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Wie funktioniert ein Hydrofoil?
Aber wie funktioniert ein Hydrofoil?
Die meisten würden ein Hydrofoil als ein Flugzeug unter Wasser beschreiben. Ein Foil im Wasser folgt im Grunde den gleichen 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 Punkt A und Punkt B länger als auf der Unterseite des Flügels. Da die Oberseite eine größere Strecke aufweist, muss die Flüssigkeit, die entlang der Oberseite strömt, schneller sein als die Flüssigkeit, die entlang der Unterseite des Flügels strömt, damit beide gleichzeitig die Hinterkante erreichen. Im 18. Jahrhundert entdeckte Daniel Bernoulli, dass bei zunehmender Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Druck abnimmt (Bernoulli-Prinzip).
Da die Flüssigkeit auf der Oberseite des Hydrofoils schneller strömt, würde dies nach Bernoulli zu einem niedrigen Druck an der Oberseite des Flügels und einem hohen 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 Newtons drittem Gesetz, das besagt, dass jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion hervorruft. Diese Teilchenkinetik-Theorie besagt, dass eintreffende Moleküle von der Flüssigkeit nach unten abgelenkt werden und das Foil infolgedessen eine Kraft nach oben spürt.
Obwohl diese Theorie nicht der Realität entspricht, da sie die Wechselwirkung von Molekülen untereinander nicht berücksichtigt und Druckunterschiede auf beiden Seiten des Flügels nicht erklärt. Die dritte Theorie stützt sich auf den sogenannten Venturi-Effekt, der besagt, dass die Flüssigkeitsströmung schneller wird, wenn sie eingeengt wird. Basierend auf dem Bernoulli-Prinzip wissen wir, dass, wenn Flüssigkeit schneller strömt, sie einen niedrigen Druck erzeugt und aufgrund des Druckunterschieds zwischen oben und unten Auftrieb erzeugt.
Wie die Theorie erklärt auch diese Theorie 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: Auftrieb ist eine Reaktionskraft, die der Flügel erfährt, weil er den Fluss nach unten lenkt. Jedes Objekt, wie das Hydrofoil, muss eine Kraft haben, die die Flüssigkeit aus dem Weg drängt, z.B. Impuls oder Motoren. Wenn mehr Flüssigkeit von diesem Objekt, wie dem Hydrofoil, nach unten als nach oben gedrückt wird, dann wird die Differenz als Auftrieb bezeichnet.
Zusammenfassung:
Ob Hydrofoil oder Flugzeugflügel, der Auftrieb entsteht durch die Ablenkung des Flusses nach unten, da der Flügel eine Krümmung des Flusses um sich herum erzeugt. Es entstehen Bereiche mit hohem und niedrigem Druck, was aufgrund des Bernoulli-Prinzips zu einer höheren durchschnittlichen Geschwindigkeit der Flüssigkeit auf der Oberseite des Flügels führt. Laut Forschung sind Hydrofoils am effizientesten, wenn der Anstellwinkel drei bis vier Grad beträgt und das Auftriebs- zu Widerstandsverhältnis etwa 20-25 zu eins ist. Wenn der Anstellwinkel höher als 15 Grad ist, kann es je nach Flügeldesign zu einem Strömungsabriss kommen. Insgesamt verwenden Hydrofoils im Vergleich zu Flugzeugflügeln einen kleineren Anstellwinkel aufgrund der erhöhten Dichte und Viskosität des Wassers.
