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Die unsichtbare Kraft.

Theoretische Grundlagen des Segeltrimms
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Die aerodynamischen Vorgänge in der Öffnung zwischen Vor- und Großsegel sind der Schlüssel zum Verständnis des Segeltrimms. Vor allem die neueren, aus der Flug- technik stammenden Erkenntnisse sind besonders interessant und für Segler geradezu spannend. Wer sie kennt, wird die Segelmaschine seines Bootes besser beherrschen.

Segler nennen allgemein die Öffnung zwischen Vor- und Großsegel "Düse", weil angeblich in der trichterförmigen Verengung die anströmende Luft beschleunigt wird. Sie tritt demnach mit höherer Geschwindigkeit auf das Großsegel und bewirkt eine Zunahme des Vortriebs. Dies ist zwar einleuchtend aber falsch.
In Wirklichkeit wird die Luftmasse in der Verengung nicht, wie in einer wirklichen Düse, zusammengepresst und dadurch beschleunigt, sondern gebremst und teilweise sogar gestaut: Die geringen Geschwindigkeiten segelnder Boote reichen zum Komprimieren der Luft nämlich bei weitem nicht aus. Und wäre der Spalt zwischen Groß- und Vorsegel wirklich eine Düse, würde man kaum am Wind segeln können. Die Gründe hierfür lassen sich auch ohne Mathematik und aerodynamische Vorkenntnisse leicht erklären: Da also die trichterförmige Verengung zwischen Groß und Vorsegel einen Teil der anströmenden Luft nicht durchlässt, muss diese Luftmasse ausweichen und das Hindernis irgendwie umgehen. Aber wohin?
Die einzige Möglichkeit ist der Weg nach vorn - und zwar über die Leeseite des Vorsegels: Dort herrscht ein wesentlich geringerer Druck, als auf der Luvseite beider Segel. Weil aber Luft, genauso wie Wasser, nicht bergauf fließen kann, ist sie gezwungen, talwärts zu strömen, zum Tief der Leeseite, in die sie regelrecht gesaugt wird.
Zu dem Druckunterschieden zwischen der Luv- und Leeseite eines Segels kommt es durch die unterschiedlich hohen Geschwindigkeiten der umströmenden Luft. Werden Luftmassen über einer Fläche beschleunigt, entsteht in diesem Bereich Unterdruck, beim Abbremsen der Strömung dagegen Überdruck, so hat es bereits Bernoulli im 18, Jahrhundert herausgefunden.
Beschleunigt wird die Luftmasse immer dann, wenn das Profil des Segels zur allgemeinen Strömungsrichtung angestellt ist. Dann haben die der Krümmung folgenden Luftteilchen der Leeseite einen längeren Weg. als die Lufteilchen der Luvseite zurückzulegen. Sie müssen sich "beeilen", um mit der über Luvseite fließenden Luft rechtzeitig am Achterliek anzukommen. Sonst würde dort ein "Loch" entstehen, das es in der Physik nicht geben kann. Der so erzeugte Unterdrück wird durch die zusätzliche, aus dem "Hoch" des Spaltes beider Segel mit großer Geschwindigkeit angesaugten Luft wesentlich erhöht, da sie einen noch längeren Weg um das Profil zum Achterliek zurücklegen muss. Warum folgt eigentlich die Luftmasse der Krümmung des Profils und fließt nicht einfach gradlinig weiter?

Der Grund ist ein weiteres Phänomen: das Vermögen von Fluiden wie Luft oder Wasser an umströmten Flächen zu haften und das Bestreben der Moleküle gleichzeitig aneinander festzuhalten. Diese als Zähigkeit oder Adhäsion bezeichnete Eigenschaft ist bei den meisten Flüssigkeiten sehr unterschiedlich. Sie ist das Mass der Leichtflüssigkeit eines Mediums. Sirup beispielsweise hat eine sehr hohe Zähigkeit, während das Fluidum Luft - physikalisch gesehen ist es "trockenes Wasser" -, extrem leichtflüssig ist.

