Widerstandskämpfer

Als mich ein waschechter Berliner fragte, welches mein Fachgebiet sei, gab ich beflissen Auskunft und nannte die Hydrodynamik und fügte erklärend hinzu, das beinhaltet im Wesentlichen die Strömungslehre. Nun, auch darunter konnte er sich wohl nicht allzu viel vorstellen und fragte: „Watt strömten bei Ihnen?“ Was strömt oder richtiger: was wird umströmt? Für uns als Bootsbesitzer fällt die Antwort nicht schwer: Natürlich der Bootskörper des fahrenden Schiffes vom Wasser und das Überwasserschiff vom Fahrtwind. Eigentlich ganz einfach, wären da nicht viele kleine Eigenheiten und Unregelmäßigkeiten, über die sich bis heute die unterschiedlichsten Wissenschaftler in den schiffstechnischen Versuchsanstalten den Kopf zerbrechen.

Andererseits liegt hierin der besondere Reiz, nämlich der Natur möglichst effektive Problemlösungen abzuringen. Folgt die Strömung der idealen Körperform unter Wasser oder auch in der Luft, schmiegt sich diese dem Körper an, so entspricht der Strömungsverlauf nicht nur unseren ästhetischen Vorstellungen, sondern vor allem ist auch der Körperwiderstand gering. Doch irgendwo muss sich das jeweilige Medium wieder schließen, und das geht nicht so ideal vonstatten. Turbulenzen – Wirbel – sind unvermeidlich. Deshalb gurgelt es hinter dem Heck oder flattert unsere Flagge und steht nicht steif in der Strömung wie der starre Windrichtungsanzeiger.

Vortrieb wird von den Fischen durch Schwanzbewegungen erzeugt, die in der Technik nur schwer nachzuvollziehen sind. Immerhin hat das Wriggen mit dem Ruder – was heute nur noch selten zum Vorschub eingesetzt wird – eine ähnliche Funktion. So erfand der Mensch den sich um eine Achse rotierenden Propeller, eine nicht hoch genug einzuschätzende Erfindung, die es wiederum in der Natur in dieser Form nicht gibt, da Körperteile über eine Achse zum Rad nicht organisch versorgt werden können.

Doch im Gegensatz zum relativ geordneten, verlustarmen Abstrom beim Fischschwanz, saugt der Propeller das Wasser in eine Stromröhre und entlässt es in einem wild turbulenten, spiralförmigen Nachstrom. Dabei gehen meist mehr als 30 % der hineingesteckten Leistung für den Bootsschub verloren. Besonders in Kanälen bekommen Freizeitskipper noch weit hinter einem Binnenschiff das unruhige Wasser zu spüren. Und in dieser ungeordneten Strömung befindet sich zumeist das Ruder, das zwar durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit sehr wirkungsvoll ist, aber gleichzeitig erheblicher Schwingungsbelastung ausgesetzt wird und nicht selten auch bei höher belasteten Propellern durch Kavitationsschläge Probleme bereitet.

Apropos Ruder und Steuerfähigkeit: Vor Kurzem fuhr ich im Elbe-Lübeck-Kanal mit der vorgeschriebenen geringen Geschwindigkeit hinter einem etwa fünf Meter langen und recht breiten Gleitboot und konnte es kaum mehr mitan-sehen, wie das Boot im Kanal hin- und herschlingerte, obwohl der Skipper an seinem Steuerrad wild kurbelte. Dem für die Gleitfahrt ausgelegten Boot fehlte jegliche Führung in der Anströmung. Eine Finne (Flosse) von einer Größe, wie sie beim Surfboard üblich ist, würde diese Unzulänglichkeiten beseitigen. Ähnliches hätte in der Natur keinen Bestand.

An diesem kleinen Beispiel wird bereits demonstriert, dass die ideale Umströmung nicht realisiert werden kann. Unsere Boote bewegen sich nicht tief getaucht, sondern an der Wasseroberfläche, erzeugen Wellen, und müssen, zumindest im Bereich der Rumpfgeschwindigkeit, einen zusätzlichen Widerstand überwinden, der nicht selten mehrere 100 % der sonstigen Widerstandsanteile beträgt. Auch können die Biotechniker auf keine Vorbilder in der Natur zurückgreifen. Tiere, die sich im teilgetauchten Schwimmzustand wie ein Boot mit höherer Geschwindigkeit an der Wasseroberfläche fortbewegen, sind nicht existent.

Der 100-fache Dichteunterschied zwischen Wasser und Luft ist eine unumstößliche Tatsache. Der vom Boot erzeugte positive oder negative Staudruck erzeugt Wellenberge und Wellentäler. Folglich suchten die Techniker nach Lösungen, wie man den Widerstandsanteil reduzieren kann. Man erfand das Gleitboot und später das Tragflügelboot. In beiden Fällen wird dynamischer Auftrieb erzeugt, wodurch sich der Wellenwiderstand in Relation zur Geschwindigkeit erheblich reduziert. Bei nicht ausreichender Bootsgeschwindigkeit fallen jedoch beide Bootstypen in den ungünstigen Strömungszustand wieder zurück.

Aber auch für den „Verdränger“ suchte man nach Lösungen und fand sie im Katamaran und – vielleicht noch überzeugender – durch SWATH-Schiffe. SWATH steht für Small Waterplane Area Twin Hull, also auch eine Art Katamaran, aber mit sehr schmalen Wasserlinienflächen, während der eigentliche Rumpf, der verantwortlich für den Auftrieb des Schiffes ist, tief unter der Wasseroberfläche liegt. Diese Boote sind sowohl für niedrige Geschwindigkeiten als auch für den High-Speed-Bereich bestens geeignet.

Worin besteht das Geheimnis? Die Antwort lautet: Ge-fordert wird eine möglichst schmale Wasserlinienfläche oder anders formuliert: eine große WL-Länge im Verhältnis zur WL-Breite mit einer möglichst idealen Profilform. Nur dann bleibt der Anteil des Wellenwiderstandes gering! So hätte zum Beispiel eine von der Kante angeströmte flache Platte einen Wellenwiderstand, der annähernd Null ist. Bleibt der Verdrängungskörper wie beim SWATH-Boot tief getaucht, entspricht er weitgehend dem eingangs beschriebenen Idealkörper in der Strömung, und auch der Propeller arbeitet tief getaucht im höheren statischen Druckbereich, womit gleichzeitig die Kavitation und Steuerfähigkeit besser beherrschbar ist.

Genau das Gegenteil, nämlich eine große WL-Breite, ist beim Gleitboot erforderlich, um genügend dynamischen Auftrieb zu erzeugen. Natürlich gibt es auch für Katamarane oder SWATH-Boote viele Für und Wider, die hier nicht weiter diskutiert werden sollen, aber sicher eine ausführliche Erörterung Wert sind. Zumindest sollte zukünftig der Bootsmarkt neue Bootstypen mit geringem Leistungsbedarf über alle Geschwindigkeitsbereiche in seine Überlegungen einschließen.