Segel
Ein Segel (von althochdeutsch segal: abgeschnittenes Tuchstück) ist ein Tuch, das dem Antrieb von Segelfahrzeugen durch den Wind dient.
Je nach Konstruktion und Funktion werden Segel in verschiedene Gruppen eingeteilt. Die beiden Hauptgruppen heißen Rahsegel und Schratsegel. Segelfahrzeuge mit Rahsegeln (meist alte Schiffe) werden vom Wind „geschoben“ und können nicht gegen den Wind ankommen. Fahrzeuge mit Schratsegeln können im Gegensatz dazu auch (schräg) gegen den Wind fahren und dabei Geschwindigkeiten erreichen, die über der Windgeschwindigkeit liegen. Ein Schratsegel funktioniert ähnlich einem Flugzeug-Tragflügel und ist ausgerüstet um ein optimales Flügelprofil einstellen zu können.
In den letzten Jahren gab es beim Material der Segeltüchern markante Entwicklungsschritte. Während Segel früher aus pflanzlichen Geweben und später aus gewebten Kunstfasern gefertigt wurden, kommen heute zunehmend laminierte Kunststofffolien zum Einsatz.
| Rahsegel und Schratsegel, die beiden Hauptgruppen von Segeln | |
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Entwicklungsgeschichte
Die erste bekannte Darstellung eines Segels ist auf einer ägyptischen Totenurne aus Luxor aus der Zeit 5000 v. Chr. zu finden. Vornehmlich für die Fahrt auf dem Nil, aber auch für Fahrten über das Mittelmeer und das Rote Meer nutzten die Ägypter Schiffe mit einem Mast und einem großen Rahsegel.
Die Entwicklung der Segelformen war immer mit der Entwicklung der Schiffsrümpfe eng verknüpft. In frühen Zeiten, in denen der unter Wasser liegende Teil des Schiffsrumpfs noch flach war (kleiner Lateralplan), wurden Schiffe durch seitlich wirkende Kräfte leicht abgetrieben. Daher konnte der Wind auch nur genutzt werden, wenn er möglichst von achtern (hinten) auf das Schiff einfiel.
Mit der Vergrößerung des Lateralplans durch Kiel und Schwert, der das seitliche Abtreiben der Schiffe wirksam verringern konnten, konnten auch andere Segelformen verwendet werden. Etwa im 8. und 9. Jahrhundert führten vermutlich arabische Piraten das Lateinersegel im Mittelmeer ein. Es war das erste Segel, das nicht mehr quer, sondern in Richtung der Schiffslängsachse geführt wurde. Mit diesen Segeln war auch ein Vorwärtskommen möglich, wenn der Wind querab (seitlich) oder schräg von vorne auf das Schiff wehte.
Markante Weiterentwicklungen und Verbesserungen erfuhren die Segel ab Mitte des 19. Jahrhunderts durch prestigeträchtige Segelregatten, wie etwa dem America's Cup. Heute gibt es auch für normale (im Fahrtenbereich eingesetzte) Segelboote oder Segelyachten eine Vielzahl von Segeltypen und Segelmaterialien für alle Windrichtungen und Windstärken.
Einteilung und Definitionen
Segel werden - je nach Konstruktion, Verwendung, Stelle an der sie gesetzt sind - verschiedenen Segelgruppen zugeordnet. So fällt beispielsweise das Vorsegel einer Jolle in die Gruppen Schratsegel , Stagsegel, Hauptsegel und Vorsegel.
- Rahsegel sind viereckige Segel, die an einer waagrechten, am Schiffsmast quer zur Schiffslängsrichtung angeschlagenen Stange (der Rah), befestigt sind. Sie sind die ältesten bekannten Segel. Man sieht sie heute praktisch nur mehr auf älteren Großseglern. Der Vorteil dieser Segel liegt in ihrer einfachen Herstellbarkeit und in ihren guten Eigenschaften bei Vor-Wind-Kursen.
- Schratsegel sind drei- oder viereckige Segel, die in Schiffslängsrichtung gesetzt werden. Sie sind mit ihrem Vorliek in der Mittschiffsebene am Mast oder einem Stag befestigt. Der große Vorteil dieser Segel ist, dass mit ihnen schräg gegen den Wind gesegelt werden kann.
- Als Stagsegel bezeichnet man jene Schratsegel, deren Vorliek nicht an einem Mast, sondern an einem Stag befestigt sind. Die Befestigung am Stag erfolgt zumeist über Stagreiter oder über ein im Segel eingenähtes Liektau, welches in die Nut eines Profilstags eingeführt wird.
