Physik

Darum heben Foiler ab

Felix Keßler, Jochen Rieker, Michael Good, Lars Bolle am 13.09.2018

Wie das Foilen funktioniert: Der Kampf zwischen Auftrieb und Widerstand

Der America's Cup 2017 hat gezeigt: Rennen mit 100 Prozent Flugzeit sind längst Realität. Die Kats können ohne Zweifel als die am höchsten entwickelten Segelboote aller Zeiten gelten. Doch der Technologietransfer von den Cuppern in die Serienfertigung wird gering sein, zu groß ist ihr Abstand von allem Herkömmlichen, das schwimmt – und zu spezialisiert die Lösungen, die den Umgang mit den Boliden überhaupt ermöglichen.

Während im Bootsbau moderne Errungenschaften des Segelsports sonst gern, rasch und nicht selten auch sinnfrei übernommen werden – er­innert sei an Flügelkiele oder Kimmkanten –, lassen sich Foils nicht so ohne weiteres adaptieren.
Selbst Konstrukteur Hugh Welbourn, der als Erfinder des Dynamic Stability System (DSS) zu den vehementesten Fürsprechern der Tragflächentechnik zählt, benennt unumwunden die Grenzen der Realisierbarkeit: "Ein Foil erzeugt mehr aufrichtendes Moment und damit deutlich höhere Lasten in Rumpf und Rigg", sagt der Brite. Um diese zu kompensieren, müssten aufwändige Strukturversteifungen ins Boot eingebaut werden. Dadurch und durch das in den Rumpf eingezogene Profil ginge unter Deck eine Menge Platz verloren. Außerdem lägen die Kosten deutlich höher als bei einem Boot ohne Foils. "Schon allein deshalb ist der Einsatz auf normalen Yachten sehr fragwürdig."

Gewaltiger Kraftakt

So viele Kräfte wirken auf Boot und Flügel eines Open 60

Gewaltiger Kraftakt: Bei einem Open 60 neuester Generation wirken viele Kräfte zusammen. Das Foil in Lee und der ausgeschwenkte Kiel generieren beide dynamischen Auftrieb  (grüne Pfeile).
Bei einer Geschwindigkeit von 20 Knoten erzeugen die Rumpfanhänge zusammen bis zu sechs Tonnen Lift – das sind rund 75 Prozent des Gesamtgewichts der Yacht.

L-Foils

L-Foils

Für moderne Einrumpfboote kommen verschiedene Arten von Foils in Frage. Schiffe mit Canting Keel, wie zum Beispiel die Imoca Open 60 der Ven­dée Globe, benötigen ein Foil, das nicht nur Auftrieb produziert, sondern auch die seitliche Abdrift verhindert, weil der ausgeschwenk­­te Kiel diese Aufgabe nicht übernehmen kann. An der Spitze abgewinkelte Flügel produzieren beides, Lift und Seitenführung.

DSS-Foils

DSS-Foils

Hat das Boot jedoch einen fest angebauten gut profilierten Kiel oder ein zusätzliches Schwert, wird die Abdrift bereits ausreichend darüber minimiert. Dann reicht ein gerades DSS-Foil. Es produziert eine Menge Auftrieb und dazu weniger Widerstand, weil die Oberfläche insgesamt kleiner ist als bei L-Foils.

Chistera

Chistera-Foils

Einen Kompromiss bieten die Tip-Down- oder Chistera-Foils, wie sie jetzt bei der neuen Figaro 3 zur Anwendung kommen. Die nach unten und einwärts gebogenen Tragflächen erzeugen wie die L-Foils vertikalen Auftrieb und gleichzeitig eine Kraft gegen die  Abdrift. Im Fall der Figaro kann die Finne des Festkiels deshalb sehr schlank sein. Der Vorteil der Chistera-Foils: Segelt das Boot bei wenig Wind aufrecht, bleibt die benetzte Fläche am Foil klein und der Widerstand im Wasser geringer als bei DSS- oder L-Foils.

Die Katamarane beim Cup sind sogenannte Dreipunkt-Foiler. Sie "stehen" quasi auf drei Beinen, auf der L- oder Z-förmigen Tragfläche in Lee und auf den beiden kleineren Foils an den Ruderblättern. Der Tragflügel in Luv wird jeweils aufgeholt, nicht nur, weil dies hydrodynamisch vorteilhaft ist, sondern weil es die Regeln des Cups so vorschreiben. Nur während der Manöver und maximal für 15 Sekunden dürfen beide Foils unten sein. Dieser Umstand verlangt den Teams eine bestens koordinierte Mannschaftsleistung sowie exaktes Timing ab.

Alltags- und massentauglich ist diese Funk­tionsweise nicht. Deswegen tendieren Hersteller von Katamaranen und Trimaranen für eine breitere Käuferschicht jetzt auch eher in die Richtung von Vierpunkt-Foilern; bei ihnen bleiben alle vier Rumpfanhänge dauerhaft abgesenkt. Natürlich produzieren vier Tragflächen im Wasser mehr Widerstand als nur deren drei, dafür wird die Fluglage stabiler und das Durchfoilen im Manöver einfacher. Verglichen mit den Mehrrumpfbooten ist die Entwicklung von Einrumpfern mit Foils um eine Komponente erschwert: der Krängung. Anders als Kats und Tris, die schon ihrer schieren Breite wegen ausreichend Formstabilität aufweisen, ist beim Einrumpfboot deutlich mehr aufrichtendes Moment nötig, damit das Boot nicht kentert. Gegen die seitliche Kraft wirken Kielballast, Wasserballast oder das Mannschaftsgewicht auf der hohen Kante. Pfunde also, die im Grunde das Allerletzte sind, was man fürs Fliegen brauchen kann.

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Felix Keßler, Jochen Rieker, Michael Good, Lars Bolle am 13.09.2018

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