Neulich wurde ich gefragt, warum Pumpfoil Flügel eigentlich so breit sind? Startet man von einem Steg oder Floss seitwärts, kann ein Flügel mit grösser Spannweite manchmal Mühe bereiten. Gerade wenn man keine Möglichkeit hat, die Flügelenden unter dem Steg oder Floss zu positionieren, ist beim seitwärts Anschieben ein grosser und mutiger Sprung notwendig sein, was gerade Anfänger manchmal ein wenig Überwindung kostet.
Um der Sache auf den Grund zu gehen, weshalb viele Hersteller Flügel mit grössere Spannweite – so genannte „High-Aspect Ratio Foils“ – herstellen, müssen wir einen Abstecher in die Fluiddynamik machen.
Auftrieb- und Widerstandskraft
Zuallererst hat der Frontwing die Aufgabe Auftrieb zu erzeugen (siehe auch Wie funktioniert ein Hydrofoil). Der Auftrieb ist hierbei eine Funktion der Form des Flügels sowie der Geschwindigkeit, mit der sich der Flügel durch das Wasser bewegt. Der Pumpfoiler muss dabei für den Antrieb, respektive die notwendige Geschwindigkeit sorgen. Die Kraft, welche dabei gegen den Vortrieb wirkt, ist der Widerstand des Flügels im Wasser.
Abbildung 1: Vortriebs- und Widerstandskraft
Das heisst, je mehr Widerstand desto mehr Energie muss der Pumpfoiler beim Pumpen aufbringen. Im Umkehrschluss kann man daher sagen, dass je weniger Widerstand ein Flügel hat, desto weniger Kraft braucht der Pumpfoiler und kann somit längere Strecken pumpen. Was hat dies nun aber mit dem Seitenverhältnis, der Aspect Ratio, zu tun?
Seitenverhältnis / Aspect Ratio
Das Seitenverhältnis (auch Flügelstreckung genannt) ist das Verhältnis zwischen der Spannweite und der Sehnenlänge des Flügels. Die Flügelspannweite ist dabei die Distanz zwischen den äusseren Flügelenden. Die Sehnenlänge ist der Abstand zwischen der Vorder- und der Hinterkante des Flügels. Das Seitenverhältnis (Aspect Ratio) berechnet sich dann durch Division des Quadrats der Spannweite durch die Referenzflügelfläche (siehe auch Dimensionen eines Hydrofoils).
Das Seitenverhältnis ist aber nicht nur eine Zahl, sondern hat einen Einfluss auf den Widerstand, um präziser zu sein, auf den induzierten Widerstand des Foils. Hierbei können wir festhalten, dass das Verhältnis der Auftriebskraft zur Widerstandskraft grösser wird, je grösser das Seitenverhältnis, also die Aspect-Ratio ist. Der Grund hierfür sind die Wirbelschleppen, welche sich am Rand des Flügels bilden.
Wirbelschleppen
Wirbelschleppen entstehen hauptsächlich am Flügelende auf Grund der grossen Druckunterschiede zwischen der Oberseite und Unterseite des Flügels. Durch den Druckunterschied kommt es zu einer seitlichen Luftströmung, welche sich zu spiralförmigen gegenläufigen Wirbeln entwickelt.
Abbildung 2: Wirbelschleppen
Flügel mit grossem Seitenverhältnis haben dabei den Vorteil, dass die Flügelenden weniger Fläche besitzen und dadurch entsteht dort weniger wirbelbedingter Abwärtsstrom (Wirbelschleppen) – und damit deutlich weniger induzierter Widerstand.
Wie weiter oben erwähnt, hat der Flügel die Hauptaufgabe, Auftrieb zu erzeugen. Die erzeugte Auftriebskraft ist abhängig von der Geschwindigkeit des Flügels, der Dichte vom Wasser, der Fläche des Flügels sowie dem Auftriebskoeffizienten. Der Auftriebskoeffizient ist dabei abhängig von der Form des Flügels und somit unterschiedlich je nach Flügelform.