- Hauptsegel oder Arbeitssegel werden die normalerweise bei Am-Wind-Kurs gesetzten Segel genannt. Es sind jene Segel die zur Grundausstattung des jeweiligen Yachttyps gehören. Bei einer Ketsch oder Yawl beispielsweise sind dies Fock, Groß- und Besansegel.
- Beisegel werden jene Segel genannt, die anstatt oder zusätzlich zu den Hauptsegeln gefahren werden. Sie werden bei besonderen Windbedingungen (Leichtwind oder Sturm) oder bei bestimmten Kursen zum Wind gesetzt. Eines der bekanntesten Beisegel ist der Spinnaker.
- Als Vorsegel wird das vordere der beiden Segel eines einmastigen Bootes bezeichnet. Bei einem mehrmastigen Segelschiff werden alle Segel, die sich vor dem Großmast und am Bugspriet befinden als Vorsegel bezeichnet.
Aufbau und Ausrüstung des Segels
Der Kopf
Als Kopf wird bei dreieckförmigen Segeln die obere Ecke des Segels bezeichnet. Er ist durch eine dreieckige Platte aus Holz, Leichtmetall oder Kunststoff, das Kopfbrett, verstärkt. Am Kopfbrett ist das Fall angeschlagen (befestigt), das zum Hochziehen des Segels dient. Bei den viereckigen Rah- und Gaffelsegeln wird die obere Kante des Segels als Kopf bezeichnet.
Der Hals
Hals heißt bei dreieckförmigen Segeln die vordere untere Ecke des Segels. Er ist bei diesen Segeln durch den Stoßlappen verstärkt. Beim Spinnaker gilt jene Ecke des Segels als Hals, in welcher der Spinnakerbaum eingepikt ist. Bei Rahsegeln wird die untere luvseitige Ecke des Segels als Hals bezeichnet.
Das Schothorn
Das Schothorn ist bei Schratsegeln die hintere, untere Ecke des Segels. Bei Rahsegeln ist es jene untere Ecke, an der die Leeschot angeschlagen (befestigt) ist. Alle Segel sind an dieser Ecke besonders verstärkt, da dort große Kräfte auftreten.
Die Segelbahnen
Die Segelbahnen (beim Segelmacher als Kleider bezeichnet) sind Tuchstreifen aus denen das Segel zusammengenäht ist. Durch entsprechenden Zuschnitt der einzelnen Bahnen wird die notwendige Segelwölbung (bei Schratsegeln) erreicht. Bei rechteckig geschnittenen Rahsegeln verlaufen die Bahnen senkrecht zur Rah. Bei Dreiecksegeln von Jollen und Yachten verlaufen sie üblicherweise senkrecht zur Sehne des Achterlieks.
Die Lieken
Die Ränder bzw. Kanten der Segel werden als Lieken bezeichnet. Beim dreieckigen Segel werden drei Lieken unterschieden: das Vorliek (beim Großsegel am Mast, daher auch Mastliek genannt), das Unterliek (beim Großsegel auch als Baumliek, beim Vorsegel als Fußliek bezeichnet) und das Achterliek. Beim Großsegel sind Vor- und Unterliek durch ein Liektau oder einen Liekdraht verstärkt um ein Ausreißen und Ausrecken des Segels zu verhindern. Oft ist im Achterliek eine Leine vorhanden, mit der die Achterliekspannung verändert und damit das Segel getrimmt werden kann. Das Vorsegel hat nur im Vorliek ein eingenähtes Liektau, das heute aus Stahldraht besteht.
Beim Gaffelsegel heißt das Liek an der Gaffel Oberliek oder Gaffelliek. Beim Rahsegel wird das an der Rah befindliche Liek Rahliek genannt, die beiden seitlichen Lieken werden als Steuerbord- bzw. Backbordliek oder als Seitenlieken bezeichnet.
Die Segellatten
Die Segellatten sind schmale, biegsame, aus Eschenholz oder, heute üblicher, aus Kunststoff hergestellte Latten, die in die dafür vorgesehenen Lattentaschen eingeführt werden. Sie dienen der Formgebung des Segels und sollen das Achterliek ausstützen, damit der hintere Teil des Segels nicht killt. Beim Lattensegel verlaufen die Segellatten durchgehend vom Mast- bis zum Achterliek.
Die Cunningham-Kausch
Die Cunningham-Kausch befindet sich in der Nähe des Vorlieks im unteren Bereich des Segels und dient zum Trimmen des Segels. Durch Stecken des Vorlieks (Hinunterziehen Richtung Hals) wandert der Bauch des Segels nach vorne und das Segelprofil wird insgesamt flacher.
