Transactions in Bionic Patents, Vol. 007: Wirbelspuleneffekt nutzendes Rigg für Segelsurfbretter

Transactions in Bionic Patents

Traktat über die Beiträge zu den ”Transactions in Bionic Patents”

Die ”Transactions in Bionic Patents” bilden eine Sammlung von Schriften zu Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen im Themenfeld Biologie & Technik die in loser Reihenfolge und Terminus erscheint.

Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der ”Transactions in Bionic Patents” sind Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit aktuellen Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre patentrelevante Umsetzung.

Mit den ”Transactions in Bionic Patents” soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten Patente und Gebrauchsmuster frei von Rechten Dritter und mit ausdrücklicher Genehmigung der Patentanmelder und Inhaber dem Leser dieser Schriften zur Nutzung verfügbar werden.

Gleichzeitig wird ein tieferes Verständnis der Bionik innerhalb des Fachs und der Öffentlichkeit her- und ein rezentes Problemfeld wirklichkeitsnah und verständlich dargestellt. Als Übergeordneter Aspekt gilt es, Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene zu untersuchen, auszuleuchten und Fragestellungen die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik nachzugehen sowie Forschung und Ausentwicklung zum Thema anzustoßen

Die Beiträge zur Schriftensammlung ”Transactions in Bionic Patents” sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text kann eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt werden; Art, Umfang, Anordnung und Organisation der Textteile sind dem Autor überlassen und frei. Die englische Fassung soll den Umfang der deutschen Fassung nicht überschreiten.

In einer Ausgabe der Schriftensammlung ”Transactions in Bionic Patents” soll nur ein Werk platziert werden. Der Text kann durch Abbildungen ergänzt werden; die Bildrechte und andere Urheberrechte sind dabei zu achten.

Die jeweiligen Gebrauchsmuster- oder Patentschriften sind dem Anhang beigefügt.

M. Dienst, Berlin.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technische Beschreibung

Wirbelspuleneffekt nutzendes Rigg für Segelsurfbretter

Die Erfindung betrifft ein Rigg für Segelsurfbretter, bestehend aus einer textilen Tragflügelmembran und einem Führ- und Befestigungstragwerk. Das Rigg nutzt den so genannten Wirbelspuleneffekt. Das Grundprinzip der Segelgeometrie ist dem so genannten "Krabbescheren-Rigg" nachempfunden.

Stand der Technik, Historische Betrachtung und Neuheit.

Das Krabbenscherensegel (crabs claw sail) stammt aus Polynesien. Es hat eine Dreiecksform und wird auf Auslegerkanus (Proas) verwendet. Als der holländische Seefahrer und Entdecker Abel Tasman (*1603, †1659) im Jahre 1642 als erster Europäer Neuseeland erreichte war die Technik der Proas, durch mündliche Überlieferung und Werk schon seit hunderten von Jahren wenn nicht sei Jahrtausenden entwickelt und etabliert. Variationen der Krabbenscherensegel werden auf 2000 bis 2700 Jahre vor unserer Zeitrechnung datiert (Fundorte an der Westküste Perus). Die exzellente Technik der Polynesier und der Völker des pazifischen Raums, insbesondere die Navigations- und Schiffstechnik wurde von den Entdeckern in ihrer Exzellenz und Leistungsfähigkeit vollkommen unterschätzt und missachtet, weil sie von den Konstruktionsparadigmen der alten Welt dieser Zeit nicht entsprach. Erst in jüngerer Zeit wurden theoretische Erklärungen der physikalischen Wirkungsweise und mess- technische Untersuchungen zur Leistungsermittlung der Krabben- scherensegel unternommen (siehe auch: Marchaj, C. A. Sail Performance: Tech-niques to Maximise Sail Power [Marc-03]). Die Ergebnisse rezenter Forschung legen den Schluss nahe, dass von einem erheblichen Leistungs- und Effizienzpotential der Krabben- scherensegel ausgegangen werden muss. Allerdings geht die (nahezu ausschließlich) bekannt gewordene Forschung von der Interpretation des Krabbenscheren-Riggs als "Delta-Tragfläche" aus. Dies trifft für eine ganz bestimmte Betriebsart dieser Segel zu (geneigt liegende Dreiecksform, am Wind gefahren). In historischen Überlieferungen, Zeichnungen, Graphiken und Stichen wird aber häufig die aufrecht stehende Dreiecksform der Krabbenscherensegel im Betrieb, am Wind und vor dem Wind gefahren, wiedergegeben.

Vor dem Hintergrund der historischen Überlieferungen und der Beschäftigung der rezenten Forschung mit Krabbenscheren-Riggs ist die Neuheit der geometrischen Grundform des Segels, welches Gegenstand dieser Erfindung ist, zweifelhaft. Die Neuheit des Wirbelspuleneffekt nutzenden Riggs für Segelsurfbretter nach Anspruch 1 ist aber gegeben.

Stand der Wissenschaft

Die Argumentation zur aerodynamischen Wirksamkeit der Krabbenscherensegel als geneigt liegende dreieckige Deltaflügelform (am Wind gefahren) ist Stand der Wissenschaft und kann der einschlägigen Literatur entnommen werden [Marc- 64] [Marc-97] [Marc-00]. Für die Argumentation zur aerodynamischen Wirksamkeit der Krabbenscherensegel als im Betrieb aufrecht stehende Dreiecksform der Krabbenscheren- segel, am Wind und vor dem Wind gefahren, ist die so genannte Wirbelspulentheorie heranzuziehen, die (1) ebenfalls Stand der Wissenschaft ist, aber (2) nicht zum Standardrepertoire der klassischen Strömungslehre zählt, jedoch (3) notwendig und hinreichend den physikalischen Hintergrund für die Erfindung nach Anspruch 1 bildet.

Stand der Wissenschaft, Wirbelspulenphänomenologie. Nach der Tragflügeltheorie hängt die Auftriebskraft einer umströmten Tragfläche alleine von der Zirkulation ab [Kutta-Jankowski].

Überlagern sich an einem Strömungskörper (bei einer zweidimensionalen Modellvorstellung in der Profilebene des Strömungskörpers) ein translatorisches und ein rotatorisches Strömungsfeld, kommt es infolge der Zirkulation um diesen Körper zu Verzögerung der Strömung auf der einen und zu einer Beschleunigung der Strömung auf der anderen Seite. Nach der Bernoullischen Gleichung führt die Beschleunigung zu einer Druckminderung, die Verzögerung zu einer Druckerhöhung, was im Falle eines Tragflügels als Auftriebskraft spürbar wird. Für einen angeströmten, endlichen Tragflügel ist die Auftriebskraft elliptisch über den Auftrieb erzeugenden Körper verteilt. Infolge des Druckgradienten kommt es am materiellen Ende der Tragfläche zu einer Umströmung der Tragflächenkante. Im Nachlauf der Kantenumströmung bildet sich nun ein kompakter Wirbel aus, der als durch den Druckgradienten induzierter Randwirbel in der Literatur beschrieben wird.

[...]