Was ist “Shimming” und wie wird es angewendet?

Wenn man mit dem Pumpfoilen startet, benutzt man meist einfach den Pumpfoilsetup, welchen einem die Schule, wo man den Pumpfoilkurs besucht oder aber wenn man die ersten Versuche mit Freunden macht, einfach deren Equipment. Sobald man sich aber intensiver mit dem Pumpfoilen beschäftigt, wird man sich mehr mit den Details der Ausrüstung befassen und auch eines Tages mit dem Begriff „Shim“ oder „Shimming“ konfrontiert werden.

In diesem Artikel befassen wir uns mit dem Thema “Shimming” und erklären, was Shimming ist und wie es funktioniert.

Dieser Artikel ist auch als Video (nur in Englisch) verfügbar.

Um „Shimming“ im Zusammenhang mit dem Folieren erklären zu können, müssen wir einen kleinen Abstecher zu den Auftriebskräften, welche beim Foilen wirken, machen. Daher befassen wir uns in diesem Artikel mit einer kurzen Zusammenfassung der Auftriebskraft, erklären dann den Einfluss des Anstellwinkels und schauen uns dann verschiedene Setups/Montagen des Backwings an. Mit Hilfe dieser Informationen erläutern wir dann die Wirkung eines Shims und was negative und positive Shims bedeuten.

Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis

Durch das Hinzufügen eines “Shims” (auf Deutsch “Keil”) kann man den Anstellwinkel des Backwings und dadurch die vom Backwing erzeugte Auftriebskraft anpassen; sogenanntes Shimming. Damit lässt sich das Pitch-Moment des Foils beeinflussen, welches Einfluss auf das Gleiten, die Stabilität und die Agilität in den Kurven hat.

Abhängig vom Foilsetup muss darauf geachtet werden, den richtigen Shim (entweder negativen oder positiven Shim) zu wählen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Inhalt des Artikels:

1. Auftriebskraft eines Hydrofoils

2. Funktion des Backwings

3. “Shimming” – Anpassen des Anstellwinkels

4. Wirkung von negativen und positiven Shims

5. Schlussfolgerungen

Auftriebskraft eines Hydrofoils

Diejenigen von Euch, welche bereits den Artikel “Wie funktioniert ein Hydrofoil” gelesen haben, sollten mit den Grundprinzipien der Auftriebskraft eines Flügels vertraut sein.

Abbildung 1 – Hauptkräfte, welche auf einen Flügel wirken

Um das Prinzip des Shimmings zu erklären, konzentrieren wir uns auf die Auftriebskraft. Die Auftriebskraft ist die Kraft, die das Foil anhebt bzw. der Gewichtskraft entgegenwirkt, die sich aus dem Gewicht des Fahrers sowie dem Gewicht des Foil-Aufbaus (Board, Mast, Rumpf, Frontwing, Backwing) zusammensetzt. Dabei lässt sich die Auftriebskraft nach folgender Formel berechnen:

Wie wir der Berechnungsformel entnehmen können, hängt die Auftriebskraft von der Dichte des Wassers, der Geschwindigkeit der Foils gegenüber dem Wasser, der Fläche des Flügels und dem sogenannten Auftriebskoeffizienten ab. Anhand der Variablen in der Formel sehen wir, dass der Auftrieb zunimmt, desto…

• grösser die Dichte des Wassers ist
• grösser die Gewschindigkeit ist
• grösser die Fläche des Flügels ist
• grösser der Auftriebskoeffizient ist

Solange du die gleiche Ausrüstung verwendest und im gleichen Gewässer foilst, hast du die gleiche Fläche des Flügels, mehr oder weniger die gleiche Dichte des Wassers und, wenn Du den gleichen Pumpfoilstil beibehältst, auch die gleiche Geschwindigkeit. Daher betrachten wir im Folgenden nur den Auftriebskoeffizienten und wie sich dieser verändern lässt.

Der Auftriebskoeffizient hängt von der Geometrie der Foils und dem Winkel ab, in dem das Wasser auf den Flügel trifft. Der Winkel, in dem das Wasser auf den Flügel trifft, wird auch „Anstellwinkel“ genannt.

Abbildung 2 – Anstellwinkel / Angle of Attack

Vereinfacht lässt sich sagen, dass der Auftriebskoeffizient umso größer ist, je größer der Anstellwinkel Alpha wird. Nun, das stimmt nicht ganz, denn sobald wir einen bestimmten (kritischen) Anstellwinkel erreichen, ändert sich das Strömungsverhalten schlagartig.