Die Reffkauschen, Reffgatchen und Reffbändsel
Zum Reffen eines Großsegels mittels Bindereffs werden die, in der jeweiligen Reffreihe vorhandene Reffkausch, sowie die Reffgatchen und Reffbändsel verwendet.
Materialien für Segeltücher
An Segelmaterial wird eine Reihe von Anforderungen gestellt: Es soll luftundurchlässig, reißfest, formstabil und beständig gegen die UV-Strahlung und gegen Seewasser sein. Außerdem soll eine geringe Wasseraufnahme aufweisen und leicht sein, weiters soll es leicht verarbeitbar und möglichst kostengünstig sein. Je nach Verwendungszweck treten dabei unterschiedliche Auswahlkriterien in den Vordergrund. Für den Antrieb eines kleinen Küstenfischerbootes ist etwa die Kostenfrage wichtiger, als für ein Hochleistungs-Regattasegel.
In der Vergangenheit bestanden Segel überwiegend aus pflanzlichen Geweben, aber auch aus Tierhäuten wie z. B. bei den Segeln der Eskimos. Heute werden Segel überwiegend aus Kunstfasern gefertigt.
Natürliche Materialien
Als Material für Segel dienten früher Gewebe aus fast jeder verfügbaren Faser. Auch heute sind für kleine Boote in ärmeren Weltgegenden Segel aus allen möglichen lokal verfügbaren Materialien in Gebrauch. Selten werden dabei jedoch tierische Fasern verwendet.
Aus dem „Alten China“ ist bekannt, dass kaiserliche Repräsentationsschiffe Seidensegel führten. Nordische Langschiffe wurden oft mit Wollsegeln gefahren, wobei der natürliche Fettgehalt der Wolle einer speziellen langhaarigen Schafrasse verhindert haben soll, dass die Segel zuviel Wasser aufnahmen.
In südlichen Gebieten, wie zum Beispiel in Polynesien, wurden bis ins 20. Jahrhundert Segel aus geflochtenen Palmblatt- oder Pandanusblattstreifen für die traditionellen Auslegerboote verwendet.
In der Vergangenheit wurden Segel aber auch überwiegend aus Hanf oder Leinen hergestellt, sofern diese Materialien verfügbar waren. Baumwollsegel wurden für Großsegler seltener genutzt, weil die Baumwollfasern viel Wasser speichern und die Segel dadurch an Gewicht zunehmen konnten. Durch den so verlagerten Gewichtsschwerpunkt konnten die Schiffe instabil werden.
Sportsegler verwendeten für ihre Boote bis zur Einführung synthetischer Segeltuche leichte, festgewebte Baumwollsegel. Neben der geringen Formstabilität hatten die Baumwollsegel den Nachteil, dass sie niemals feucht zusammengelegt werden durften, da sie sonst sofort verstockten. Auch die aus Naturfasern bestehenden Liektaue quollen bei Feuchtigkeit auf und ließen sich in der jeweiligen Keep nur noch schwer bewegen.
Segel aus Naturfasern werden heute noch bei einigen Traditionsseglern benutzt. Ansonsten wurden diese Materialien durch Fasern aus Kunststoff ersetzt, da diese nicht verrotten, langsamer verschleißen und eine bessere Formstabilität (geringeres Reck) aufweisen.
Künstliche Materialien
Moderne, heute produzierte Segel lassen sich grob in drei Arten unterscheiden:
- Segel aus gewebtem Tuch, meist aus Polyester (Markenname: Dacron), in unterschiedlichsten Qualitäten und Ausführungen,
- Laminatsegel (manchmal auch als Sandwichsegel bezeichnet), bei welchen Fasern, sogenannte Gelege, mit Folien oder Polyestergewebe verklebt werden,
- Membransegel. Das sind Laminatsegel, bei welchen verstärkende Fasern bereits bei der Produktion des Segels gemäß der zu erwartenden Lastlinien eingeschweißt werden.
