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Starres Segel Schon mehrfach wurde der Versuch gemacht, die aus dem
Flugzeugbau bekannten Profile, vor allem für Wasserfahrzeuge als hochwertige Segel
zu verwenden.
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Dabei wurden viele Lösungen für die Bergung des Segels angegeben,
wenige jedoch für die Anstellwinkelsteuerung des Segels. Sie wurde konventionellerweise
durch Schotten oder durch landräder über Getriebe, bewerkstelligt. Wurde an eine
selbst ständige Einstellung des Anstellwinkels des Segels, abhängiy vom scheinbaren
Wind gedacht, so wurden dazu Windfahnen vorgeschlayen, deren Wirkung im Hinblick
auf eine optimale Einstellung des Segels jedoch mangelhaft ist. Ihre Verstellung
ist wnständlich und nicht schnell genug.
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Da die Stellung der Windfahne zum Segel praktisch bei jeder Änderung
des Windeinfallwinkels kdrrigiert werden müßte, bei schnellen Manövern daher das
Segel nicht richtig führt, entstehen bei guten Starrsegeln schon bei geringen Winkelabweichungen
zu große Störkräfte, die zum Kentern führen können.
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Im Gegensatz zum konventionellen Segel, bei dem eine falsche Einstellung
durch Formänderungen am Segel, z.B. Flattern oder Beulen, erkennbar ist und die
Einstellung nach der Anzeige der Richtung des scheinbaren Winds durch den Stander
möglich ist, ist beim Starrsegel eine Einstellung nach äußeren Merkmalen nicht möglich.
Ein Segeln nach Stander ist kaum möglich, da der ausgeprägte Randwirbel eines Starrsegels
die Anzeige des Standers fälscht.
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Das Starrsegel unit aerodynamisch günstigem Profil hat ein gegenüber
dem konventionellen Segel bedeutend größeres Verhältnis der Schubkraftbei-W.ertaenderung
je Anstellwinkeländerung ( dC5 /ddt.
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Durch diese Eigenschaft reagiert ein Starrsegel wesentlich stärker
auf Änderungen der Richtung des scheinbaren Windes mit Änderung von Größe und Richtung
der Kraft als dies bei einem konventionellen Segel der Fall ist.
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Bei schraltndem Wind mit großen Windstärkeänderungen ändert sich daher
die Kraft am Segel sehr stark, wenn dessen Anstellwinkel der Änder'ung des scheinbaren
Winds nicht ständig angepaßt wird.
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Von Hand ist die Nachstellung schwierig; wegen des Fehlens einer
deutlich sichtbaren Anzeige am Segel selbst müßte diese über eine Anstellwinkelmessung
und deren Anzeige erfolgen. Denkbar wäre natürlich eine entsprechende Automatik,
die'die Segelstellung selbständig steuert. Sie kompliziert jedoch das an sich einfache
Segel und benötigt eine Energiequelle, die auf dem Segelboot normalerweise nicht
zur Verfügung steht.
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Die selbsttätige Anpassung des Anstellwinkels des Segels kann.jedoch
ein Hilfsflügel übernehmen, der wie ein Höhenleitwerk eines Flugzeugs wirkt.
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Bild 1 Dieser als Leitwerk wirkende Hilfsflügel 2 wird in der Ebene
des Starrsegels 1 hinter diesen an einem Tragarm 3 als Leitwerksträger drehbar so
angebracht, daß die Drehachse 4 des Leitwerks 1 etwa parallel zur Segelhauptachse
5 ist.
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Das Leitwerk 2 kann einteilig ausgeführt sein als sogenanntes Pendelruder
oder zweiteilig bestehend aus feststehender Flosse 6 und beweglichem Ruder 7.
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Bei entsprechender Auslegung des Segels und des Leitwerks-Flächenverhaltni.s,
Lage der Segeldreh-' achse, Hebelarm des Leitwerks - hält das Leitwerk den Anstellwinkel
des Segels unabhängig von schein
barer Windrichtung und -stärke
in einem engen Bereich konstant, unabhängig von den Fahrtrichtungsänderungen des
Fahrzeugs. Die Größe und Richtung des Anstellwinkels des Segels 1 wird durch den
Winkel zwischen Segel und Leitwerk 2 bestimmt.
