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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung
des während der Schiffsnavigation auftretenden
Wellenwiderstandes und ein mit dieser Einrichtung versehenes Schiff.
Die Erfindung liefert nicht nur bei kleinen und mittleren
Hochgeschwindigkeitsschiffen zufriedenstellende Ergebnisse,
sondern auch bei großen Schiffen, wie z.B. ältankern, die
mit hoher oder höherer Geschwindigkeit fahren müssen.
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Der Widerstand, der auftritt wenn ein Schiff auf dem Wasser
treibt und gesteuert wird, besteht im wesentlichen aus
Reibungswiderstand mit Wasser, Wellenwiderstand und
Luftwiderstand. Während der Reibungswiderstand nahezu 90 des
Gesamtwiderstandes bei einem großen Schiff mit geringer
Geschwindigkeit beträgt, steigt der Anteil des
Wellenwiderstandes bei kleinen oder mittleren Schiffen mit hoher
Geschwindigkeit manchmal bis auf 60 % des Gesamtwiderstandes
an. Auf der anderen Seite beträgt der Widerstandsanteil
aufgrund von Formwiderstand und Luftwiderstand bei den
meisten Schiffen nur einige Prozent. Daher wird die Schätzung
des Gesamtwiderstandes im allgemeinen durch Messung des
Gesamtwiderstandes eines Modellschiffs vorgenommen, von dem
der berechnete Reibungswiderstand abgezogen wird, und der
verbleibende Wellenwiderstand wird mit dem Verhältnis von
Verdrängung des tatsächlichen Schiffs zu der des
Modellschiffs multipliziert, um den Wellenwiderstand des
tatsächlichen Schiffs abzuschätzen, zu welchem der
Reibungswiderstand addiert wird, um den gewünschten Gesamtwiderstand zu
erhalten.
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Der besagte Wellenwiderstand betrifft den Widerstand
aufgrund von Wellen, d.h. Gravitationswellen, die durch die
Vorwärtsbewegung eines Schiffs erzeugt werden. Das
Verhältnis von Trägheit zu Schwerkraft oder die sog. Froude-Zahl
ist ein wichtiger Faktor des Wellenwiderstandes.
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Zur Verringerung des Wellenwiderstandes wurde
vorgeschlagen, die Schwerkraft des Schiffs per se zu verringern und
hierzu wurde bisher in den japanischen
Patentveröffentlichungen Nr. 55-15349, Nr. 48-35557 und anderswo die Lehre
erteilt, eine Anzahl von Luftaustrittsbohrungen am Boden
des Schiffrumpfes oder an den Seiten in der Nähe des Bodens
vorzusehen, durch welche Druckluft in das Wasser
eingeblasen wird, um einen Auftrieb des Schiffskörpers in Richtung
der Wasseroberfläche zu erreichen.
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Dieses Verfahren wird jedoch bei gegenwärtigen Schiffen
kaum angewendet, da außer bei Schiffen, die mit dem
gesamten Rumpf unter Wasser navigieren und keine freie
Oberfläche aufweisen, wie z. B. U-Boote, die Erzeugung von Wellen
infolge der Vorwärtsbewegung des Schiffs nicht reduziert
werden kann wenn der Schiffsrumpf über der Wasseroberfläche
ist, so daß dieses Verfahren zur Verringerung des
Wellenwiderstandes unwirksam ist. Darüber hinaus besteht ein Risiko
zum Kentern, wenn die Geschwindigkeit des Schiffs über eine
bestimmte Grenze hinaus erhöht wird.
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Es wurden ferner ein Verfahren zum Einblasen von Druckluft
in das Wasser nach vorn in Fahrtrichtung des Schiffes
vorgeschlagen, um so den Wasserwiderstand durch die Masse der
Luftblasen zu verringern (vgl. z.B. japanisches Patent
Kokai Nr. 60-33185> , sowie ein Verfahren zur Verringerung des
Wasserwiderstandes, bei dem dünne, schlanke Platten
parallel zur Außenfläche des Rumpfes und näherungsweise
rechtwinklig
zur Fahrtrichtung angebracht sind, wobei ein
geringer Abstand mit der Rumpfoberfläche im Wasser beibehalten
wird und Luft aus einer Vielzahl von kleinen Öffnungen an
der Vorderkante der Platte hinausgeblasen wird.
