Spantformen

Der Einfluss der Spantformen auf die hydrodynamischen Eigenschaften des Rumpfes ist von besonders großer Bedeutung. Dies vor allen Dingen seitdem man Rumpf und Kiel, wie bei den heute üblichen Flossenkielern, als zwei getrennte Systeme auffassen kann. die wichtigsten zur Anwendung kommenden Spantformen sind:

• Radial - (Rund-)Spant
• U - Spant
• V - Spant
• Trapezspant

In den meisten Fällen benutzt man eine Kombination der verschiedenen Spantformen, trotzdem möchte ich zunächst zur Verdeutlichung die Eigenschaften der einzelnen Spantformen getrennt betrachten.

Radial-Spant
Der Radial - oder auch Rundspant hat die geringste mögliche benetzte Oberfläche. Da dies besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten von Vorteil ist, hat diese Spant- form gerade hier ihre Stärken. Der entscheidende Nachteil liegt jedoch, wie schon früher gezeigt, in der nicht vorhandenen Formstabilität, deshalb wird der Radial-Spant meistens mit einem U-Spant kombiniert. Bei konsequenter Anwendung des Radial-Spantes im Heckbereich führt dies dort zu stark einfallenden Wasserlinien. Es ergibt sich vor allen Dingen bei höheren Geschwindigkeiten eine starke Widerstandserhöhung durch Strömungsablösung (> Druckwiderstand). Bei Modellsegelbooten ist der Einsatz von Radial-Spanten lediglich unterhalb der Wasserlinie im Vorschiffsbereich sinnvoll, und zwar um eine größere Wendigkeit zu erzielen.

V-Spanten
Beim V-Spant ist diese gerade erwähnte gute Wendigkeit, vor allen Dingen bei Anwendung im Vorschiff, nicht vorhanden. Dies insbesondere auf Grund des bei gleicher Verdrängung notwendigen größeren Tiefgangs. Bei jeder Drehbewegung hat der V-Spant sozusagen gegen eine größere „Wasserwand" anzuarbeiten, als dies bei einem Radial- oder U-Spant der Fall wäre. Außerdem kommt es in der Wende zu Strömungsablösung am Knick des V-Spantes durch die dort vorhandenen großen Beschleunigungskräfte. Strömungsablösung bedeutet aber wieder Erhöhung des Widerstandes, letztlich wendet ein Schiff mit V-Spanten im Vorschiff also langsamer. Zu den gleichen Ablösungserscheinungen könnte es auch bei Anwendung im Heckbereich kommen, verursacht durch Wasser, welches zwischen Flosse und Ruder hindurchfließt.

Der entscheidende Nachteil des V-Spantes liegt jedoch in der gegenüber anderen Spantformen stärker ausgeprägten Luvgierigkeit. Wie im Kapitel über den Verdrängungsschwerpunkt ausgeführt, taucht das Vorschiff bei Krängung je nach Rumpfkonstruktion mehr oder weniger stark ein, woraus sich eine Verlagerung des Gesamtlateraldruckpunktes nach vorne ergibt. der Abstand Segeldruckpunkt-Lateraldruckpunkt sich also verkürzt und das Schiff luvgierig wird. Beim Eintauchen des Vorschiffs baut nun der V-Spant eine größere Seitenkraft auf bzw. verschiebt den Lateraldruckpunkt weiter nach vorne, als dies bei einem Radial- oder U-Spant der Fall wäre.

Der einzige Vorteil von V-Spanten liegt in einem weicheren Einsetzen des Vorschiffs in die Wellen. Da Modellsegelboote jedoch meistens auf Revieren mit im Vergleich zur Schiffslänge recht kurzen Wellenlängen segeln, kommt es kaum zu nennenswerten Stampfbewegungen, dies sind Drehbewegungen um die Schiffsquerachse. Im übrigen gibt es auf Modellsegelbooten ja auch kaum jemanden, der harte Stampfbewegungen als unangenehm empfinden könnte. Aus all diesen Gründen ergibt sich, dass der V-Spant bei modernen Regattajachten wenig zu suchen hat.

U-Spant
Wie schon im Kapitel Stabilität und Breite gezeigt, ist der Einfluss der Spantform auf die Stabilität nicht gerade unerheblich und gerade in diesem Punkt ist der U-Spant allen anderen Spantformen gegenüber im Vorteil. Dabei erreicht der U-Spant die größte Formstabilität in der Verbindung von großer Breite mit geringem Tiefgang. Zu große Breite eines U-Spantes, gerade im Bereich des Hecks, führt aber zu einer ausgeprägten Luvgierigkeit und sollte deshalb vermieden werden (siehe Kapitel Verdrängungsschwerpunkt). Ein flacher, relativ schmaler U-Spant als Heckspant ist jedoch bezüglich der erwünschten guten Raumwind- und Gleiteigenschaften unumgänglich. Der U- Spant ermöglicht weiterhin die Konstruktion eines breiten Abrisshecks, welches zur Verminderung des Druckwiderstandes beiträgt. Man sieht. dass gerade im Heckbereich die optimale Konstruktion nur durch einen gelungenen Kompromiss zu finden ist.