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Die Einstellung des Segels 1 wird also indirekt durch die Verstellung
des Leitwerks 2 gegen das Segel 1 vorgenommen, womit der Vorteil verbunden ist,
daß wegen der kleineren Leìtwerksfläche auch kleinere Kräfte aufzubringen sind,
als bei direkter Steuerung des Segels.
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Durch Begrenzung des Größtausschlagwinkels des Leitwerks läßt sich
vermeiden, daß das Segel 1 selbst mit einem zu großen Anstellwinkel mit abgerissener
Strömung gefahren wird.
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Abb. 2 Der günstigste Anstellwinkelpt des Segels i ändert sich mit
dem Winkels des scheinbaren Windes Ws zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs, da der'Winkel
g zwischen Luftkraftresultierender R und Fahrzeug längsachse L nach Abb. 2 bei kleinen
Windeinfallwinkeln ß und großen Anstellwinkeln d gegen 900 geht.
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Eine Verkleinerung des Anstellwinkels O ist daher zweckmäßig.
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Bei raumem Wind soll dagegen der Anstellwinkel möglichst grob sein.
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Beim Wenden, also beim Durchgang durch den Windeinfallwinkel oO soll
auch der Anstellwinkel 0° werden, um krängende Kräfte am Segel zu vermeiden.
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Nach dem Wenden muß der Schränkungswinkel # des Leitwerks sein Vorzeichen
ändern, um den Windeinfall von der anderen Seite des Segels zu berücksichtigen.
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Es ist daher von Vorteil, daß die vorgeschlagene Anordnung gestattet,
den optimalen Verlauf des Anstellwinkels a des Segels 1 abhängig von seiner Winkelstellung
zur Fahrzeugachse durch automatische Zuordnung des Anstellwinkels (> des Segels
zur Anblasrichtung P in Abhängigkeit seiner Winkelstellung g zum Fahrzeug durch
eine Steuerung automatisch herzustellen.
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Prinzipiell funktioniert eine solche Steuerung folgendermaßen: Abb.
3 Der Führer des Fahrzeugs hat außer dem Ruder zur Steuerung des Fahrwegs, das konventionell'ausgeführt
sein kann, zur Steuerung des Segels einen Hebel 11, dessen Drehachse 12 zweckmäßig
senkrecht zur Längsachse des Fahrzeugs steht. Er betätigt das Leitwerk 2 über eine
Steuerung 20 so, daß bei Bewegung des Hebels 11 in Fahrtrichtung
vorwärts
der Anstellwinkel des Segels so verstellt wird, daß die Luftkraft des Segels eine
Komponente in Fahrtrichtung voraus hat.
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In Mittelstellung hat das Segel in jeder Stellung zur Fahrzeuglängsachse
den Anstellwinkel 0, also auch keine quer zum Segel wirkende Luftkraft.
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Bei Bewegung des Hebels 11 gegen die Fahrtrichtung wird der Anstellwinkel
in negativer Richtung gesteuert, das Segel wirkt nach hinten, d.h. es bremst die
Fahrt oder äßt das Fahrzeug rückwärts fahren.
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Mit dem Ausschlag des Hebels 11 kann die Kraft am Segel zwischen Null
und der aus der Windgeschwindigkeit gegebenen fIöchstkraft, evtl. noch beeinflußt
von der Segelstellung, in Richtung voraus und rückwärts gesteuert werden. Die Umkehrung
des Ausschlagwinkels des Leitwerks wird im Gestänge zwischen Hebel 11 und dem Leitwerk
vorgenommen.
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Der Leitwerkswinkel und damit der Anstellwinkel des Segels werden
durch den Kurvenring 21 bestimmt, der um den Holmstummel 12 angeordnet und mit dem
Fahrzeug verbunden ist. Der Umfang 22 des Kurvenrings ist so geformt, daß das Gestänge
23 durch die den Kurvenring abtastenden Rollen 24 so bewegt wird, daß über die Ku,rbelschleif
27 das Leitwerk 2 in Mittelstellung des Segels nach v"-n und hinten ohne Ausschlag
ist und die Ausschläge
des Leitwerks beim Wechsel des Segels von
einer Seite zur anderen ihre Richtung umkehren.
