Werft ist) waren dagegen sehr nass. Japanische PT-Boote erreichten dagegen bei einer Verdrängung von 20 Tonnen und 1800 PS 37 Knoten und waren wenig wendig. Diese guten und auch schlechten Eigenschaften waren nach wie vor das Ergebnis von Versuch und Irrtum und Ergebnis der Weiterentwicklung bekannter Bootdesigns.

Entwicklung ab 1945

Mit Ende des Krieges wurde die Entwicklung geigneter Prognoseverfahren für die Leistungsfähigkeit von Gleitrümpfen eine Herausforderung in der Forschung sowohl bei den Westmächten als auch in den Warschauer Pakt Staaten. Systematisch wurden in Modellversuchen die Einflüsse von geeigenten Rumpfparametern bestimmt. Kielfall, Aufkimmung, Trimm, Lage des Längenschwerpunkts und Länge-Breitenverhältnis sind nur einige davon. Diese Forschungen dienten der Entwicklung verbesserter Marineschnellbooten. Die Sportschifffahrt sowie schnelle Polizei- und Behördenboote profitierten von diesen Entwicklungen.

Ein Ergebnis ist dabei, dass sich die im Laufe der Jahrtausende gebildeten Daumenregeln für die Schiffsproportionen der Verdränger (z.B. Länge läuft) überhaupt nicht auf den Gleitrumpf übertragen lassen.

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  Turbinia,1897
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  Britisches MTB-5
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  USS PT-105 bei hoher Geschwindigkeit wärend Übungen an der US Ostküste am 12. Juli 1942.
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  Sam Griffith auf Blue Moppie beim 61 Cowes-Torquay

Theorie

Die folgenden Darstellungen sind teilweise stark vereinfacht und in der Regel an dieser Stelle auch nicht ausführlich hergeleitet. Für ein tieferes Verständnis ist das Auseinandersetzen mit der entspechenden Fachliteratur unbedingt angeraten.

Grob vereinfachte Darstellung des schiffseigenen Primärwellensystems verschiedener Geschwindigkeiten.

Strömung an einer flachen Gleitfläche.

Schematische Darstellung der Gleitfläche eines Gleitrumpfes.

Ein im Wasser schwimmender Körper verdrängt jeweils soviel Wasser wie es seiner Masse entspricht (Archimedisches Prinzip). Hierbei gelten die Gesetze der Hydrostatik. Der Gewichtskraft des Rumpfes wirkt der statische Wasserdruck als Auftriebskraft entgegen.

Bewegt sich ein Körper im Wasser, z.B. ein Boot oder Schiff, treten die Gesetze der Hydrodynamik hinzu. Aufgrund der Schwere und Trägheit des Wassers bildet sich ein stationäres Wellensystem um das Schiff. D.h. Dieses Wellensystem bewegt sich mit dem Schiff mit.

Zur Aufrechterhaltung des Wellensystems wird dem Wasser vom fahrenden Schiff in Form eines Impulses kinetische Energie zugeführt. Dieser Impuls ist gleich dem Wellenwiderstandsanteil des Schiffes.

Die Wellenlänge ist dabei direkt proportional zu der Geschwindigkeit mit der sich das Schiff durchs Wasser bewegt. D.h. mit zumehmender Schiffsgeschwindigkeit wird auch die Wellenlänge des vom Schiffskörpers verursachten Wellensystems immer länger. Unabhängig von Trimm des Schiffes oder Wellenlänge wird hier immer soviel Wasser vom Schiff verdängt, wie es seiner Masse entspricht. Dies nennt man Verdrängerfahrt.

Eine einfache Möglichkeit den Ströungszustand von Verdrängerfahrt und Gleiten auszudrücken besteht in dem Verhältnis von   ${\frac {L}{\lambda }}$.   L ist hierbei die benetzte Länge des Schiffes und λ die Wellenlänge des schiffseigenen Wellensystems. Die Abbildung rechts zeigt, sehr grob vereinfacht, Strömungszustände des Primärwellensystems in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit.

Üblicher ist die dimensionslose Betrachtung mittels der Froudezahl um unabhängig von Längendifferenzen, Schiffsgeschwindigkeiten vergleichen zu können. Geometrisch änliche Körper haben bei gleicher Froudezahl, das gleiche Wellensystem. $Fn={\frac {v}{\sqrt {g*L}}}$

Gleiten

Der hydrodynamische Auftrieb folgt aus der kinetischen Energie, die dem Wasser, durch die Bewegung des Schiffes zugeführt wird.

Weblinks

http://freespace.virgin.net/john.moore11/content/class1/1960%27s.htm