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Diese bekannten Verfahren erfordern jedoch zusätzliche
Einrichtungen wie z.B. Kompressoren zur Erzeugung von der in
das Wasser einzublasenden Druckluft und der Verbrauch von
großen Energiemengen zum Ausstoßen der Luft ist
unvermeidbar. Daher ist die Anwendung dieser bekannten Verfahren bei
gegenwärtigen Schiffen nicht sehr zufriedenstellend.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur
Reduzierung des Wellenwiderstandes mit einem einfachen Aufbau und
hohem Wirkungsgrad ohne Verbrauch von übermäßig großen
Energiemengen zu schaffen.
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Als Ergebnis von intensiven Untersuchungen für die
Entwicklung einer Einrichtung zur Verringerung des
Wellenwiderstandes eines Schiffs haben die Erfinder herausgefunden,
daß dieses Ziel dadurch erreicht werden kann, daß
platten- oder flossenartige Körper symmetrisch an den rechten und
linken Seitenflächen des Rumpfes befestigt werden und
oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Rumpfes verlaufen,
wobei jeder flossenartige Körper an seinem Vorderende am
Rumpf befestigt und dessen hinteres Ende sich in der
gleichen Weise wie die Flosse eines Fisches nach außen
erstreckt.
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Die internationale Patentveröffentlichung WO 86/04557
schlägt die Verwendung von Luftzufuhrkanälen in den
Rumpfseiten vor, die zur Bildung von Luftblasen zwischen dem
Schiffsrumpf und dem Wasser oberhalb der Wasserlinie
verlaufen. Der Kanal kann durch einen federartigen Streifen
abgedeckt werden, der in der Rumpfebene derart angeordnet
ist, daß der Streifen keinen geschwindigkeitsreduzierenden
Effekt bei geringen Geschwindigkeiten aufweist. Es sind
ferner Mittel zum Drücken des Streifens entgegen seiner
natürlichen Federwirkung vorgesehen, um zu einer mit dem
Rumpf bündigen Stellung zurückzukehren und um die Stellung
des Streifens relativ zum Schiffsrumpf einzustellen. Der
komplizierte Aufbau zur Bildung von Luftblasen innerhalb
des Schiffsrumpfs wird durch die vorliegende Erfindung
vermieden.
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Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Verringerung des
Wellenwiderstandes eines Schiffs vorgesehen, mit mindestens
einem Flossenpaar von jeweils im wesentlichen identischer
Form, das oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des
Schiffsrumpfes symmetrisch zu beiden Seiten des Rumpfes und
nach hinten in Richtung des Hecks verläuft, wobei jede
Flosse zur Befestigung am Rumpf in direktem Kontakt mit
diesem entlang ihrer Vorderkante steht und wobei das
hintere Ende jeder Flosse von der Rumpfoberfläche beabstandet
ist, und Mitteln zur Einstellung der Flosse gegenüber dem
Rumpf durch Bewegung des hinteren Endes der Flosse vom
Rumpf weg und auf diesen zu, dadurch gekennzeichnet, daß
jede Flosse durch eine Schwenkeinrichtung am Schiffsrumpf
angeordnet ist, wodurch das Verschwenken der Flosse durch
die Einstelleinrichtung den Winkel der Flosse gegenüber dem
Rumpf an der Schwenkachse verändert.
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Fig 1 ist eine schematische Draufsicht auf einen
Schiffsrumpf in Möhe der Wasserlinie mit der
erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Schiffrumpfes
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Fig. 3a bis 3h zeigen jeweils eine bei der Erfindung
verwendete Flosse mit unterschiedlichen
Formen.
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Fig. 4 bis 6 zeigen jeweils eine Perspektivansicht einer
Flosse, die am Schiffsrumpf in
unterschiedlicher Weise angeordnet ist, welche jedoch
nicht durch die Ansprüche gedeckt ist.
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Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine am Rumpf
angeordnete Flosse mit einem variablen
Einstellwinkel.
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Fig. 8 ist eine Darstellung zur Erläuterung der im
wesentlichen um einen Körper herum
verlaufenden Strömungslinien.
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Fig. 9 ist eine Darstellung zur Erläuterung des
Prinzips der erfindungsgemäßen Einrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie aus der Hydrodynamik bekannt ist, weist jedes reale
Fluid eine Viskosität und eine Kompressibilität auf, so daß
die Viskosität des Fluids beim Einbringen eines Körpers in
die Fluidströmung eine Geschwindigkeitsverteilung aufgrund
des Wandungswiderstandes verursacht und es werden
Abrißbereiche a und Rückströmungsbereiche b in dem
Strömungslinienmuster um den Körper herum gebildet, wie dies in Fig. 8
gezeigt ist. Die Situation ist ähnlich, wenn das Fluid
stationär ist und der Körper darin bewegt wird. Wenn jedoch
ein Paar flossenartiger Platten vorgesehen ist, das sich
gemäß Fig. 9 nach hinten weiter vom Rumpf entfernt und sich
in einer Höhe oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des
Rumpfs befindet, wird der Abrißbereich a am hinteren Ende
jeder Platte und ein Rückströmungsbereich b in dem Raum
zwischen dem hinteren Ende der Platte und dem Rumpf
gebildet. Dies führt dazu, daß sich die durch die
Vorwärtsbewegung des Schiffs erzeugten Wellen beim Überströmen des
hinteren Endes der Platte infolge einer Umwandlung der
Strömung in eine turbulente Strömung aufheben.