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Der Hebel 11 wirkt auf die Schwinge 25, die die zum Leitwerk führende
Stoßstange 26 in der Kurbelschleife 27 so führt, daß der Hub der Stoßstange von
voll + über 0 nach voll verstellt werden kann.
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Durch die Kurbelschleife 27 wird ereicht, daß in jeder Stellung des
Segels ein am Hebel kl ein stellbarer Teilbetrag des Optimalanstellwinkels entsprechend
der Festlegung im Kurvenring eingehalten wird.
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Das beschriebene Starrsegel.kann, abgesehen von einer genauen Einstellung
des günstigsten Anstellwinkels, dadurch wesentlich verbessert werden, daß es ohne
Spalt auf dem Fahrzeug aufsitzt. Dadurch wird bei Wasserfahrzeug eine Randumströmung
des unteren Segelrandes ganz verhindert, bei anderen Fahrzeugen bildet dieses eine
Endscheibe, die die Umströmuny wenigstens behindert.
Durch diese Bauweise, die nach Abb. 4 ausgeführt sein kann, wird der induzierte
hiderstand, je nach Vollständigkeit des Abschlusses, bis auf die iiälfte reduziert.
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Da das Segel voll umläuft, ist die Anschlußfläche zweckmäßig eine
Kreisfläche, die z.B.
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durch das'Kajtendeck gebildet werden kann.
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Bei den bisherigen Starrsegelvorschlägen wurde, beeinflußt von den
ko-nventionellen Segeln, eine Menge Vorschläge zur Rettung und Bergung gemacht,
Damit wird aus dem Starrsegel eigentlich ein stark.
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verripptes -Normälsegel mit eventuell 2 Oberflächen, also räumlicher
Ausbildung.
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Alle bisher vorgeschlagenen Starrsegel haben daher die Eigenschaft/
daß sie eine relativ schlechte und rauhe Oberfläche des Segels ergeben und damit
den Hauptvorteil des Starrsegelst die aerodynamische Güter in Frage stellen. Bei
fast allen Fahrzeugen ist eine Bergung eines einwandfrei anstellwinkelfrei umlaufendes
Segel nicht nötigt da selbst bei extrem hohen Windstärken der Widerstand des Segels
kaum größer ist als der des konventionellen Mastes mit stehendem und laufendem Gut,
z.B. bei 40 m/sec Wind ca. 1 kp/m2, Da das Segel 3600 umläuft, kann das Fahrzeug
auch festlegen, es braucht' allerdings den Platz zum Umlaufen des Leitwerks.
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Bei längerem Nichtgebrauch wird das Segel al.s Ganzes geborgen, durch
Kippen um den Hauptbeschlag 8 9 oder um eine besondere Kippachsevnach Bild 5.
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Bei Fahrzeugen, die stark übertakelt werden sollen, ist eine Verkleinerung
der Segelfla'che bei starkem Wind erwünscht, da durch sie die Leistung des Segels
bei starkem Wind verbessert wird. Dies kann bei der Profilvariante nach Bild 5 geschehen,
bei.
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der das Profil stark eingezogen ist-und nur aus einer Fläche besteht.
Diese dünne Segelfläche 30 läßt sich relativ einfach einziehen.
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Bild 6 Hierzu wird die Vorderkante 31 dieser Segeifläche 30 auf Doppellenkern
32 gelagert, die z.B. über eine Spinde' 33 betätigt werden können.
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Ein Starrsegel mit symmetrischem Profil erreicht nicht die Schubkraftbeiwerte,
die ein gewölbtes Profil erreichen kann.
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Für die Wölbung lassen sich 2 Maßnahmen anwenden: 1. Wölbung des
Profilendes, 2. Krümmung der Profilnase.
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Maßnahme 1 ist einfacher zu erreichen als Maßnahine 2, die für saubere
Ausführung einigen Aufwand erfordert, ohne saubere Ausfahrung aber wenig nützt.
