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Segel und Grenzschichttheorie von Prandtl

Um die Wirkungsweise des Segels zu verstehen, betrachten wir die Grenzschichttheorie von Prandtl. Sie bringt Theorie und Praxis in Einklang miteinander. Auch beim Segel existiert diese Grenzschicht eng am Segel und sorgt für Verwirbelungen am Segel. In der Theorie der reibungslosen Flüssigkeit ist paradoxerweise die Druckverteilung einer einen rotierenden Zylinder umströmenden Flüssigkeit symmetrisch zur vertikalen und horizontalen Achse. Das bedeutet, dass die Flüssigkeit auf den Zylinder keine Kraft ausübt.

Dieses Paradoxon äußerte sich darin, dass man Dinge beobachten aber nicht beweisen konnte, und dass man Dinge beweisen konnte, die man nicht beobachten konnte. Prandtl löste zu Begin des 20. Jahrhunderts diesen scheinbaren Widerspruch, indem er das Strömungsfeld um einen Körper in zwei Bereiche aufteilte. In dem Bereich, der eng an den Körper heranreicht, wird die Flüssigkeit im wesentlichen durch die Zähigkeit bestimmt. Man bezeichnet sie als Grenzschicht. Im zweiten Bereich, außerhalb der Grenzschicht, wird die Strömung im wesentlichen durch die Theorie der reibungslosen Flüssigkeit beschrieben. In ihr können die Zähigkeitseffekte vernachlässigt werden.

Wir betrachten wieder einen drehenden Zylinder in einer Parrallelströmung. Die Flüssigkeitsteilchen werden an der Zylinderwand abgebremst. Dadurch beginnen sich die Teilchen auf der Rückseite des drehenden Zylinders zu stauen, sie lösen sich vom Zylinder ab. Der Stau wiederum bewirkt ein dicker werden der Grenzschicht. Dadurch werden die Stromlinien gewaltsam von der Zylinderkontur abgedrängt.

Dies bezeichnet man als Ablösung der Strömung, die stromabwärts ein turbulentes Wirbelgebiet zur Folge hat.