Schiffswiderstand und Vortrieb

Als Wissenschaft kümmert sich die Hydrodynamik darum, die Kräfte und Momente zu bestimmen, die auf einen Körper (Kajak) im Wasser wirken, wenn dieser durch das Wasser umströmt wird. Es handelt sich um einen recht komplexen Bereich der Technik, der auch Heute noch nicht vollständig durch theoretische Behandlung erschlossen wurde. Es steht hier “nur” eine sinnvolle Kombination von Theorien, Modellversuchen und Praktischem- sowie Erfahrungswissen zur Verfügung.

In der Industrie haben Computerverfahren wie CFD (Computer Fluid Dynamics) grosse Bedeutung für den Schiffsentwuf erlangt. Ähnlich wie den Berechnungen und Windkanalversuchen in der Formel 1 wird in der Industrie versucht so gut wie möglich zu bestimmen, wie gut im Sinne von sparsam ein Schiffsentwurf, also die Rumpfform ist.

Der selbe Grundsatz kann auch auf Kajaks und deren Auswahl angewendet werden. Nur dass wir nicht in der Lage sein werden, die selben Aufwände in die Untersuchungen zu stecken, wie es die Industrie tut.
Das Ziel ist aber das selbe:
Wir wollen ein Kajak finden, das den besten Kompromis zwischen Ladefähigkeit, Komfort, Stabilität und Geschwindigkeit darstellt. Da wir der “Motor” sind, wollen wir so wenig wie möglich arbeiten um so schnell wie möglich vorwärts zu kommen.

Komponenten des Widerstands im Wasser
Für das allgemeine Verständnis des Schiffswiderstandes sind folgende Betrachtungen wichtig:
Den messbaren Gesamtwiderstand bezeichnen wir als R_T (von Resistance Total). Seine genaue Rechnerische erfassung ist sehr schwierig, da sich verschiedene Widerstandskomponenten gegenseitig über die steigende Geschwindigkeit beeinflussen.
Diesen Gesamtwiderstand kann man theoretisch wie folgt unterteilen:

R_T = R_W + R_F + R_VD

Wobei:
R_W = Wellenwiderstand (Druckwiderstand senkrecht zur benetzten Oberfläche verursacht durch das Wellensystem des Schiffes)
R_F = Reibungswiderstand (Schubkräfte tangential zur benetzen Oberfläche)
R_VD = Viskoser Druchwiderstand (Druckwiderstand senkrecht zur benetzen Oberfläche)

Wellenwiderstand:
Ein Schiff, das sich an der Oberfläche eine Gewässers bewegt ruft Wellen hervor. Das Schiff oder Kajak erzeugt durch seine Verdrängung eine Art “Ausweichströmung”, das heisst, das Wasser muss auf seinem Weg vom Bug zum Heck einen längeren Weg zurücklegen, als wenn das Kajak nicht dort wäre. Dabei wird ein Wasserdruck auf das Kajak ausgeübt, der sich letztlich in Höhenunterschieden der Wasseroberfläche (= Welle) in der unmittelbaren Umgebung des Schiffes widerspiegelt.  Am Bug und am Heck des Kajaks und oft auch an der Seite des Bootes werden zusätzlich noch Welleberge durch den Staudruck hervorgerufen. An den Schiffsseiten entstehen die Wellentäler, weil dort das Wasser schneller fliesst und einen Unterdruck erzeugt.
Ein Grafik soll das später verdeutlichen!

Der Wellenwiderstand ist eng mit der sogenannten Froudschen Zahl verknüpft. Die Froudsche Zahl (FN = Froud Number) ist eine Kennzahl für die Ähnlichkeit des Wellenbildes von Körpern in Flüssigkeiten mit freien Oberflächen. Schiffe mit gleicher Froudscher Zahl erzeugen geometrisch ähnliche Wellenbilder.
Die Froudsche Zahl wird wie folgt gebildet:
mit v = Geschwindigkeit, L = charakteristische Länge, g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s².

Reibungswiderstand:
Ein vollständig von Wasser umgebener Körper setzt seiner Bwegung durch das Wasser einen Reibungswiderstand entgegen. Wasser ist keine ideale Flüssigkeit sondern eine zähe Flüssigkeit. Die Zähigkeit fällt im täglichen Leben allerdings nicht auf. Die Zähigkeit bewirkt an der unmittelbaren Oberfläche eines Körpers, an der sogenannte Grenzschicht, das Wasserteilchen von der Umgebung (Schiff) mitgerissen werden. Diese Reibung verursacht Schubkräfte entgegen der Stömung, die man als Aussenhautreibung bezeichnet.
Diese Zähigkeitsströmung wird experimentell an sogenannten äquivalenten Platten (gleiche Länge und Oberfläche wie der Unterwasserteil des Modells des Schiffes) von äquivalenter Rauhigkeit ermittelt.

Zähigkeitsbedingter Druckwiderstand:
Durch die Zähigkeit des Wasser entstehen Reibungskräfte. Diese Verlangsamen die Stömung zwischen Bug und Heck eine Schiffes. Dies führt dazu, dass die Höhe des Drucks am Bug höher ist als die Höhe des Drucks am Heck eine Schiffes. Diese Druckdifferenz, multipliziert mit der benetzten Oberfläche des Schiffes ist die Kraft des sogenannten zähigkeitsbedingten Druckwiderstands.
Ausser dieser Druckdifferenz durch Reibungsverluste tragen noch Energieverluste infolge von Ablösungen der Strömung zum zähigkeitsbedingten Druckwiderstand bei. Die Grössenordnung dieser Widerstandskomponenten liegt bei etwa 10% des gesamten Widerstands.

Weitere Widerstandsarten, auf die nicht eingegangen wird:

Verschiedene Wissenschaftler und Institute haben versucht Näherungsverfahren oder Statistischeverfahren zu entwickeln, um aus relativ wenigen Eingabe Parametern eine möglichst gute Vorhersage für RT zu erhalten. Einige möchte ich kurz erwähnen ohne sie zu charakterisieren:

Keine dieser Methoden kommt ohne die Rumpfformen bzw charakteristische Kennzahlen aus. Diese Kennzahlen oder Koeffizienten können wid folgt bestimmt werden:

Das Magazin “Seakayaker” (Webseite) hat in den 90er Jahren einen Artikel über seine Verfahren zur Beurteilung von Kajaks herausgebracht. In diesem Artikel wird auf drei verschiedene Berechnungsverfahren für R_T hingewiesen: