Die Messung der Kräfte am Schotenblock

 

Physik  |  Technik

 

Felix Guardiola, 2004 | Meggen, LU

 

Diese Arbeit befasst sich mit der Übertragung der Windkraft auf das Segelboot an einem Bestimmten Punkt nähmlich dem Schotenblock. Dabei wird ein Messgerät eingesetzt welches die dortige Kraft misst. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Korrelation dieser Kraft und der Bootsgeschwindigkeit zu finden. Um ein Hilfsmittel für die Segler zu bauen. Diese Arbeit wurde in drei Kapitel unterteilt.

Fragestellung

Ist die Segelbootsgeschwindigkeit proportional zur Zugkraft am Schotenblock?

Methodik

(I) Physik des Segelns: Ziel dieses Kapitel ist es zu klären, wieso und wie die Kraft auf den Schotenblock wirkt. Mithilfe des Buches «Physik des Segelns» von Wolfgang Püschl soll diese Frage beantwortet werden. (II) Bau des Zug-Sensors: Dieses Kapitel dokumentiert den Bau eines Gerätes, welches den Betrag dieser Kraft auf das Segelboot misst. Dieser Bau des Zug-Sensor wurde mithilfe eines YouTube Tutorials von Indrek unterstützt. (III) Experimente: Dieses Kapitel befasst sich mit den Experimenten auf dem Wasser und der Frage, ob die Zugkraft auf den Schotenblock mit der Segelbootsgeschwindigkeit korreliert.

Ergebnisse

(I) Physik des Segelns: Stark vereinfacht zieht oder schiebt der Wind das Segelboot durch das Wasser. Der Schotenblock ist ein Bauteil eines Segelbootes, welches diese Kraft an den Rumpf weiterleitet. An diesem Punkt lässt sich ein Kraftmessgerät einbauen, ohne dass in die Grundstruktur des Segelbootes eingegriffen wird. (II) Bau des Kraft Messgeräts:
Das Kraftmessgerät wurde mithilfe von zwei YouTube Tutorials gebaut, wobei diverse technische Hürden überwunden werden mussten. Jedoch erfüllt das Kraft Messgerät alle Anforderungen und es verfügt lediglich über einen relativen Fehlerbereich von 0.1%. Die Messwerte können sogar in Echtzeit in einem Diagramm dargestellt werden. (III) Experimente: Mithilfe weiterer kleinerer Messgeräte konnten Experimente auf dem Wasser durchgeführt werden. Zum Beispiel wurde der Kurs des Segelbootes verändert. Und mithilfe des Kraft Messgerätes konnte der beste Kurs ermittelt werden, der beste Kurs ist derjenige, bei dem am meisten Windkraft eingefangen werden konnte. Bei diesen Experimenten gab es signifikante Unterschiede in den Messwerten. Allerdings korrelierte die Bootsgeschwindigkeit nicht mit der Kraft auf den Sensor. Dies könnte mehrere Fehlerquellen haben, oder die vermutete Korrelation ist nicht wahr. Diese Fehlerquellen könnten behoben werden durch weitere Messgeräte, welche die Daten alle gleichzeitig aufzeichnen, sodass keine zeitlichen Unterschiede in der Abnahme der Messwerte entstehen.

Diskussion

(I) Physik des Segelns: Dieses Kapitel war keine Forschung im klassischen Sinne. Sondern eine Zusammentragung der wichtigsten Aspekte des Buches Physik des Segelns, um die Frage nach dem «Wie» und «Wieso» zu beantworten. Jedoch wurden einige Prinzipien deutlich vereinfacht und auf das Minimum reduziert. Zum Beispiel die Entstehung des Windes oder der Zirkulation um den Flügel. (II) Bau des Kraft Mesgeräts: Dieses Gerät, welches aus eigener Produktion stammte, konnte passend auf die Aufgabe, die es auf dem Segelboot erfüllen musste, angepasst werden. Es konnte überraschend präzise Resultate liefern. Dies sehe ich als Bestätigung des Planes an, welcher zu Beginn des Arbeitens aufgestellt wurde. (III) Experimente: Die Versuchsanordnung hatte aus wissenschaftlicher Sicht drei grosse Mängel: Erstens war die Messung der Geschwindigkeit und der Richtung des Scheinbaren Winds äusserst unpräzise. Denn das Anemometer, welches den Betrag des Winds misst, war auf dem Rumpf des Segelboots positioniert. Was bedeutet das es den Wind direkt über dem Wasser gemessen hat, was wiederum sehr ungenau ist.
Zweitens wurde das ganze System, damit ist der Zug-Sensor gemeint, nicht bei starkem Wind überprüft. Aufgrund des Zeitpunktes dieser Arbeit mussten die Messungen im März und Februar im Küssnachtersee gemacht werden. Drittens konnten die Messwerte nicht zum gleichen Zeitpunkt abgelesen werden. Vom Beginn bis zum Ende des Ablesens und Aufschreiben aller Daten vergingen circa 60 Sekunden. Da sich das Segelboot in der Natur aufgehalten hat, war der Wind nicht konstant, was bedeutet, dass sich alle Messgrössen ausser dem Kurs des Bootes in diesen 60 Sekunden verändert hat. Der Wind war keine konstante Grösse wie dies in der Theorie vereinfacht angenommen wird.

Schlussfolgerungen

Die Bootsgeschwindigkeit korreliert nicht mit dem Betrag der Zugkraft am Schotenblock. Was die Grundlage für eine Weiterentwicklung dieser Arbeit bietet, um den Anteil der Kraft in Bewegungsrichtung am Schotenblock zu ermitteln. Um damit ein brauchbares Hilfmittel für die Segler zu bauen.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Hanspeter Keel

Herr Felix Guardiola hat sich vertieft mit der Frage von wirkenden Kräft an einem Segelboot beschäftigt. Ziel dabei ist es mit einem Anzeigesystem die beste Segelstellung zu erkennen und eine höhere Geschwindigkeit zu erzielen. Um diese Zielsetzung zu erreichen hat er ein eigenes Messsystem gebaut und hat verschiedene Einstellungen am Boot gemessen. Diese Messungen bei einem segelenden Boot mit eigener Entwickung durchzuführen war ein grosse Herausforderung. Er hat diese Erkenntnisse sauber dokumentiert und beschrieben. Dazu hat er auch Überlegungen für eine Weiterentwicklung angestellt.

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Gymnasium Immensee
Lehrer: Christoph Murer