Polyamid - Markenname: Nylon
Stärken: geringes Gewicht, relativ hohe Festigkeit. Schwäche: sehr elastisch
Zielgruppe: Tuch für Spinnaker und Cruising-Gennaker
Polyester - Markennamen: Dacron, Diolen, Trevira, Terylene, Tetoron
Stärken: robust, haltbar, preiswert, große Auswahl an Tuchgewichten und Qualitäten. Schwächen: geringe Formstabilität, relativ hoher Reck
Zielgruppe: Regatta- und Fahrtensegler
Polyethylennaphtalat (PEN) - Markenname: PenTex
Stärken: doppelt so reckfest wie Polyester; preislich und leistungsmäßig zwischen Polyester und Aramid. Schwächen: nicht als gewebtes Tuch erhältlich, nur als Gelege im Laminat
Zielgruppe: Vielsegler im Fahrten- und Regattabereich
Polyester hochfest - Markenname: Vectran
Stärke: beinahe so gut wie Aramid, aber langlebiger. Schwäche: empfindlich gegen UV-Strahlen
Zielgruppe: Fahrten- und Fahrtenregattasegler auf höchstem Niveau
Aramid - Markenname: Black Technora
Stärken: hohe Bruchlast, wenig knickempfindlich, langlebig. Schwäche: geringe UV-Stabilität
Zielgruppe: Club-Regattasegler
Standard-Aramid - Markennamen: Kevlar 29, Twaron SM
Stärken: zugfester als Stahl, erste Hightech-Faser im Segelbereich. Schwächen: knick- und UV-empfindlich
Zielgruppe: Regattasegler
Hochmodul-Aramid - Markennamen: Kevlar 49, Kevlar Edge, Twaron HM
Stärke: extrem dehnungsarm. Schwächen: knick- und UV-empfindlich
Zielgruppe: Top-Regattasegler
Polyethylen hochfest - Markennamen: Spectra, Dyneema
Stärken: hohe Bruchlast, leichtes Handling, UV-Beständigkeit. Schwächen: geringer, profilverändernder Langzeitreck
Zielgruppe: Langfahrtsegler
Kohlefaser, Carbon - Markenname: -
Stärken: leicht, geringe Dehnung, UV-Resistenz. Schwächen: große Qualitätsunterschiede, teuer, knickempfindlich
Zielgruppe: Top-Regattasegler
Technische Daten künstlicher Materialien im Vergleich
Hinweise zu den Angaben in der Tabelle:
Die Einheit g/den bedeutet Gramm pro Denier. Eine 1-denier Polyester-Faser hat einen Durchmesser von ca. 10 Mikrometer (0,01 mm).
Elastizitätswert: Ein höherer Zahlenwert bedeutet eine geringere Elastizität.
UV-Beständigkeit: Nach x Monaten hat sich die Bruchlast auf die Hälfte des Neuwertes verringert (in subtropischen Gewässern z. B. dem Mittelmeer).
Knickbeständigkeit: Die Prozentangabe ist der Bruchlastverlust nach 60 Knickbewegungen.
| Material | Elastizitätswert | Bruchlast | UV-Beständigkeit | Knickbeständigkeit |
|---|---|---|---|---|
| Polyamid | 45 g/den | 9,5 g/den | 3-4 Monate | 0% |
| Polyester | 80-120 g/den | 8 g/den | über 7 Monate | 0% |
| Polyethylennaphtalat (PEN) | 250 g/den | 10 g/den | 6 Monate | 4% |
| Polyester hochfest | 510 g/den | 23 g/den | 1-2 Monate | 15% |
| Aramid | 540 g/den | 28 g/den | 3-4 Monate | 7% |
| Standard-Aramid | 600 g/den | 23 g/den | 2-3 Monate | 25% |
| Hochmodul-Aramid | 940 g/den | 24 g/den | 2-3 Monate | 27% |
| Polyethylen hochfest | 1250 g/den | 33 g/den | 6-7 Monate | 0% |
| Kohlefaser, Carbon | 1200-2400 g/den | 20-40 g/den | kein Einfluss | 30-100% |
Segelschnitte
Segel sind aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von Tuchstreifen, den sogenannten Segelbahnen, gefertigt. Je nach Form der Segelbahnen und dem entsprechenden Verlauf der Nähte mit denen die einzelnen Segelbahnen zusammengenäht werden, spricht man von unterschiedlichen Segelschnitten. Der Segelschnitt hat Einfluss auf die Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit des Segels.
Segel sollten auch unter hoher Belastung möglichst formstabil sein. Einen wesentlichen Einfluss auf die Formstabilität hat das Reck (die Dehnbarkeit) des Segeltuchs. Das Reck soll möglichst gering sein. Polyestertücher beispielsweise haben in Kett- und Schussrichtung (in Richtung der Längs- und Querfäden) ein geringes Reck, diagonal dazu ist das Reck jedoch groß. Durch verschiedene Schnitte wird versucht, dieser Tatsache Rechnung zu tragen damit das Gewebe beim Segeln möglichst nicht diagonal belastet wird.