Für das Vorschiff ist der U-Spant in Kombination mit dem Radial-Spant uneingeschränkt zu empfehlen. Dies auf Grund der schon erwähnten guten Wendigkeit, sowie der Möglichkeit, schon im Vorschiff relativ viel Verdrängung bei geringem Tiefgang zu konzentrieren. Die damit mögliche gestreckte Verdrängungsverteilung kommt den Segeleigenschaften insgesamt zugute, vor allen Dingen durch eine verminderte Wanderung des Verdrängungsschwerpunktes in Schiffslängsrichtung.

Des weiteren erzeugt der U-Spant im Vorschiff den größten möglichen hydrodynamischen Auftrieb. Dies ist der Auftrieb, den eine schräg angestellte Fläche erzeugt, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit durchs Wasser bewegt wird. Dazu einige Anmerkungen zur Theorie des Gleitzustandes: In Bild 15 habe ich die Verhältnisse dargestellt, wie sie an einer ebenen Platte vorliegen würden. Teil a) zeigt die Druckverteilung über den Schiffsboden, aus der die Normalkraft Y (Normalkraft - senkrecht zum Boden) resultiert. Diese Normalkraft Y teilt sich wiederum auf in den hydrodynamischen Auftrieb L und den zusätzlichen Widerstand D, der auch als Spritzerwiderstand bezeichnet werden kann. Mit Spritzern bezeichnet man die nach vorn und zur Seite abgelenkten Wasserteilchen, die bei Gleitfahrt immer zu beobachten sind und letztlich nichts anderes als den Druckverlust zu den Seiten hin kennzeichnen. Bild b zeigt den immer vorhandenen Restauftrieb L_Rest oder auch statischen Auftrieb einer Gleitfläche.

Eine weitere nicht zu übersehende negative Eigenschaft des U-Spantes ist die größte benetzte Oberfläche, die er im Vergleich zu allen anderen Spantformen hat. Bedenkt man, dass die Größe des Gesamtwiderstandes bei wenig Wind und glattem Wasser fast ausschließlich vom Reibungswiderstand und damit wiederum von der benetzten Oberfläche abhängt, so ist dies ein nicht zu unterschätzender Punkt. So kann es sich durchaus empfehlen, in Revieren mit oben genannten Bedingungen, auf ein Mehr an Formstabilität zu Gunsten der geringeren benetzten Oberfläche zu verzichten.

Trapezspant
Die aufgezählten Vor- und Nachteile der bisher beschriebenen Spantformen führten zur Entwicklung des Trapezspantes. Spricht man von einem Schiff mit Trapez-Spant, so bedeutet dies nun nicht, dass der Trapezspant vom Bug bis zum Heck durchläuft, vielmehr charakterisiert dies nur die Hauptspantform (Spant mit der größten Spantfläche). Die Vorteile des Trapezspantes liegen also vor allen Dingen in der Kombination der guten Eigenschaften anderer Spantformen. Dazu gehört zum Beispiel eine deutlich geringere benetzte Oberfläche als bei einem reinen U-Spant und trotzdem ähnlich gute Formstabilität. Die benetzte Oberfläche des Trapezspantes liegt nur wenig über der des Radialspantes, natürlich immer auf die gleiche Verdrängung bezogen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in dem nahezu symmetrischen Verhalten bei Krängung (Bild 16). Bei welchem Krängungswinkel man hier einen optimalen Wert erreichen will, hängt von den Vorstellungen des Konstrukteurs ab. Ich halte bei Modellsegeljachten etwa 30° Krängung für einen angemessenen Wert. Die hydrodynamischen Vorteile ergeben sich nun nicht unmittelbar aus der Symmetrie des Spantes für sich alleine, sondern aus der Verbindung der einzelnen Trapezspantscheiben in Schiffslängsrichtung. Zeichnet man den Strömungsverlauf an der Wasseroberfläche um den Schiffskörper bei 30° Krängung ein, so erkennt man leicht die Symmetrie der beidseitigen Wasserströmungen zueinander. In dieser Symmetrie liegt grundsätzlich eine Möglichkeit zur Vermeidung von großen Ablösungswinkeln im Bereich des Achterschiffes. In Bild 16 habe ich diese Winkel mit Alpha bezeichnet. Bei vergleichbaren Bedingungen, das heißt gleichem Längen- zu Breitenverhältnis, gleicher Breite am Heck, gleichem Krängungswinkel, würde bei jeder anderen Spantform einer der beiden mit Alpha bezeichneten Winkel größer werden als bei einem Trapezspant. Dieser vergrößerter Winkel Alpha hätte eine frühzeitigere Ablösung zur Folge mit daraus resultierendem Druckwiderstand.

Ein weiterer durchaus nicht unwesentlicher Vorteil liegt in der ebenen Anschlussfläche, die der trapezförmige Hauptspantbereich für die Kielflosse liefert. Dies bezieht sich zum einen auf die bautechnische Seite, da der Anschluss einer wechselbaren Kielflosse an eine ebene Fläche leichter auszuführen ist als an eine gekrümmte, zum anderen auf einen wichtigen hydrodynamischen Aspekt. Dabei erhöht sich die Wirksamkeit von Tragflächen, also auch der Kielflosse, durch die Anwendung von Endscheiben. Eine solche Endscheibe ist in der geeignetsten Form gerade in der ebenen Anschlussfläche des Trapezspantes zu sehen. In einem späteren Kapitel werde ich noch ausführlich auf die Kielflosse eingehen, jetzt sei nur gesagt, dass sich deren Anschluss an den ebenen Rumpfboden in einer Verbesserung des Seitenverhältnisses auf das Doppelte auswirkt.