Zurück zum Segel: Während der Anströmung bildet die Luft eine sehr dünne, nur Bruchteile eines Millimeters dünne Haftschicht, die das Profil wie eine Haut umgibt und die Strömungsgeschwindigkeit Null hat. Sie ist mit weiteren Luftschichten überlagert, die nach außen hin mit zunehmender Geschwindigkeit strömen, bis sie wieder so schnell wie die Außenströmung sind.
Diese flächennahe, durch die Zähigkeit beeinflusste Strömung bestimmter Dicke bezeichnet man als Reibungs- oder Grenzschicht. Sie bewirkt, dass auch nicht profilierte Flächen, wie beispielsweise eine in den Wind gehaltene Platte, Auftrieb bekommt, wenn sie mit einem bestimmten Winkel zur Strömung angestellt wird. Genauso lässt sich die Tatsache erklären, warum man mit einem gleichmäßig profilierten, drehbar gelagerten Mast Vortrieb erzeugen kann. Durch den Anstellwinkel wird für die Luftströmung die Leeseite verlängert: Sie muss schneller strömen. Es entsteht Unterdruck und damit Vortrieb.

Aber nicht nur der längere Weg, den die aus dem Spalt um das Vorsegel herum gelenkte Luft gegenüber der Luvströmung zurücklegen. muss, verursacht Beschleunigung: Sie entsteht auch dann, wenn die Luft um stark gekrümmte Flächen, wie beispielsweise ein tiefes Profil im vorderen Bereich des Vorsegels oder einem stumpfen Anstellwinkel, gelenkt wird, (Das gleiche, als "Eckeneffekt" bezeichnete Phänomen, lässt sich auch an Kaps beobachten. Die anströmende Luft wird hier stark beschleunigt und kann in Verbindung mit der Landnähe gefährlichen Seegang hervorrufen).
Der durch Beschleunigung erzeugte Unterdruck bewirkt eine senkrecht zu den Strömungslinien nach außen gerichtete Kraft, die hauptsächlich für den Vortrieb der Segelmaschine sorgt. Je nach Windgeschwindigkeit macht die Luft das Umströmen gekrümmter Flächen aber nur bis zu einem gewissen Grad mit: Ist ihre Geschwindigkeit zu, wird die Luftmasse aus der Kurve getragen. Sie reißt ab, verwirbelt, und das Segel produziert fast nur noch Krängung. Das Gleiche passiert, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zu niedrig ist: Der Luftstrom hat nicht genügend Energie, um die starke Kurve zu "schaffen".
Die Ursache für dieses Verhalten hangt hauptsächlich mit dem Anstieg des Druckes auf den letzten Zweidritteln der Profillange zusammen. Wie schon erklärt, erreicht die Luftströmung ihre höchste Geschwindigkeit über der größten Profiltiefe und bewirkt dort ein Feld mit niedrigstem Druck. Grafisch dargestellt drängen sich hier die Stromlinien am engsten zusammen. Anschließend weiten sie sich, bis sie hinter dem Hindernis Segel im gleichen Abstand verlaufen wie vor ihm und damit wieder die gleiche Geschwindigkeit haben.

Bei einem hohen Anstellwinkel - er wird zwischen Profilsehne und Strömungsrichtung gemessen - wenn die Luft mit besonders hoher Geschwindigkeit um die Anschnittkante des Profils gezwungen wird und in diesem Bereich der Druckabfall entsprechend stark ist, kann der anschließende Druckanstieg zu krass sein. Die Energie der Strömung reicht dann nicht mehr aus. um ihn zu überwinden. Die Grenzschicht verdickt sich plötzlich stark und hat nicht mehr genügend "Kraft", sich zu halten. Sie löst ab und treibt als Wirbelschleppe seitlich davon, wobei der Vortrieb nahezu vollkommen zusammenbricht.

