Wie funktioniert ein Hydrofoil?
Foiling begeistert die Wassersport-Szene schon seit einigen Jahren. Es macht nicht nur Spaß und ist schnell - es ist auch super effizient.
Aber wie funktioniert ein Hydrofoil?
Die meisten würden ein Hydrofoil als ein Flugzeug unter Wasser beschreiben. Ein Hydrofoil im Wasser folgt im Grunde denselben Gesetzen wie ein Segel im Wind. Da Wasser eine höhere Dichte als Luft hat, erzeugen selbst viel kleinere Profile enorme Kräfte.
Was bedeutet Auftrieb?
Jeder Flügel hat eine Vorderkante (Punkt A) und eine Hinterkante (Punkt B). Auf der Oberseite des Flügels ist der Abstand zwischen dem Punkt A und dem Punkt B größer als auf der Unterseite des Flügels. Da der Abstand auf der Oberseite des Flügels größer ist, muss sich die Flüssigkeit auf der Oberseite schneller bewegen als auf der Unterseite des Flügels, damit es die Hinterkante auf der Ober- und Unterseite gleichzeitig erreicht.
Im 18. Jahrhundert entdeckte Daniel Bernoulli, dass der Druck einer Flüssigkeit mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt (Bernoulli-Prinzip).
Da sich die Flüssigkeit auf der Oberseite des Tragflügels schneller bewegt, würde dies nach Bernoulli zu einem niedrigeren Druck an der Oberseite des Flügels und einem höheren Druck an der Unterseite des Flügels führen, was eine Auftriebskraft zur Folge hätte. Leider erklärt diese Theorie nicht, warum Flugzeuge kopfüber fliegen können oder warum ein flacher Flügel Auftrieb erzeugt.
Eine andere Theorie, die den Auftrieb erklärt, basiert auf dem dritten Newtonschen Gesetz, das besagt, dass auf jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion folgt. Diese Theorie der Teilchenkinetik besagt, dass ankommende Moleküle von der Flüssigkeit nach unten abgelenkt werden und das Foil folglich eine Kraft nach oben verspürt.
Diese Theorie entspricht jedoch nicht der Realität, da sie die Wechselwirkung der Moleküle untereinander nicht berücksichtigt und die Druckunterschiede auf beiden Seiten des Flügels nicht erklärt.
Die dritte Theorie stützt sich auf den sogenannten Venturi-Effekt, der besagt, dass eine Verengung des Flüssigkeitsstroms zu einer schnelleren Bewegung führt. Auf der Grundlage des Bernoulli-Prinzips wissen wir, dass eine Flüssigkeit, die sich schneller bewegt, einen niedrigeren Druck erzeugt und aufgrund des Druckunterschieds zwischen oben und unten einen Auftrieb erzeugt. Diese Theorie erklärt jedoch nicht, wie Flugzeuge kopfüber fliegen können oder wie ein flacher Flügel Auftrieb erzeugen kann.
Dennoch sind sich die meisten Wissenschaftler über die folgende Erklärung einig: Der Auftrieb ist eine Reaktionskraft, die der Flügel erfährt, weil er die Strömung nach unten lenkt. Jedes Objekt, wie z. B. das Hydrofoil, muss eine Kraft haben, die die Flüssigkeit aus dem Weg drückt, z. B. Schwung oder Motoren. Wenn durch das Objekt, wie z. B. das Hydrofoil, mehr Flüssigkeit nach unten als nach oben gedrückt wird, nennt man diesen Unterschied Auftrieb.
Zusammenfassung:
Hydrofoil oder Flugzeugflügel, der Auftrieb kommt von der Lenkung der Strömung nach unten, da der Flügel eine Krümmung der Strömung um ihn herum einführt, Hoch- und Niederdruckbereiche entstehen, was zu einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluids auf der Oberseite des Flügels führt, und zwar aufgrund des Bernoulli-Prinzips. Forschungsergebnissen zufolge sind Hydrofoils am effizientesten, wenn der Anstellwinkel drei bis vier Grad beträgt, mit einem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand von etwa 20-25 zu eins. Bei einem Anstellwinkel von mehr als 15 Grad kann es je nach Flügeldesign zum Strömungsabriss kommen. Im Vergleich zu Flugzeugflügeln haben Tragflächen aufgrund der höheren Dichte und Viskosität des Wassers einen kleineren Anstellwinkel.