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Bild 7 Für Maßnahme 1 sind die aus dem Flugzeugbau be-35' kannten
Flügelendklappenygeeignet; bekannt sind
auch Maßnahmen zur kontinuierlichen
Krümmung des Profils b6.
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Maßnahme 2 verlangt mehr Aufwand, hat jedouch ne günstigere Wirkung
hinsichtlich des erreicabaren .Schubkrafteeiwertes bei günstigem Widerstandsbeiwert.
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Die Nase 40 des Segels 1, in Abb. 8 im Schnitt dargestellt, besteht
aus einem beweglichen Kern 41, der um eine am Holm 13 des Segels feste Drehachse
42 nach beiden Seiten des Profils schwenkbar ist. Der vordere Umfang 43 dieser Nase
40 formt den vordersten Teil des Segelprofils is nahe-der Dreh- , -achse. An dieser
Stelle 44 liegt eine elastische Zunge 45 desfesten Teil des Flügelprofils auf.wnd
formt in allen Stellungen des beweglichen Teils 40 den Übergang zum festen Teil.
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Zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit wird über die ganze Profilnase
ein elastischer überzug 46 gelegt, der vor allem die Spalte 47 an den Zungen 45
-abdeckt, die der kritischste Teil dieser Anordnung ist.
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Die optimale Wölbung der Profils ist über den Winkelbereich des Segels
nicht -gleich. In den beiden
Mittelstellungen muß die Wölbung durch
Null in entgegengesetzte wichtung lau'£en. Bei hohen Windgeschwindigkeiten kann
sie kleiner sein als bei niedrigen, da die hohe Luftgeschwindigkeit auch bei niedrigem
Schubk'raftbeiwert große Kräfte am Begel erzeugt.
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nei.inigsn Koromissen kann daher die Flügelnase 40 von der gleichen
Steuerung 20 und die Stoßstange 26 betätigt werden wie das Leitwerk 2. Für besonders
hohe Ansprüche läßt sich die Plügelnase jedoch durch eine zweite Steuerung betätigen,
die mit einem Hebel ähnlich dem Hebel 11 beeinflußt wird.
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Grundsätzlich gibt es für das vorbeschriebene Starrsegel keine Größenbegrenzung.
Wegen der gröBeren Leitwerkskräfte ist es jedoch zweckmäßig das Leitgroßer Segel
werk nicht direkt mit der Steuerung 20 zu verbinden, sondern mit der Stoßstange
27 ein Flettnerruder 29 anzutreiben, das das Leitwerk verstellt.
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Es ist auch möglich sowohl die direkte Steuerung auf einen Teil des
Leitwerks wirken zu lassen als auch die Flettnersteuerung auf den anderen, was bei
sehr großen Segeln die Handregelung erleichtert, ohne für das ganze Leitwerk auf
die direkte Beeinflußbarkeit verzichten zu müssen.
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Bild 10 Diese Steuerung des Leitwerks ist auch eine brauchbare Sicherheitssteuerung
bei kraftgesteuerten Segeln bei sehr großen Fahrzeugen.
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Das' bisher beschriebene Segel mit einem Leitwerk auf einem Leitwerksträger
ist für Mehrsegelanordnungen weniger gut geeignet, da' das Leitwerk-durch seinen
großen Drehkreis einen großen Mastabstand erzwingt und somit die Segel fläche verkleinert
oder zur Vergrößerung der Segelhöhe zwingt. Diese vergrößerbt aber den Gewichtsaufwand
für die'Segelfläche, da mit der Vergrößerung der Segelhöhe die Biegemomente am Segel
und am Fahrzeug wachsen.
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Für Mehrsegelanordnung nach Art,der konventionellen Yawl, Ketsch und
vor allem Schonertypen.ist das Segel ohne Leitwerk vorteilhafter. Hierzu bietet
sich das Konzept des Nurflügels, der wie beim Nurflügeiflugzeug durch entsprechendc-
Profilform einen eigenstabilen Flügel als Segel bildet, dessen Leitwerk 1 zum Beispiel
als Wölbungsklappe direkt in der Hintertante des Segels sitzt.