Der Horizontalschnitt oder Cross-Cut ist der meistgefahrene und bewährteste Segelschnitt bei Großsegeln. Bei diesem Schnitt laufen die Nähte etwa parallel und zwar rechtwinklig zur Sehne des Achterlieks, bzw. bei Rahsegeln rechtwinkelig zum Rahliek. Dieser Schnitt ist preiswert in der Herstellung, robust in der Handhabung, und im Allgemeinen auch am langlebigsten.
Beim Radialschnitt (Tri- oder Vollradialschnitt) verlaufen die Nähte sternförmig etwa aus der Mitte des unteren Segeldrittels zu den drei Ecken des Segels bzw. strahlenförmig von diesen weg. Dieser Schnitt wird vor allem bei Vorsegeln verwendet, da die Krafteinleitung ins Segel beim Schothorn in diagonaler Richtung erfolgt.
Aerodynamik des Segels
Die Konstruktion von Segeln wird durch die Gesetze der Aerodynamik bestimmt. Sie sind aeroelastische Tragflächen.
Das vom Wind angeströmte Segel nimmt eine gewölbte Form an und entwickelt eine Kraft, die proportional zum Produkt aus der Segelfläche und dem Quadrat der Windgeschwindigkeit ist. Die Kraft wirkt senkrecht zur Fläche des Segels in Richtung Lee bzw. von der konkaven zur konvexen Segelseite. Einfluss auf die Größe der Kraft hat neben Form und Größe des Segels und der Windgeschwindigkeit auch der Anströmwinkel des Windes auf das Segel. Je nach Anströmwinkel überwiegt entweder die Komponente Antrieb durch Widerstand oder die Komponente Antrieb durch Auftrieb.
Antrieb durch Widerstand
Beim Antrieb durch Widerstand entsteht eine Kraft auf das Segel, wenn dieses die Luftströmung abbremst bzw. unterbricht. Die Größe der Kraft ist abhängig von der Größe der Segelfläche und von deren Strömungswiderstandskoeffizienten (cw-Wert). Der Strömungswiderstandskoeffizient ist am größten, wenn das Segel die Form einer hohlen Halbkugel aufweist (cw-Wert≈1,4). Deshalb sind auch spezielle Segel für Vorwindkurse, wie Spinnaker, sehr bauchig geschnitten und haben eine große Segelfläche.
Antrieb durch dynamischen Auftrieb
Die am Segel wirkenden Kräfte ergeben sich aufgrund komplexer aerodynamischer Vorgänge, die mit den Navier-Stokes-Gleichungen berechnet werden können, und lassen sich im wesentlichen auf zwei physikalische Gesetze und den Coandă-Effekt zurückführen:
- Drittes newtonsches Gesetz: Durch die Umlenkung des Luftstromes auf der Luvseite des Segels entsteht nach dem dritten Newtonschen Gesetzes (Kraft = Gegenkraft) eine Kraft auf das Segel. Die Größe dieser Kraft entspricht der Impulsänderung der mittels des Segels umgelenkten Luftmasse pro Zeiteinheit (siehe Skizze rechts: 1=Luftstrom, 2=Segel, 3=umgelenkter Luftstrom, 4=Kraft auf das Segel).
- Gesetz von Bernoulli: Wenn man die Luftströmung um das Segel im Detail betrachtet, stellt man fest, dass die Luft auf der Leeseite des Segels schneller fließt als auf der Luvseite. Dies führt gemäß dem Bernoulli-Effekt zu erhöhtem Druck auf der Luvseite und verringertem Druck auf der Leeseite des Segels (ähnlich wie bei der Tragfläche eines Flugzeugs). Auch dieser Druckunterschied bewirkt eine Kraft auf das Segel.
- Der Coandă-Effekt: Der Coandă-Effekt bewirkt, dass die Strömung auf der Leeseite der Wölbung des Segels folgt. Dadurch wird auch auf der Leeseite des Segels Luftmasse umgelenkt, und es entsteht aufgrund dieses Effektes eine weitere Kraft auf das Segel, entsprechend des im Punkt 1. beschriebenen dritten Newtonschen Gesetzes.
Alle angeführten Kräfte wirken immer senkrecht zum Segel.
Siehe auch
Literatur
- Czeslaw A. Marchaj: Die Aerodynamik der Segel. Theorie und Praxis. Bielefeld: Delius Klasing, 2001. ISBN 3768810178
- Nicolas Bessert: Instationäre aeroelastische Berechnung von Yachtsegeln. Shaker Verlag GmbH, 1999. ISBN 3826566300