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Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die erfindungsgemäße
Einrichtung im folgenden im einzelnen erläutert. Fig. 1 ist
eine Draufsicht auf einen Schiffsrumpf in Höhe der
Wasserlinie und Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Rumpfes, bei
dem mehrere flossenartige Plattenpaare 4, 4, ... und
4', 4', ... symmetrisch an den linken und rechten
Seitenwänden 2, 2', bzw. des Rumpfes 1 angeordnet sind. Wie in
Fig. 2 gezeigt, ist jede der Platten 4, 4, ... und
4', 4', ... in einer Höhe angeordnet, um vom Vorschiff bis
zum Heck des Rumpfes 1 oberhalb und unterhalb der
Wasserlinie 3 zu verlaufen. Jede der Flossen 4 ... und 4' ... ist
gemäß Fig. 2 entlang der vorderen Endkante am Rumpf 1
befestigt, während dessen hinteres Ende von der Oberfläche des
Rumpfes 1 getrennt ist.
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Vorzugsweise ist jede der Flossen 4, ... und 4', ... unter
einem im folgenden als Anstellwinkel α bezeichneten Winkel
von 2 bis 25º bzw. noch besser von 5 bis 15º zur Oberfläche
des Rumpfs 1 angeordnet. Wenn der Anstellwinkel α kleiner
als 20 ist, reicht der Unterdrückungseffekt auf den
Wellenwiderstand nicht aus, während bei einem Anstellwinkel von
mehr als 25º der Reibungswiderstand so stark ansteigt, daß
die Geschwindigkeit des Schiffes abnimmt. Wenn zwei oder
mehrere Flossenpaare angebaut sind, kann der Anstellwinkel
wahlweise von Paar zu Paar variiert werden. Der optimale
Wert des Anstellwinkels α hängt von der Geschwindigkeit des
Schiffes und dem Profil des Rumpfes 1 ab, so daß
vorzugsweise für jedes Schiff ein Design auf der Grundlage der
Ergebnisse des Wassertankexperimentes unter Verwendung eines
Modellrumpfes des entsprechenden Profils erstellt wird.
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Die Form der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
verwendeten Flossen ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt
die vordere Endkante hat dieselbe Krümmung wie die
Oberfläche des Rumpfes, an dem die Flosse mit direktem Kontakt
befestigt ist. Beispiele für geeignete Flossenbauformen sind
Quadrate, vertikal verlängerte Rechtecke, horizontal
verlängerte Rechtecke, Trapeze, umgekehrte Trapeze, Dreiecke,
Fünfecke, Halbkreise und Sektoren, wie dies in den Fig. 3a
bis 3h gezeigt ist.
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Auch das Material der Flossen ist nicht besonders
beschränkt, vorausgesetzt das Material hat eine ausreichend
hohe Festigkeit, um dem beim Fahren des Schiffes
auftretenden Wasserwiderstand zu widerstehen, wie z.B. Metalle,
Kunststoffe, Holzmaterialien, Keramik o. ä.
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Die Flosse kann z.B. in einer Weise angeordnet sein, wie
dies in Fig. 4 perspektivisch dargestellt ist. Eine Platte
4 wird vorher derart geformt, daß die vordere Endkante 5
entsprechend der Wölbung der Rumpfoberfläche gekrümmt ist
und derart gebogen, daß deren hinteres Ende 6 von der
Rumpfoberfläche entfernt ist, wenn die Flosse 4 an der
vorderen Endkante 5 unter einem geeigneten Winkel zur Rumpf
oberfläche befestigt ist. Das vordere Ende 5 der Flosse ist
am Rumpf 2 durch Nieten oder Schweißen befestigt. Wenn dies
erforderlich ist, kann ein keilförmiger Abstandshalter
zwischen die Flosse 4 und den Rumpf 2 eingesetzt werden, um
eine stabile Befestigung der Flosse zu gewährleisten.
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Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Flossenanordnung in Fig.