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Mit diesem Segel läßt sich ein, Mehrsegelfahrzeug aufrüsten, dessen
Segel sich selbständig in die richtige gegenseitige Stellung (Schränkung der Segel)
einstellen, wobei die gleiche Steuerung
angewendet wird, wie bei
Anwendung des Leitwerksträgers. Ein Nachteil dieser Segelform ist in einer Eigenschaft
der für eigenstabile Flügel -notwendigen Profile begründet: Ihr maximaler Schubkraftbeiwert
liegt tiefer als der normaler Profile und läßt sich durch Wölbung nicht so weit
erhöhen wie bei diesen. Hohe Schubbeiwerte bei hohen Ansteliwinkeln sind aber bei
Starrsegeln für das Fahren vorm Wind wichtig, so daß das Segel mit Leitwerksträger
für Einzelsegal seine Berechtigung hat.
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Der Vorteil des Starrsegels für den Mehrsegler ist sein besserer Wirkungsgrad.
Der kleinere Amwindwinkel verbessert die Leistung beim Kreuzen.
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Durch den Wegfall der Einricht,ungen zum Segelbergen sind die Segel
einfacher im Aufbau, durch die selbsttätige Einstellung ist die Manövrierbarkeit
besser. Die Luftkraft am Segel ist schnell und leicht einstellbar, sie kann relativ
einfach so geregelt werden, daß eine bestimmte Schräglage nicht überschritten wird.
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Die freie Beweglichkeit der Einzelsegel gestattet eine optimale Böenanpassung
jedes Einzelsegels, das die eingestellte Luftkraft stets unabhängig von der Örtlichen
Windrichtung und -stärke einhält.
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Auch eine Steuerung auf maximale Schräglage ist durchführbar, die
beispielsweise durch ein Pendel 50 oder eine physikalisch gleichwertige Anordnung
erfolgen kann. In Bild 11 ist eine solche Steuerung als Beispiel dargestellt.
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Das in 51 fahrzeugfest gelagerte Pendel 50, das auch beispielsweise
hydraulisch gedämpft sein kann, bewegt über die Gleitsteine 55 und die Schleifen
52 die Stangen 52 so, daß beim Erreichen einer durch die Anschläge 54 ein'stellbren
Querneigung des Fahrzeugs diese Kurbelstange 57 der Kurbelschleife 56 auf kleineren
Itub verstellt wird. Dadurch wird die Wirkung des Gestänges 23 vermindert.und dadurch
der Leitwerksausschlag und über den Anstellwinkel auch die Segeikraft verkleinert.
Die Feder 59 bringt die Kurbelstange 57 wieder in die alte Lage am Ende der Kurbelschleife
56, wenn der Anschlag des Pendels 50 sich verkleinert hat.
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Die gleiche Anordnung läßt sich für kleine Fahrzeuge auch um die Querachse
gegen überschlag nach vorn verwenden. Die gleiche Anl'age läßt es zu, durch ständigen
Eingriff des Pendels die Querneigung ständig gleich zu halten, also im Sinne einer
Schlingerdämpfung zu wirken. Dabei wird, bezogen auf die einæuhaitonde Querlage,
die maximale Segelkraft ohne manuelle Betätagung auch bei böigem Wind gefähren.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Segelstellung durch automatische
Beeinf lussung des Hebels 11 oder des nachgeschalteten Gestänge
von der Segelkraft selbst abhängig zu machen. Die ist insbesondere bei größeren
Mehrsegelfahrzeugen zweckmäßig, bei der die Querne,igung'keine ausreichende Aussage
über die Belastung des Einzelsegels liefert, das durch eine örtliche Boe überbeansprucht
werden kann. Durch eine Kraft'messung z,B. im Holnstummel 12 und eine elektronische
Umsetzung dieser Messung in die Bewegung einer Servosteuerung kann die Steuerung
des Segels in Richtung kleinerer Kraft beeinflußt werden. Eine solche Einrichtung
vermeidet Brüche durch Überlastung, ohne den Gewichtsaufwand, den eine Auslegung
aller Teile auf maximal mögliche Kräfte verursachen würde.
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- Patentansprtiche -