Diese Vorgänge lassen sieh mit Hilfe einer einfachen Darstellung (nach Prantl) besonders gut veranschaulichen: Man stelle sich Kugeln vor, die einem Abhang hinunterlaufen, dessen Steilheit die Höhe des Druckabfalls im ersten Drittel des Profils darstellen soll. Die Talsohle symbolisiert dann die grösste Profiltiefe, also den niedrigsten Druck. Die Kugeln können aber nur dann den folgenden Hang (ca. die letzten Zweidrittel des Profils) überwinden, wenn sie über genügend hohe Energie (Windgeschwindigkeit) verfugen und er nicht zu steil ist, also im richtigen Verhältnis ansteigt (Druckanstieg). Sonst rollen die Kugeln wieder zurück. (Die Strömung löst sich ab.)
Auf die Praxis übertragen heißt das: Der Anstellwinkel des Segels muss so groß sein, dass die Umströmung eine größtmögliche Geschwindigkeit erreicht, ohne sich auf ihrem Weg zum Achterliek abzulösen. Druckabfall und Druckanstieg müssen also genau im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Mit dem Trimmen der Segel versucht man nicht nur den Anstellwinkel dem augenblicklichen Kurs und der herrschenden Windgeschwindigkeit anzupassen. Auch die Form des Profils muss möglichst strömungsgünstig eingestellt werden.
In schwacher Brise ist beispielsweise eine stark gerundete Anschnittkante nachteilig, da die Luftströmung zu schwach ist, um die starke Kurve nehmen zu können. (Die Kugeln haben zu wenig Schwung.) Erfahrene Segler trimmen deshalb den vorderen Bereich flacher oder fallen etwas ab, um den Anstellwinkel zu vergrößern. Bei Starkwind muss das Profil insgesamt flacher getrimmt werden, damit die energiereiche, sehr schnell strömende Luft nicht durch den plötzlich steilen Druckanstieg zum Ablösen gezwungen wird. Die schnell rollenden Kugeln werden durch den zu steil ansteigenden Hang gebremst und rollen schließlich zurück.
Ist also die Öffnung oder der Spalt zwischen Groß- und Vorsegel richtig eingestellt, erreicht die Luft um den vorderen Bereich des Vorsegels ihre höchste Strömungsgeschwindigkeit und bringt damit den grössten Vortrieb. Die Leeströmung wird dann auf ihrem Weg über die große Fläche des Großsegels durch Reibung und den damit verbundenen sanften Druckanstieg so abgebremst, dass sie sich am Achterliek gleichzeitig mit der Luvströmung wieder vereinigen kann. Das Großsegel sorgt also für die notwendige Profilverlängerung, die einen sanften Druckanstieg gewährleistet.

Noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil hat die langsamer strömende, durch den Spalt gedrosselte Luft: Sie umströmt mit erheblich weniger Energie das Hindernis Mast, als sie dies ohne Vorsegel tun würde. Dadurch wirken sich die an seiner Achterkante entstandenen Ablösungen und Verwirbelungen weniger schädlich auf den Vortrieb aus. Wäre der Spalt tatsächlich eine "Düse", würde ein Boot schon auf Grund der stark bremsenden Wirbel im Mastbereich spätestens bei 60 Grad am Wind auf der Stelle dümpeln. Ganz davon abgesehen, dass das Vorsegel kaum Vortrieb liefern könnte.
Genau dies geschieht, wenn man den Spalt zu weit öffnet. Dann wird zu viel Luft durchgelassen und die Leistung des Vorsegels entsprechend herabgesetzt. Umgekehrt, mit zu enger Öffnung, bewirkt man einen zu geringen Durchlass: Nahezu die gesamte Luftmasse aus dem zu engen Trichter muss nun über die Leeseite der Genua ausweichen. Dadurch wird die Luft so stark beschleunigt, dass sie sich bereits an der gekrümmten Anschnittkante des Vorsegels ablöst. Das Tuch des Großsegels dagegen fällt ein und zeigt den sogenannten "Gegenbauch". Er entsteht also nicht durch einen starken Luftstrom aus der engen "Düse", die angeblich das Tuch "anbläst", sondern weil hier nahezu Windstille herrscht. Die Luft auf der Druckseite des Großsegels strömt nun schneller als die auf der Leeseite: Das Tuch wird nach Luv "gesaugt".
Beide Segel bilden also eine untrennbare Einheit, deren wirkungsvolles Zusammenspiel sich entscheidend auf den Vortrieb auswirkt. Praktisch heißt das: Wird die Profiltiefe und die Stellung eines Segels verändert, muss auch das andere neu getrimmt werden, damit die Öffnung ihre Strömungsgünstige Form behält. Sind jedoch Genua und Groß richtig eingestellt, erreicht der Windmotor seine maximale Leistung - mit Arbeitsteilung: Das Vorsegel bringt hauptsächlich den Vortrieb und mit dem Trimm des Großsegels stellt man den optimalen Ruderdruck und die Krängung ein.