4, bei der der hintere Endbereich der Flossenplatte 4
nahezu rechtwinklig umgebogen ist, um einen Knick 6' mit einer
Breite entsprechend dem gewünschten Abstand des hinteren
Endes 6 vom Rumpf 2 zu bilden. Der Knick 6' ist an dem
Rumpf 2 ebenfalls durch Nieten oder Schweißen befestigt.
Der Knick 6' ist vorzugsweise in einer derartigen Form
hergestellt, daß die oberen und unteren Bereiche alleine in
Form von Schenkeln verbleiben, um das Ansaugen von Luft zu
erleichtern.
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Fig. 6 ist eine Perspektive einer weiteren Abwandlung der
Flossenkonstruktion, bei der die Flosse 4 im voraus als
einstückiges ausgebauchtes Teil des Rumpfes 2 zur Bildung
einer Tasche 7 geformt ist, die sich nach hinten und
wahlweise zumindestens zum Teil nach oben und/oder nach unten
öffnet, während die Tasche 7 vom Bordinneren durch
Anbringen einer Platte wasserdicht getrennt ist.
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Es ist unnötig zu sagen, daß der Wellenwiderstand eines
Schiffes nicht nur in Abhängigkeit von der Form des
Schiffrumpfes, sondern auch von der Windgeschwindigkeit, der
Geschwindigkeit und der Richtung der Meeresströmung, der
Wellenhöhe und anderen Umgebungsbedingungen variiert, so daß
es manchmal wünschenswert ist, daß der Anstellwinkel der
Flossen in Abhängigkeit von den Umständen verändert wird.
Es ist vorteilhaft, daß der Ahstellwinkel der Flossen
innerhalb eines bestimmten Bereichs veränderbar ist.
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Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Mechanismus für einen
veränderbaren Flossenanstellwinkel, bei dem die vordere
Endkante 5 der Flosse 4 gelenkig an dem Rumpf 2 derart
gehalten ist, daß das hintere Ende 8 geöffnet und geschlossen
wird, indem es durch die mit dem
Schneckengetriebemechanismus 10 verbundene Stange 9 geschoben und gezogen wird. Der
Schneckengetriebemechanismus 10 kann natürlich auch durch
einen Hydraulikzylinder oder durch einen
Kurvengetriebemechanismus ersetzt werden.
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Darüber hinaus werden die Daten betreffend die Effekte der
Windgeschwindigkeit, Geschwindigkeit und Richtung der
Meeresströmung, Wellenhöhe u.ä. auf den Wellenwiderstand
gerade für ein bestimmtes Schiff kompiliert und für die
Berechnung des optimalen Anstellwinkels verwendet und die
Ergebnisse werden in einen Computer eingegeben, der zur
automatischen Steuerung des Flossenanstellwinkels während der
Navigation des Schiffes entsprechend den Änderungen der
Umgebungbedingungen dient.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Effekt, daß die
durch die Vorwärtsbewegung eines Schiffes erzeugten Wellen
infolge der Bildung des Abrißbereichs a an dem äußeren
hinteren Ende der Flosse und des Rückströmbereichs b im Raum
zwischen dem hinteren Ende der Flosse und dem Schiffsrumpf
stark verringert werden, wie dies unter Bezug auf Fig. 9
erläutert wurde.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist besonders
groß, wenn das Schiff mit konstanter Geschwindigkeit
oberhalb eines bestimmten Wertes fährt, um den Wellenwiderstand
zu reduzieren. Der Aufbau der bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung verwendeten Vorrichtung ist darüber hinaus so
einfach, daß die Einrichtung bei nahezu allen
konventionellen Schiffstypen einsetzbar ist.
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Demgemäß kann die erfindungsgemäße Einrichtung in großem
Umfang in unterschiedlichen Schiffen von kleinen Schiffen
wie z.B. Ruderbooten, Rennbooten, Yachten und Fischerbooten
bis zu beliebig großen Schiffen wie Frachtschiffen,
Passagierschiffen, Containerschiffen und Öltankern eingesetzt
werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher
erläutert, die einige Ausführungen der Erfindung
darstellen.
Beispie1 1
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Ein Tankexperiment wurde in folgender Weise durchgeführt.
Ein 2 m langes Rumpfmodell, das auf der Wasseroberfläche in
Längsrichtung eines 10 m langen und 5 m breiten Wassertanks
schwimmt, wurde an dem vorderen Ende ungefähr in der Mitte
der 5 m langen Wand des Tanks durch ein Seil mit
dazwischengeschaltetem Spannungsmesser festgemacht.