Vereinfacht man das Model und betrachtet die Geschwindigkeit, Dichte des Wassers sowie den Auftriebskoeffizienten als konstant, ist der Auftrieb nur noch abhängig von der Fläche. Die gleiche Fläche kann man dabei durch unterschiedliche Flügelformen erreichen, also entweder eher schmal und dafür mit einer längeren Sehnenlänge, oder eben mit eineren grösseren Spannweite und dafür kürzeren Sehnenlänge, also mit grösserem Seitenverhältnis.
Folgerung
Um den induzierten Widerstand, welcher bei der Entstehung der Wirbelschleppen verursacht wird, zu reduzieren, entwickelt man daher Flügel mit kürzerer Sehnenlänge, mit der Konsequenz, dass die Flügel eine grössere Spannweite benötigen, um die für den Auftrieb notwendige Fläche zu erreichen.
Der reduzierte induzierte Widerstand ist jedoch nur eine Komponente. So haben Flügel mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen unterschiedliche Vor- und Nachteile. Hig Aspect Ratio Flügel kennzeichnen sich unter anderem durch die folgenden Charakteristiken aus:
- Weniger Widerstand: Effizienter beim Pumpen und ermöglicht längere Gleitphasen
- Grösserer Geschwindigkeitsbereich
- Mehr Stabilität: Durch die grössere Spannweite entsteht mehr Stabilität um die Rollachse
- Langsamere Beschleunigung und höhere Strömungsabrissgeschwindigkeit
- Weniger Agilität
Beispiel aus der Praxis
Wie erwähnt benötigt man bei Flügeln mit grossem Seitenverhätnis weniger Energie um den Flügel vorwärts zu pumpen. Dies ist gerade für Foiler, die gerne lange Strecken pumpen, von Vorteil ist. Das dies nicht nur Theorie ist, zeigt sich auch derzeitigen Rekorde für Ausdauerpumpfoilen. Bei Erstellung dieses Berichts lag der Ausdauer Rekord bei 4 Stunden mit einer zurückgelegten Distanz von 54.8 km. Der verwendet Flügel Indiana Condor XL hat eine Aspect Ratio von 12, dies bei einer Spannweite von 1696 mm.
Winglets
Vollständigkeitshalber soll hier auch noch erwähnt werden, dass die Anpassung des Seitenverhältnisses nicht die einzige Möglichkeit ist, der induzierten Widerstand, der durch die Entstehung der Wirbelschleppen entsteht, zu reduzieren. So können zum Beispiel auch sogenannte Winglets oder Sharklets, wie man sie häufig an Flugzeugflügeln findet, die Entstehung von Wirbelschleppen reduzieren. Sie wirken wie eine Barriere, die verhindert, dass Luft aus dem Hochdruckbereich unter dem Flügel über die Spitze in den Niederdruckbereich darüber aufsteigt. Im Foilingbereich sieht man dies eher weniger. Es gibt aber Hersteller, die auch solche Flügel zumindest zeitweilig im Angebot hatten. So hatte beispielsweise Indiana einen Einsteigerflügel fürs Pump- und Wingfoilen, das Model 1100P, welcher über Winglets verfügte.
Abbildung 3: Indiana 1100P Complete Setup
Natürlich gibt es noch ganz viele andere Kriterien, welche bei der Entwicklung eines Flügels eine Rolle spielen. Auf diese werden wir hier aber nicht weiter im Detail eingehen.
Wir hoffen, dass wir mit dieser Übersicht ein wenig mehr Klarheit schaffen konnten, weshalb High Aspect Ratio Flügel im Pumpfoilbereich öfter anzutreffen sind und für Pumpfoiler, welche ein Foil mit guten Gleiteigenschaften bevorzugen, eine gute Wahl sind. Egal ob mit High Aspect Ratio Foil oder einem anderen Modell wünschen wir Euch allzeit gutes Pumpen!