Nachdem wir nun die "Düsentheorie" über Bord geworfen haben, müssen wir uns noch von einer weiteren Behauptung trennen, die da lautet: Ein Segel funktioniert wie die Tragfläche eines Flugzeuges, weil durch das unterschiedlich stark gekrümmte Profil die oberhalb der Tragfläche fließende Luft einen längeren Weg, als die an der unteren, flacheren Seite zurücklegen muss. Sie ist deshalb gezwungen, schneller zu fließen, damit sie gleichzeitig mit der unteren Strömung an der Hinterkante der Fläche ankommt. Beschleunigung heißt Unterdruck, die Tragfläche erhält Auftrieb.
Das ist so einleuchtend wie falsch. Oder genauer gesagt, nur die halbe Wahrheit: Denn wie ist es dann möglich, dass ein Flugzeug auf dem Rücken fliegen kann? Außerdem hinkt der Vergleich mit der Tragfläche, da ein Segel so dünn wie sein Tuch ist, die Luftteilchen in Luv und Lee also den gleich langen Weg zurückzulegen haben. Wie wir aber bereits wissen, wird die Beschleunigung der Strömung in Lee durch die Anstellung des Profils zur Strömungsrichtung und vor allem durch den Stau in der Öffnung bewirkt. Die auf diese Weise erzeugten Kräfte reichen aber bei weitem nicht aus. Denn sonst würde ein Boot, das nur mit dem Groß oder nur mit einer Genua (also ohne Spalt) am Wind segelt, kaum nennenswert Fahrt am Wind machen können.
Die Erklärung hierfür ist die sogenannte "Zirkulation", eine außerhalb der flächennahen Grenzschicht um die Segel kreisende Strömung. Sie entsteht auf folgende Weise: Durch die Anstellung des Segels zur Windströmung erreichen die Luftteilchen in Luv für einen kurzen Moment eher das Achterliek. Sie werden um die scharfe Kurve gezwungen und prallen eine Winzigkeit später auf die Gegenströmung. Es entsteht ein Wirbel, der sich von der Achterkante ablöst und mit der Strömung fortgetragen wird. Dieser sogenannte "Anfahrwirbel" bewirkt nicht nur die Vereinigung beider Strömungen, er setzt auch die Rotation der Zirkulation in Gang.
"Man kann den Anfahrwirbel mit einem kleinen Zahnrad vergleichen, das ein größeres antreibt. Die Zähigkeit der Flüssigkeit (Luft) und die von ihr hervorgerufene Reibung übernimmt die Funktion der Zähne der Zahnräder. Die induzierte Drehbewegung der Flüssigkeilsteilchen um den Flügel ist die Zirkulation", so schreibt C.A.Marchaj in seinem Buch "Aerodynamik und Hydrodynamik des Segels" (Delius Klasing Verlag).