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Zehn Flossenplatten aus Polyvinylchlorid mit jeweils einer
Höhe von 100 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von
2 mm wurden an beiden Seitenflächen des Rumpfes symmetrisch
mit Abständen von 20 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm und 100 cm vom
vorderen Ende des Rumpfes derartig angeklebt, daß die an
ihrer vorderen Endkante am Rumpf befestigte Flossenplatte
oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Rumpfes verläuft
und daß das hintere Ende der Flossenplaite unter Bildung
eines Flossenanstellwinkels von ungefähr 30 zur Oberfläche
des Rumpfes nach außen steht.
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Anschließend wurde eine Wasserstrahlpumpe mit 50 PS zur
Erzeugung einer Wasserströmung im Tank angeschaltet und es
wurden Messungen für die Beziehung zwischen der
Geschwindigkeit der Wasserströmung und der auf den Schiffskörper
wirkenden Belastung durchgeführt.
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Zum Vergleich wurde ein ähnliches Experiment mit demselben
Rumpfmodell ohne der Flossen aus Polyvinylchlorid
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1
gezeigt.
Tabelle 1
Belastung
ohne Flossen
Mit Flossen
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Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, konnte die am Rumpf
angreifende Belastung stark verringert werden, wenn der Rumpf
mit den Flossen versehen war und der Effekt zur Reduzierung
des Widerstandes war bei einer größeren Geschwindigkeit der
Wasserströmung deutlicher.
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Es war erkennbar, daß die an beiden Seiten des Rumpfes
erzeugten weißen schäumenden Wellen bei dem Rumpf mit den
Flossen auf etwa die Hälfte reduziert werden konnten.
Beispiel 2
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Die Wirksamkeit der Flossen wurde durch Verwendung eines
realen Schiffs getestet. Dabei ließ man 3 in lange Arme von
den rechten und linken Bordseiten eines Motorbootes (Modell
Yamaha SR-21) nach außen ragen, das eine Gesamtlänge von
6,65 in, eine Gesamtbreite von 2,41 in und ein Bruttogewicht
von 820 kg aufwies sowie mit einem Außenbordmotor mit
220 PS zum Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit von
40 Knoten ausgerüstet war. Durch 30 in lange und jeweils an
den Enden eines der vorstehenden Arme verknotete
Schlepptaue wurden zwei Ruderboote (Modell Yamaha ROW-10) mit
einer Gesamtlänge von 2,84 m, Gesamtbreite von 1,08 m und
Bruttogewicht von 72 kg vertaut und die Spannung in den
Schlepptauen wurde durch einen Spannungsmesser erfaßt.
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In diesem Fall wurden 1 cm, 37 cm und 70 cm vom Vorschiff
entfernt und 22 cm vom Heck entfernt symmetrisch an den
rechten und linken Seiten Flossen aus Aluminium angebracht.
Jede Flosse hatte eine Höhe von 10 cm und eine Länge von
50 cm und war an ihrer vorderen Kante fest an der
Seitenbeplattung des Schiffsrumpfes mit Bolzen befestigt, während
das hintere Ende der Flosse unter Bildung von
Flossenanstellwinkeln von 11º33', 8º13', 7º29' und 8º13' von der
jeweils vordersten bis zur hintersten Finne nach außen ragte.
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Die folgende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des
Schlepptests dieser Ruderboote bei veränderlicher Geschwindigkeit.
Tabelle 2
Belastung, kg
Schiffsgeschwindigkeit, km/h
Ohne Flossen
Mit Flossen
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Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, war der Wellenwiderstand
des Bootes mit Flossen wesentlich geringer als derjenige
des Bootes ohne Flossen, ungeachtet des
Geschwindigkeitsbereichs von geringer bis hoher Geschwindigkeit. Dieser
Effekt war besonders deutlich, wenn die Geschwindigkeit des
Schiffs 30 km/h übersteigt.
Beispiel 3
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Zur Untersuchung der Beziehung zwischen dem
Flossenanstellwinkel und dem Wellenwiderstand wurde dasselbe Experiment
wie in Beispiel 2 wiederholt, indem alle Flossen unter
einem identischen Flossenanstellwinkel angebracht wurden. Die
Experimente wurden mit Flossenanstellwinkeln von 14,70 und
300 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden
Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Belastung, kg
Schiffsgeschwindigkeit, km/h
Flossen
Keine Flossen
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Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, steigt der Widerstand
auf das Boot an, wenn der Flossenanstellwinkel einen
bestimmten kritischen Winkel übersteigt, der ungefähr 250
sein kann, wobei die Geschwindigkeit des Schiffs nachteilig
beeinflußt wird.