Das Phänomen des Klebens

Wenn es einem Gleiter gelingt, anzugleiten, also seine Bugwelle einzuholen (indem die Vorderseite des Heckwellensystems die Rückseite des Bugwellensystems erreicht), aber nicht mit der Abrisskante am Heck die Bugwelle zu überholen, dann nennt man das Kleben. Beim Kleben gilt – wenn auch aus einem etwas anderen Grund – dieselbe Geschwindigkeitsgrenze wie bei einem Verdränger in Verdrängungsfahrt. Asymptotisch angenähert liegt die Grenze bei 50 Knoten. Auf See kann man das „Kleben“, d. h., dass ein Boot auf seiner eigenen Bugwelle über das Wasser rast, vor allem bei kleineren Booten beobachten. Grund für das Kleben eines Gleiterrumpfs ist immer eine falsche Rumpfform, also ein Konstruktionsfehler. Für kleine Boote (die als Verdränger deutlich niedrigere Rumpfgeschwindigkeiten hätten) bedeutet das Kleben aber immer noch eine schnelle Gleitfahrt, die allerdings wesentlich ruppiger ausfällt als eine echte Gleitfahrt, bei der die Bugwelle nicht nur eingeholt, sondern auch überholt wird.

Bei Flugbooten und vom Wasser aus startenden Bodeneffektfahrzeugen kann bei falscher Rumpfkonstruktion das Kleben ebenfalls auftreten, benennt aber nicht den Umstand, im Angleiten stecken zu bleiben, sondern aus dem Gleiten heraus auch bei höchsten Geschwindigkeiten nicht vom Wasser abheben zu können. Oft beobachtet und dokumentiert ist das Kleben in der Fliegerei allerdings vor allem bei besonders großen Flugbooten und Bodeneffektfahrzeugen, wenn diese von spiegelglatten Wasseroberflächen aus zu starten versuchen. Bei einem Startversuch auf einer durch Wind und Wellen angerauten Wasseroberfläche tritt das Kleben bei großen Flugbooten und Bodeneffektfahrzeugen praktisch nicht auf.

Bei rauer See ist es auch Booten, die als Gleiter zum Kleben neigen, möglich, das Kleben zu überwinden und in die echte Gleitfahrt zu gelangen, sofern aufgrund der Gegebenheiten kleinen Booten überhaupt noch eine Fahrt durch das Wasser möglich ist.

Ein beliebter Trick, mit einem klebenden Gleiterrumpf das Kleben zu überwinden, ist, die Hecksee eines anderen Bootes oder Schiffes zu schneiden, da hierdurch der Abriss der Bugwelle vom Heck vollzogen werden kann. Ein Flugboot oder Bodeneffektfahrzeug kann analog hierzu aus dem Gleiten heraus in den Flug gelangen. So gelang z. B. dem Flugboot Dornier Do X auf seinem Weltumflug nach 27 vergeblichen Versuchen im Juni 1931 nur dadurch doch noch in Rio de Janeiro der Start, dass die Hecksee eines Frachters geschnitten wurde.

Wird bereits bei einem Prototyp eines Bootes/Flugbootes/Bodeneffektfahrzeuges der Effekt des Klebens bemerkt, genügt es oft, in der Serienfertigung den Rumpf mit einer weiteren Abrisskante, im Flugzeugbau als Stufe bezeichnet, zu modifizieren. Bei kleinen Booten gibt es dazu jedoch oft keinen Platz, da zusätzliche Abrisskanten im Verhältnis zur Rumpfbreite auch gewisse Mindestrumpflängen verlangen. Andere Lösungen, die Grenzschicht (die für den Effekt des Klebens verantwortlich ist) positiv im Sinne des Gleitens zu beeinflussen, sind bei kleinen Booten meist unwirtschaftlich. Dadurch kommt es dazu, dass trotz des Wissens um die hydrodynamischen Vorgänge Boote produziert und vertrieben werden, die als Gleiter zum Kleben neigen.

Verdrängertyp

Ein Verdränger, den man per Konstruktion dazu gebracht hat, mit einem Teil des Rumpfes in Gleitfahrt zu gehen, während der Großteil desselben Rumpfes weiterhin als Verdränger unterwegs ist. Große Trawleryachten sind so unterwegs. In den 70ern sind viele Hersteller von kleinen Verdrängerbooten (etwa bis 9 m) dazu übergegangen, den Heckbereich der Boote zu verbreitern und abzuflachen, sodass man mit diesem Teil des Rumpfes in die Gleitphase gehen kann. Dies wird zusätzlich dadurch erreicht, dass der Bug so geformt ist, dass er bei schneller Fahrt das Wasser zur Seite wirft, damit der unter der Wasseroberfläche liegende Gleitbereich des Rumpfes überhaupt gleiten kann.

Gleitertyp

Ein Gleiter mit Kiel, welcher das Wasser verdrängt, also nicht vollständig aus ihm hervorsteigt. Große, seegehende Rennsegelboote sind so unterwegs. Theoretisch gehören auch Tragflügelboote in diese Gruppe.