Wenn wir den Anstellwinkel gegen den Auftriebskoeffizienten bei einer festen Geschwindigkeit auftragen, können wir erkennen, dass ab einem bestimmten Winkel der Winkel zu gross wird, was zu einem Strömungsabriss führt.

Abbildung 3 – Aufriebskoeffizient in Abhängigkeit vom Anstellwinkel

Um das Prinzip des Shimmings zu erklären, gehen wir nicht näher darauf ein, wann genau der Anstellwinkel zu groß wird und zu einem Strömungsabriss führt. Wir müssen jedoch verstehen, dass der Anstellwinkel einen Einfluss auf die Auftriebskraft hat, wenn es um Shimming geht. Der Grund dafür ist – und darauf werden wir später genauer eingehen –, dass man durch das Hinzufügen eines Shims den Anstellwinkel und damit auch die Auftriebskraft verändert.

Funktion des Backwings

Shimming kann man sowohl am Front- als auch Backwing anwenden. In den meisten Fällen wird Shimming aber am Backwing angewendet. Deshalb werde ich mich in den kommenden Erläuterungen auf den Backwing konzentrieren.

Wie die meisten wissen, hat der Backwing verschiedene Funktionen. Es sorgt für Stabilität – und wird daher auch oft als „Stabilisator“ bezeichnet – sorgt für mehr Kontrolle, wirkt dem Auftrieb des Frontflügels entgegen und dämpft außerdem das Nickmoment der Foils.

Abbildung 5 – Pitch direction / Nick-Rotation

“Shimming” – Verändern des Anstellwinkels

Wenn wir uns die Hauptkräfte ansehen, die im Pumpfoil-Setup wirken, wissen wir, dass …

• Der Frontflügel eine nach oben gerichtete Kraft, die Auftriebskraft, erzeugt
• Der Heckflügel eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt
• Der Pumfpoiler eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt (Gewichtskraft)

Abbildung 6 – Kräfte im Pumpfoil Setup

Im Artikel „Position beim Pumpfoilen – Warum es genug Vorlage braucht“ finden Ihr eine ausführliche Erklärung zu den Kräften und Momenten, die beim Pumpfoilen wirken. Von dort wissen wir, dass der Impulssatz sowie die Summe der Kräfte auch fürs Pumpfoiling gelten.

Was passiert nun aber beim Shimming?

Durch das Einfügen eine Shims zwischen Fuselage und Backwing verändern wir den Anstellwinkel des Backwings und damit den Abtrieb, welcher der Backwing erzeugt. Durch die Änderung der Kraft des Rückflügels verändert sich der resultierende Impuls entlang der Nickachse, was zu einem anderen Verhalten des Gesamtaufbaus führt.

Abbildung 7 – Momentensatz

Sucht man im Internet nach Shimming wird man früher oder später mit der Tatsache konfrontiert, dass es unterschiedliche Arten gibt, wie der Backwing mit der Fuselage verbunden ist. Obwohl sie alle ähnlich aussehen, gibt es einige Besonderheiten. Für uns ist im Zusammenhang mit Shimming relevant, wie und wo der Backwing mit der Fuselage verbunden ist. Bei einigen Aufbauten ist der Backwing oberhalb der Fuselage montiert, bei anderen unterhalb. Einige Setups verwenden auch einen sogenannten “Winkeladapter” (angle adaptor) zwischen Fuselage und Backwing.

Variante 1

• Backwing ist oberhalb der Fuselage angebracht
• Backwing ist mit Hilfe eines Angle Adaptors mit der Fuselage verbunden

Variante 2

• Backwing ist unterhalb der Fuselage angebracht
• Backwing ist mit Hilfe eines Angle Adaptors mit der Fuselage verbunden

Variante 3

• Backwing ist unterhalb der Fuselage angebracht
• Backwing ist direkt (ohne Angle Adaptor) mit der Fuselage verbunden

Beim Shimming muss darauf geachtet werden, wie der Setup aufgebaut ist. Nur so kann sichergestellt werden, dass der korrekte Shim für die beabsichtigte Korrektur verwendet wird.

Ein Shim ist im Grunde ein Keil, den man zwischen Rumpf und Tragfläche einfügt. Das heisst der Backwing muss abgeschraubt, der Shim eingesetzt und dann der Backwing wieder angeschraubt werden.

