Widerstand
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Widerstände
Widerstände im Ruderboot
Es gibt 3 Arten von relevanten Widerständen beim Ruderboot
- Stampfen
- Stampfen ist das Auf- und Ab-bewegen des Rumpfes im Wasser. Dabei wird analog des Formwiderstandes Wasser verdrängt. Dieser Widerstand lässt sich - wenn man es richtig macht - auf bis zu 4% des Gesamtwiderstandes verringern - kann aber je nach "`Technik"' deutlich mehr ausmachen!
- Formwiderstand
- Der Formwiderstand entsteht, wenn sich ein Gegenstand durch ein Medium bewegt, und dabei das Medium aus dem Weg räumen muss. Er ist Abhängig von der Form des Gegenstandes, insbesondere des Buges.
- Ein Boot verdrängt pro Schlag bis zu einer Tonne Wasser. Trotzdem macht der Formwiderstand nur 8% des Gesamtwiderstandes aus.
- Reibungswiderstand
- Am Bootsrumpf haftet eine Schicht von Wasser (Adhäsion). Man kann sich vorstellen, dass an dieser Schicht viele weitere Schichten Wasser haften und mit abfallender Geschwindigkeit vorbeibewegen. Man hat es also mit Reibung Wasser-Wasser zu tun, welche glücklicher Weise - relativ - klein ist.
- Auf den Reibungswiderstand gehen 88% des Gesamtwiderstandes.
Dazu kommt noch ein weniger relevanter Widerstand:
- Luftwiderstand
- Beim Ruderboot ist dieser Widerstand relativ zu den anderen Widerständen bei Windstille vernachlässigbar, bei starkem Wind - entgegen der Wahrnehmung des Ruderers - noch immer unter 12\%.
Geschwindigkeit
Zusammenhang von Widerstand und Geschwindigkeit
Der Widerstand R steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit v. Die benötigte Leistung p, um den Widerstand R mittels der Kraft F (= R) zu überwinden, sogar mit der 3-Potenz der Geschwindigkeit:
R = k * v2 <=> p = F * v = k * v3
Die Konstante k ist von Bootsform, Bootsoberfläche, Tauchtiefe, Riß sowie Wassertemperatur (über die Viskosität des Wassers) und Wassertiefe ("kleben") abhängig.
In folgender Abbildung ist der Zusammenhang einmal dargestellt.
Das ist ein sehr einfaches Modell, aber zeigt sehr deutlich wie die Zusammenhänge sind. Man sieht dass die benötigte Leistung immer mehr und steiler ansteigt, um das 5fache zwischen 3 m/s (gemütliches Rudern) und 5.5 m/s (Weltniveau).
Um die Bedeutung der Zusammenhänge zu verdeutlichen ein paar Beispiele:
- Ein Boot was seine Geschwindigkeit verdoppelt, hat einen 4-fachen Widerstand zu überwinden.
- eine Mannschaft, die ihren Widerstand um 29% verringert, wird mit der gleichen Arbeit doppelt so schnell sein.
- Um die Bootsgeschwindigkeit zu verdoppeln, brauche ich die 8-fache Leistung!
- Eine Mannschaft, die doppelt so viel leistet wie eine andere, wird nur 26% schneller sein.
Wollen wir unser Boot durch Leistungsteigerung um 1% schneller machen, müssen wir über 3% mehr leisten, bei 3% sogar 9.2%. Was das bedeutet merkt man, wenn man seine mühsam erkämpfte Ergo-Bestzeit um noch einmal 3 % verbessern will.
Wenn ich meinen Widerstand um 1% verringere, werde ich um 2% schneller. Bei 3% weniger Widerstand sind es schon 6%. Das sind für einen Ruderer der 200W zieht (ca. 2min/500m) schlappe 30s weniger Zeit auf der 2000m-Regatta!
Viel effizienter ist es also, den Widerstand zu verringern!
Rumpfgeschwindigkeit
Neben der Kraft an den Dollen, die das Boot während des Durchzuges beschleunigt, wirkt noch der Druck am Stemmbrett (quasi die Rollbewegung der Mannschaft) auf den Bootsrumpf ein. Diese Beschleunigung ist der Beschleunigung des Durchzuges entgegengerichtet und mindert die Geschwindigkeit des Rumpfes.
Während der Vorrolle bremst der Widerstand das Boot ab, aber der Zug der Mannschaft am Stemmbrett, mit der sich die Mannschaft ins Heck bewegt, wirkt ebenso auf das Boot ein und bescheunigt es weiter.
Das bedeutet: Die Ruderer bewegen das Boot während der Ruderbewegung vor und zurück, das Boot fährt nicht gleichmäßig!
Ein Boot (inklusive Steuermann) wiegt zwischen 5% (8+) und 50% (2+) seiner Insassen. Das Boot ist also viel leichter als die Mannschaft. Relativ gesehen bewegt sich nicht die Mannschaft im Boot vor und zurück, sondern das Boot unter sich unter der konstant sich vorwärstbewegenden Mannschaft hindurch.
Beiden Faktoren zusammen bewirken, das der Rumpf im mittleren Drittel des Vorrollens am schnellsten ist:
Auswirkung der schwankenden Rumpfgeschwindigkeit
Ein Rumpf, der zwischen mehreren Geschwindigkeiten schwankt, hat wegen des quadratischen Anstieges des Widerstandes viel mehr Energiebedarf als ein Rumpf, der sich gleichmäßig bewegt. Man kann dies näherungsweise ausrechnen. Für ein Boot mit einer sinusähnlichen Geschwindigkeitskurve zwischen 2 und 4 m/s verglichen mit einem Boot mit konstanter Geschwindigkeit bei gleichem Durchschnittstempo ergibt sich, dass die aufzubringende Leistung bei letzterem um 25% geringer ist.
Damit ist man ca. 7% schneller, z.B. hätte das gleichmäßig fahrende Boot in diesem Beispiel die 2000m nach 9'23 statt 10'06 min hinter sich!
Das Problem mit der schwankenden Rumpfgeschwindigkeit lässt sich mit guter Technik nicht lösen. Es ist aber technisch sehr einfach dies zu umgehen, wenn man statt dessen Rollauslegerboote verwendet, die aber leider verboten sind.
Stabilität durch Formwiderstand
Im Ruderboot liegt der Schwerpunkt deutlich höher als der Auftriebspunkt. Es handelt sich also um ein labiles Gleichgewicht. Ein Boot ist nur dann (und wirklich nur dann) nicht bestrebt umzukippen, wenn der Auftriebspunkt senkrecht unter dem Schwerpunkt liegt - das Boot also gerade steht.
Der Formwiderstand eines Bootes ist auch von seiner Lage im Wasser abhängig. Ein schief liegendes Boot hat auf der einen Seite einen höheren Formwiderstand als auf der anderen, dadurch entsteht ein aufrichtendes Moment, das umso stärker ist, je schneller das Boot ist. Darum wird das "`fliegen"' auch mit abnehmender Bootsgeschwindigkeit immer schwieriger, und ein Rennboot steht umso besser, je schneller man fährt. Nachteil ist, wenn es schief hängt, bremst es auch mehr.
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