Dieser Vorgang lässt sich mit dem dritten Grundgesetz der Mechanik von Isaac Newton (1642-1727) nachweisen. Es besagt, dass jede Aktion immer eine gleich große Reaktion auslost, aber in entgegengesetzter Richtung. Die Energie des links drehenden Anfahrwirbels (Aktion) setzt die Luftmasse der Zirkulation (Reaktion) rechts herum in Schwung.
Auf diese Weise verstärkt die Zirkulation in entscheidendem Maße die flächennahe Strömung: In Lee ist sie gleichgerichtet, sorgt also für weitere Beschleunigung und Zunahme des Unterdruckes. In Luv ist sie entgegengerichtet, die Strömung wird verlangsamt und der Überdruck erhöht.
Beide Kräfte addieren sich und bewirken eine starke Zunahme der Vortriebsleistung. Vor allem aber wird der Stau im Spalt der Segel erhöht: Die Zirkulation des Großsegels "schaufelt" zusätzlich Luft von außen in die trichterförmige Verengung. Durch die Zirkulation der Genua bekommt diese Luftmasse aber die notwendige Strömungsenergie, um die Kurve über die Leeseite zu schaffen. Erst durch diese, die Kräfte addierende Wirkung der Zirkulation, ist es möglich, dass ein Katboot am Wind segelt und ein Flugzeug auf dem Rücken fliegen kann. Jede Kursänderung und jeder neue Trimm der Segel lasst die Zirkulation zusammenbrechen. Je geringer die Windstärke oder die Energie der Strömung, desto schneller geschieht dies. Für breite Segel mit geringer Streckung (geringes Langen/Breitenverhältnis) braucht der Anfahrwirbel länger, um die Zirkulation wieder in Schwung zu bringen als für schmale, weil die Schwungmasse des "Rades" größer ist. Deshalb sollte bei Flaute jede unnötige Bewegung an Deck vermieden werden, damit sich das Boot so ruhig wie möglich durch das Wasser bewegt und die Zirkulation erhalten bleibt.
Da sich Wasser vom Fluidum Luft nur durch seine Dichte unterscheidet, spielt sich am Unterwasserschiff Ähnliches ab: Richtig getrimmt, segelt das Boot leicht luvgierig, also mit etwas zur Strömung angestelltem Ruderblatt und Kiel. Beide wirken nun wie ein Profilmast ohne Segel: Sie erzeugen Auftrieb und verringern gleichzeitig die Krängung. Je größer die Streckung von Ruderblatt und Kiel, desto schneller baut sich die Zirkulation wieder auf.

Nachdem bisher nur die Rede vom Antrieb der Segelmaschine war und erläutert wurde, warum das Zusammenspiel zwischen Vor- und Großsegel eine so entscheidende Rolle für die Vortriebsleistung spielt, fehlt noch die Beantwortung dieser Frage: Warum kann ein katgetakeltes Boot keine befriedigende Höhe laufen - selbst wenn es mit einem Tragflächenrigg aus freistehendem, drehbarem Profilmast und optimal geschnittenem Lattengroß gesegelt wird? Auch diese Frage lässt sich leicht beantworten, wenn wir die Vorgänge um das Segel ein wenig näher betrachten: Trifft die Luftströmung auf das Vorliek, strömt ein Teil ihrer Masse um die Luv- und der andere über die Leeseite des Segels, und wie wir nun wissen; je nach Anstellwinkel unterschiedlich viel.
Bei einem nicht zur Strömung angestellten Profilmast wird die Luft in genau zwei gleich große Massen geteilt. Es gibt dann weder eine Luv- noch eine Leeseite. Die Strömung ist auf beiden Seiten des Profils gleich schnell. Die Grenze, an der sich die Luftmasse teilt, wird Staulinie genannt und die Stelle, an der sie auf das Profil trifft: Staupunkt.
Wird nun das Profil zur Strömung angestellt, wandert - je nach Größe des Winkels - der Staupunkt mehr oder weniger weit auf die Luv- oder Druckseite des Profils. Es entsteht eine Druck- und eine Saugseite, wobei die Grenze der Luftmassen, die Staulinie, entsprechend der Richtungsänderung der Anströmung zur Druckseite "verbogen" wird.
Segelt man jedoch mit Fock und Großsegel, bewirkt die zusätzliche, aus dem Spalt auf die Leeseite des Segels gesaugte Luft eine wesentlich weitere Verschiebung von Staupunkt und Staulinie auf die Druckseite des Vorsegels, als dies bei einem Segel ohne Spalt möglich wäre. Praktisch bedeutet das: Man kann soweit anluven, bis der Staupunkt die Stelle erreicht hat, die er ohne Beeinflussung des Spaltes haben würde - oder um das Maß in Graden des durch den "Spalteffekt" weiter nach Luv verschobenen Staupunktes, ohne dass das Segel zu killen beginnt. Das Verschieben der Staulinie des Vorsegels auf die Druckseite bewirkt, dass gleichzeitig die des Großsegels angehoben wird. Auch dies bringt Vorteile: Der Anstellwinkel wird spitzer und die Strömungsgeschwindigkeit dadurch vermindert. Das gleiche passiert durch die gegenläufige Zirkulation beider Segel im Spalt. Dadurch haben die durch den Mast verursachten Verwirbelungen weniger Energie, wirken weniger bremsend, und die Strömung legt sich schneller wieder am Profil des Großsegels an.