Parametric Fast Hull

Fast alle Gleitrümpfe arbeiten nach dem Prinzip der angestellten Platte. Der Boden eines Schiffes wird der Strömung schräg entgegengestellt. Dadurch entsteht ein dynamischer Auftrieb, aber auch ein induzierter Widerstand und ein Sog, der dem Auftrieb entgegenwirkt. Durch eine Wölbung des Bodens lassen sich die negativen Wirkungen stark reduzieren. Diesem Prinzip folgt der Parametric Fast Hull. Seine Bodenform wird über wenige Parameter beschrieben, die von gewünschter Geschwindigkeit, Verdrängung und dem Längen-Breitenverhältnis abhängen. Das Fahrverhalten der Boote mit dieser Rumpfform ist deutlich anders als von konventionellen Formen. Das Schiff trimmt kaum und wird vorne durch die Bugwelle und hinten durch die konkave Bodenform angehoben. Damit verbunden ist eine sehr geringe Wellenbildung und ein wegen des kleinen Trimms sehr günstiges Seegangsverhalten.

Die Eignung der Rumpfform hängt von der Länge und der Geschwindigkeit eines Schiffes ab. Er ist geeignet für Froudesche Zahlen von 0,6 bis 1,3, was z. B. Schiffen mit einer Länge von 10 m und Geschwindigkeiten von 13 bis 25 Knoten oder 30 m Länge und 20 bis 43 Knoten entspricht. Einsatzmöglichkeiten sind daher Yachten, Lotsenboote, Patrouillenboote etc. Der Rumpf ist jedoch nicht für sehr hohe Geschwindigkeiten (etwa für Rennboote) geeignet, da die Wölbung im Heck das Boot zunehmend nach vorne trimmt. Dadurch würde die vom Wasser benetzte Oberfläche des Rumpfes größer und die Vorteile des Rumpfes schrumpfen.

Erfahrungen mit gebauten Booten haben gezeigt, dass sich der Parametric Fast Hull auch positiv auf Manövriereigenschaften und Rollverhalten auswirkt und nur eine minimale Wellenbildung verursacht. Die Leistungsersparnis gegenüber konventionellen Rumpfformen beträgt 20 bis 50 Prozent je nach Qualität der Vergleichsform. So kann bei einem 33 Knoten schnellen Patrouillenboot mit 170 t Verdrängung und 3 × 1000 kW Antriebsleistung bei Verwendung des pfh-Rumpfes auf eine der drei Antriebsanlagen verzichtet werden.

Edersche DG-Hull

Der österreichische Physiker Theodor Eder wurde Ende der 1990er vom Bürgermeister von Venedig gebeten, einen Schiffsrumpf zu entwickeln, welcher keine Welle wirft. Seine Konstruktion wurde DG-Hull genannt (engl. displacement glider „Verdrängergleiter“) und erstmalig im Jahre 1997 zum Patent angemeldet.

Physikalisch betrachtet „löscht“ bei diesem Boot die Welle, die während der Fahrt vom Unterwasserschiff erzeugt wird, die Wellen aus, die von Bug und Heck erzeugt werden, indem das Wellental der einen Welle mit dem Wellenbergen der anderen beiden Wellen zusammenfällt. Das Boot funktioniert hervorragend und ist seit 2003 auf dem Wasser unterwegs.

Betrachtet man es genau, ist es ein Gleiter mit einem deutlich ausgeprägten Verdrängerkiel, was die Konstruktion zu einem Verdränger ohne die verdrängertypische Rumpfgeschwindigkeit macht: Denn wo keine Welle entsteht, muss auch keine überholt werden, was das Edersche Boot bei deutlich weniger Energiebedarf weitaus schneller fahren lässt, als es die Rumpfgeschwindigkeit eines gleich großen klassischen Verdrängers auch bei beliebig großer Motorisierung zuließe. Das Edersche Konzept des DG-Hull verbindet die Vorteile des Gleiters mit den Vorteilen des Verdrängers. In der Theorie ist dieses Konzept auf jede Boots- und Schiffsgröße und auf jede Verwendung anwendbar und scheint am besten zu funktionieren, wenn der Boots-/Schiffsrumpf in der Konstruktionswasserlinie (KWL) ein Längen-/Breitenverhältnis von 3:1 bis 4:1 aufweist.

Wellenbinder

Der Wellenbinder wurde 1910 durch den Bootsbauer und Ingenieur Claus Engelbrecht erfunden und dann in den ersten Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts vom bei Engelbrecht angestellten deutschen Schiffbauingenieur Arthur Tiller (1884–1957) verbessert. Er hat das gleiche Funktionsprinzip wie der Edersche DG-Hull. Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede zwischen DG-Hull und Wellenbinder:

• Der Edersche DG-Hull ist ein Knickspanter, der in der Konstruktionswasserlinie in einem völlige-Länge-/Breitenverhältnis von 3:1 bis 4:1 daherkommt und als echter Halbgleiter gilt.
• Der Tillersche Wellenbinder ist ein Rundspanter, dessen Patentrechte im Verlaufe des Zweiten Weltkrieges abgelaufen sind, der aber etwas komplizierter zu berechnen und teurer zu fertigen ist als der DG-Hull, und der in der KWL in den schlanken bis sehr schlanken Längen-/Breitenverhältnissen von 5:1 bis 10:1 gebaut wurde. Außerdem ist der Tillersche Wellenbinder per Konstruktion und Rumpfform eher ein echter Verdränger als ein Halbgleiter.