Abbildung 8 – Einfügen eines Shims zwischen Backwing und Fuselage

Aufgrund der Form des Shims – zu beachten ist, dass es positive und negative Shims gibt, darauf gehen wir später noch ein – ändert sich der Winkel, in dem der Flügel mit der Fuselage verbunden wird. In diesem Beispiel verwenden wir einen negativen Shim und wie man sehen kann, zeigt die Flügelhinterkante mit dem Shim weiter nach oben.

Abbildung 9 – Die gelbe Position des Flügels zeigt die Position ohne Shim im Vergleich zur Position mit Shim

Wenn wir das nun wieder in die Formel der Kräfte und Momente einsetzen, so wird der Effekt des Shims (Shimming) ersichtlich. Durch das Hinzufügen des Shims hat sich der Anstellwinkel des Backwings vergrössert. Dies führt zu einer größeren Kraft, die durch den Backwing erzeugt wird und führt damit auch zu einem größeren Moment, welches durch den Backwing erzeugt wird. Aufgrund dieser Änderung verspürt der Pumpfoiler mehr Auftrieb im vorderen Bereiche des Boards.

Figure 10 – Change in the momentum due to the change in the angle of attack of the backwing

Es eigt sich, dass das Einsetzen eines Shims einen Einfluss auf das Gesamtsystem hat. Je nachdem, in welche Richtung man den Setup trimmen möchten, kann ein negativer oder positiver Shim mit unterschiedlichen Winkeln verwendet werden.

Effekt von negativen und positiven Shims

Um den Einfluss von positiven und negativen Shims besser zu verstehen, habe ich nachfolgend eine kleine Übersichtstabelle erstellt.

Tabelle 1 – Übersicht Auswirkung positiver und negativer Shims

Wie bereits erwähnt muss zuerst unterschieden werden, ob der Backwing unter- oder oberhalb der Fuselage befestigt ist. Die Unterscheidung ist wichtig um festzustellen, ob ein positiver oder negativer Shim benötigt wird. Verschiebt man die Hinterkante des Backwings weiter nach oben, so führt dies zu:

• mehr Widerstand
• mehr Auftrieb
• mehr Stabilität in der Nickachse (Pitch)
• mehr Widerstand beim Gleiten
• weniger Agilität im Kurvenverhalten

Falls der Backwing oberhalb der Fuselage befestigt ist, so wird dazu ein positiver Shim benötigt, falls der Backwing unterhalb der Fuselage befestigt ist, wird ein negativer Shim benötigt.

Verschiebt man die Hinterkante des Backwings weiter nach unten, so reslutiert dies in:

• mehr Widerstand
  mehr Auftrieb
• weniger Stabilität in der Nickachse (Pitch)
• besseres Gleiten
• mehr Agilität im Kurvenverhalten

Auch hier muss dann entsprechend der Montage des Backwings ein positiver oder negativer Shim verwendet werden.

Zu beachten ist hier, dass es sich bei Tabelle 1 nur um eine schematische Darstellung handelt, um die Wirkrichtung der Shims zu illustrieren. Nicht alle Setups haben in der sogenannten neutralen Konfiguration (ohne Verwendung eines Shims) den gleichen Winkel. Dies kann je nach Hersteller variieren. Mit Hilfe eines Shims wird nur eine Korrektur mit dem Shimwinkel von der neutralen Stellund erzeugt. Das heisst der Shimwinkel entspricht nicht dem Gesamtanstellwinkel.

Wie bereits erwähnt verwenden einige Hersteller auch sogenannte Winkeladapter (angle adaptors). Auch bei solchen Setups kann mit einem Shim eine zusätzliche Korrektur erreicht werden. Allerdings bieten viele Hersteller, welche mit Winkeladaptern arbeiten, diese in unterschiedlichen Grössen an, so dass man oft auch einfach den Winkeladapter austauschen kann. 

Schlussfolgerungen

Durch das Hinzufügen eines “Shims” (auf Deutsch “Keil”) kann man den Anstellwinkel des Backwings und dadurch die vom Backwing erzeugte Auftriebskraft anpassen – sogenanntes Shimming. Damit lässt sich das Pitch-Moment des Foils beeinflussen, welches Einfluss auf das Gleiten, die Stabilität und die Agilität in den Kurven hat.

Abhängig vom Foilsetup muss darauf geachtet werden, den richtigen Shim (entweder negativen oder positiven Shim) zu verwenden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Einige Hersteller bieten auch Winkeladapter (angle adaptors) mit unterschiedlichen Winkeln an, was dem Shimming entspricht.