Bisher war nur vom Druckwiderstand (Kugelmodell) und der Reibung, und zwar im Zusammenhang mit dem Anstellwinkel eines Profils die Rede, Den größten negativen Einfluss auf den Vortrieb eines Segels hat jedoch der sogenannte "induzierte" Widerstand, dessen Größe sich hauptsächlich durch die Form und den Schnitt der Segel beeinflussen lasst. Verursacht wird er durch die von der Luv- auf die Leeseite des Segels fließenden Luftströmungen, die für Druckausgleich sorgen. Auf diese Weise geht dem Vortrieb Energie verloren, die sich in Form einer nachgeschleppten Kette aus Wirbeln bemerkbar macht. Als "Abwind" können sich diese Turbulenzen noch über mehrere hundert Meter bemerkbar machen und nachfolgende Yachten behindern.
Naturgemäß hat der "induzierte Widerstand" hauptsächlich im schmalen Toppbereich und am Unterliek starke Auswirkungen auf den Vortrieb. Deshalb sind konventionell geschnittene Segel mit langem Unterliek und spitz zulaufendem, wenig profiliertem Toppbereich am ungünstigsten. Ein solches Segel zieht eigentlich nur in der Mitte: Oben kann durch den geringen Abstand von Vor- und Achterliek kein Unterdrück aufgebaut werden und unten wird das breite Profil durch den Druckausgleich um den langen Baum wirkungslos gemacht.

Durch die Entwicklung extrem dehnungsarmes Tuch ist es heute jedoch möglich. Segel zu fertigen, die den "induzierten Widerstand" stark vermindern. Das sind Segel mit großer Streckung, also kurzem Unterliek und langem Vorliek. Sie haben im Toppbereich ein weit ausgestelltes Achterliek und sind dort bereits stark profiliert. Unterstützt wird das Profil durch leichte, durchgehende Segellatten, deren Biegeverhalten der jeweiligen Profiltiefe angepasst ist. Solche, bis an die Grenzen optimierten Segel, werden heute auf allen Cuppern und Rennyachten gefahren. Für Fahrtensegler kommen sie schon wegen ihrer kurzen Lebensdauer und den enorm hohen Kosten nicht in Frage, zumal das weit ausgestellte Achterliek im Topp losnehmbare Achterstage erfordert. Lattensegel für Fahrtenyachten können durch die Begrenzung des Achterstags jedoch nur sehr wenig Rundung im Achterliek haben. Das oft gehörte Argument, sie seien durch den Gewinn an Fläche schneller und würden den "induzierten Widerstand" herabsetzen, ist also nicht richtig.

Da sich der Druckaustausch um den Großbaum herum nicht vermeiden lässt, ist es besser, das Profil im Bereich des Unterlieks flach zu schneiden. Dadurch vermindert man den Druckunterschied zwischen Luv- und Leeseite. Der Druckausgleich findet weniger energiereich statt, und die Wirbel des "induzierten Widerstandes" haben geringere Bremswirkung, Für Fahrtensegler sind deshalb Segel mit Shelf (einer dünnen Tuchbahn am Unterliek) wenig zu empfehlen: Denn der Fahrtgewinn durch die Vergrößerung der Profiltiefe in schwachen Winden ist auf einer "normalen" Fahrtenyacht kaum messbar.
Strömungstechnisch ideal wäre es natürlich, wenn der Großbaum über Deck rutschen wurde. Es wirkt dann wie ein unüberwindbarer Zaun (oder als Endplatte) und verhindert weitgehend den Druckausgleich. Aus naheliegenden Gründen ist ein solches Großsegel kaum praktikabel. Aber als "Decksfeger" geschnittene Genuas sind auf Rennyachten aus den genannten Gründen allgemein üblich. Fahrtensegler sollten dagegen Kompromisse machen. Denn hier geht Sicherheit und leichte Handhabung vor Segelleistung, Vor allem dann, wenn man mit kleiner Crew segelt.

Dieser Beitrag wurde uns freundlicherweise von der Firma Diekow-Segel GmbH, Norderstedt,
aus ihrer umfangreichen Broschüre "Beratung & Herstellung" freigegeben.
Wir danken der Geschäftsleitung für ihre Zustimmung.