Zu Lebzeiten von Arthur Tiller wurde der Rumpf noch nicht berechnet – dazu war man auch gar nicht in der Lage, sondern durch empirisches Vorgehen, also den Bau von Wasserfahrzeugen als Modell und in Echtgröße, entwickelt.

Außerdem hatten Engelbrecht, Tiller und weitere ihrer zeitgenössischen europäischen und US-amerikanischen Bootsbauer und Ingenieure einen anderen Ansatz als Theodor Eder. Sie hatten nicht als Physiker Küstenanlagen vor dem Wellenschlag fahrender Boote zu schützen, sondern wollten mit den am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts nur schwach motorisierten Lustbooten zur Begeisterung der Besitzer und Benutzer möglichst hohe Geschwindigkeiten erzielen.

So fuhren die echten Wellenbinderkonstruktionen von damals bei rund 10 Meter Länge und gut 20 PS Antrieb knapp 10 Knoten (18 km/h) schnell, obwohl mit den Methoden der damaligen Hydrodynamik nur etwa knapp 8 Knoten (15 km/h) möglich gewesen wären, unabhängig von der Motorisierung dieser Boote.

Ein von Arthur Tiller gebautes Boot soll als Wellenbinder bei 18 Meter Länge mit 520 PS knapp 26 Knoten (48 km/h) erreicht haben, obwohl – wie heute bekannt ist – die Rumpfgeschwindigkeit der Konstruktion auch bei stärkster Motorisierung nur gute 10 Knoten (knapp 18 km/h) Fahrt durchs Wasser erlaubt.

Die Unterscheidung zwischen „echten“ und „falschen“ Wellenbindern wurde um 1934 von Arthur Tiller getroffen, um diejenigen Boote, deren Unterwasserschiffe nur so aussahen wie das Unterwasserschiff eines Wellenbinders, aber lediglich als echter Verdränger oder (bei ausreichender Motorisierung) als echter Gleiter daherkamen, von denjenigen zu unterscheiden, mit denen tatsächlich hohe Geschwindigkeiten zu erreichen möglich war, ohne dass sie in Gleitfahrt übergingen. Während des Entwurfes und des Baues eines Wellenbinders war der Unterschied damals noch nicht festzustellen. Erst die Probefahrt konnte darüber Erkenntnisse bringen.

Die Gleitfahrt statt der Verdrängerfahrt wurde von den Konstrukteuren jener Zeit nur aus den zwei Gründen heraus nicht gewünscht, dass Gleiter sowohl sehr gut motorisiert als auch sehr leicht gebaut sein mussten, was bei den damaligen Möglichkeiten von Materialauswahl und Motorisierung im Gegensatz zu den gestiegenen Ansprüchen an den Komfort eines Lustbootes stand.

Generell tendierte man allerdings damals dennoch dazu, Wellenbinder eher nach dem Prinzip des Wellenbinder 1 (siehe Bild) zu bauen, da diese Boote bei ausreichender Motorisierung und falschen Proportionen zu gleiten beginnen konnten, was man für das kleinere Übel hielt, wenn man den „echten“ Wellenbinder zu bauen nicht erreicht hatte, während die Boote nach dem Prinzip des Wellenbinder 2 bei falscher Proportionierung auch bei stärkster Motorisierung gewöhnliche Verdränger blieben.

Im Verkauf damals (und auch auf dem heutigen Gebraucht-/Klassikbootsmarkt) wurde und wird aus einem gewissen kaufmännischen Geschick, aber oft auch aus Unkenntnis heraus, die Unterscheidung zwischen „echten“ und „falschen“ Wellenbindern nur selten gemacht und kann nur nach komplexen Berechnungen oder einer schlichten Probefahrt getroffen werden. Und sind Wellenbinder, gebaut in den Jahren 1910 bis etwa 1940, sofern sie die Wirren der Zeit bis heute überlebten, schon klassische Raritäten, so sind die „echten“ Wellenbinder unter ihnen als sehr, sehr selten zu betrachten.

Bei den seit der Jahrtausendwende modernen Neubauten von Booten im Retrolook der 1920er bis 1950er Jahre kommt der Wellenbinder als Konstruktion des Unterwasserschiffes praktisch nicht vor, obwohl gerade das 21. Jahrhundert die Möglichkeit böte, einen Wellenbinder schon auf dem virtuellen Zeichenbrett so zu entwerfen, dass das fertige Boot später im Tillerschen Sinn auch funktioniert.