Uralte Segler konnten´s schon nahezu, z.B. die Wikinger mit ihren Rahsegeln. Ganz so schnell wie der Wind war allerdings nicht erlaubt. Das Schiff durchs Wasser zu drücken erzeugt Widerstand, ein Teil der Windkraft wird zu dessen Überwindung gebraucht.

Moderne Segler können´s noch immer. Auf ´Vorwindkurs´ wird der ´Spinnacker´ gesetzt, um möglichst viel Windkraft einzufangen. Schön ruhig läuft das Boot, fast so schnell wie der Wind. Aber so richtig geht die Post erst ab auf ´Halbwind-´ oder ´Am-Wind-´Kurs, wenn der `Scheinbare´ Wind in den Wanten pfeift und das Boot schneller als der ´Wahre´ Wind läuft.

Schneller als der Wind - für Surfer und Segler kein Problem

Das stellt ein theoretisches Problem prinzipieller und gravierender Bedeutung dar: ´platt vor dem Wind´ wird die gesamte kinetische Energie des Windes in Fahrt umgesetzt (minus des unvermeidlichen Widerstandes des Unterwasserschiffes). Für eine höhere Geschwindigkeit ist ohne Zweifel zusätzliche Energie erforderlich. Woher soll diese kommen?

Ein Segellehrer hat´s so erklärt: das Segel wirkt wie eine Tragfläche. Oben-rum ist der Weg länger als unten-rum. Darum ist oben die Geschwindigkeit höher als unten.

Ein Segelschüler schweift gedanklich ab und träumt ein Luftikus zu sein: händchenhaltend mit der Freundin fliegt er auf die Tragfläche zu, sie unten-rum, ihn erwischt´s oben-rum. Warum soll ich mich sputen, nur um hinten wieder neben die alte Freundin zu kommen? Flieg´ ich ganz normal weiter, treff´ ich hinten ´ne Neue, sogar jüngere.

Er hört den Segellehrer sagen: oben-vorn an der Tragfläche entsteht damit ein lokaler Unterdruck, durch welchen eine nach vorn-oben gerichtete Auftriebskraft erzeugt wird.

Wieder taucht der Träumer ab, spürt sich auf die Tragfläche krachen, nach oben gestoßen, rammt andere sternenwärts - wie soll ich dabei das Flugzeug in den Himmel heben?

Der Segellehrer kommt dazwischen: analog dazu wirkt das Segel. Einerseits Druck, aber doppelt so stark zieht der Sog am Segel das Schiff vorwärts. Alles klar? Nächstes Thema, Reffen.

Der Unaufmerksame sinniert schon wieder: am Segel ist es hinten-rum wie vorne-rum praktisch gleich lang. Dann bleib´ ich treu.

Alle nicken zustimmend. Keiner hat´s gerafft. Wie einstens bei Einsteins.

Ein wenig Druck und viel Sog

Wenn das Schiff in Richtung Wind läuft, wird das Segel quer zum Wind gestellt. Auf die maximale Segelfläche wirkt der gesamte Winddruck. Wenn jedoch das Schiff quer zum Wind läuft oder gar etwas gegen die Windrichtung, wird das Segel in einem spitzen Winkel zur Windrichtung angestellt. Die wirksame Druckfläche ist damit kleiner, ein Großteil des Drucks wirkt dann als Abtrift, nur eine relativ kleine Komponente wirkt als Vortriebskraft. Zudem krängt das Schiff, die wirksame Fläche wird damit nochmals kleiner, dafür der Widerstand des Unterwasserschiffes größer. Der Winddruck auf diesen Kursen wird also deutlich schlechter genutzt als auf obigem Vorwindkurs.

Andrerseits ist Sog gegeben. Durch das gekrümmte Segel wird die Luft vor dem Segel (an Luv) nach achtern umgelenkt, d.h. hinter dem Segel (in Lee) ist weniger Luft verfügbar. Es entsteht dadurch ein lokaler Bereich relativen Unterdrucks, also relativ geringer Dichte, also ein Sog. Das ´Gummiseil´ der Gravitation hat noch niemand gesehen und ebenso wenig kann man sich vorstellen, wie dieser Sog am Segel ´ziehen´ soll.

Aber zu sehen ist die ´Braun´sche Molekularbewegung´ bzw. man kann davon ausgehen, dass Moleküle allgemein in Bewegung sind. Die Moleküle der Luft bewegen sich dabei mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen des Raumes in chaotischer Weise.

Sog ordnet die Molekularbewegung

Auch an Lee des Segels ist das so. Zufälligerweise werden dort Moleküle auch in Richtung dieses lokalen Unterdrucks gestoßen - und fliegen in diesen relativ ´leeren´ Raum relativ lange Strecken ohne erneute Kollision. Sie fehlen damit zugleich vorn im relativ dichten Bereich als potentielle Kollisionspartner. Dadurch können nachfolgende Moleküle (rein zufällig auch in diese Richtung gestoßen) eben so lang hinterher fallen. Viele Moleküle können damit in etwa gleiche Richtung fliegen, relativ dicht beisammen, in einer geordneten Strömung, mit relativ wenigen Kollisionen untereinander, oder nur wenig schädlichen Kollisionen hinsichtlich dieser Strömungsrichtung, im Vergleich zu obigem Chaos.

Diese Strömung ist also keinesfalls nur auf den Sogbereich begrenzt. Von immer weiter vorn fließen Moleküle in dieser Weise nach. Diese Strömung hat auch kaum etwas mit der Windgeschwindigkeit zu tun, die Moleküle fallen vielmehr mit Molekulargeschwindigkeit in den Sogbereich. Natürlich wird dieser Sogbereich irgendwann aufgefüllt sein. Je stärker aber der Wind bläst bzw. je schneller das Schiff läuft, desto rascher wandert dieser Bereich achteraus, wird ein neuer Sog gebildet, d.h. verlagert sich dieser Sogbereich vorwärts.

Auf der Lee-Seite des Segels (und analog dazu auf der Oberseite einer Tragfläche) ist also tatsächlich höhere Geschwindigkeit gegeben - weil dort zur normalen Windgeschwindigkeit die enorme Geschwindigkeit der normalen Molekularbewegung als wesentliche Komponente mit eingeht. Ein Sog bewirkt also eine relativ geordnete Strömung hoher Geschwindigkeit.

Wenn die Moleküle an der Lee-Seite des Segels beispielsweise doppelt so schnell entlang fliegen als an der Luv-Seite, haben sie schlicht und einfach und maximal nur halb so oft Gelegenheit, per Quer-Kollision gegen das Segel zu ´crashen´. Es wirkt damit nur ein relativ geringer (statischer) Druck auf diese Lee-Segelseite.

An Luv dagegen steht der Winddruck an. Außerdem der normale Luftdruck, d.h. der Druck aufgrund Kollisionen der normalen, chaotischen Bewegung der Luftmoleküle. Schon wenige ´bar-Differenz-Prozente´ machen Surfer und Segler schneller als der ursächliche Wind bläst.

Verletzung des Energieerhaltungssatzes

Der Wind bewirkt hier nur das auslösende Moment. Das Segel bewirkt ´nur´, anstelle der normalen chaotischen Molekularbewegung eine geordnete Strömung zu erzeugen, in welche die immense Molekulargeschwindigkeit eingeht. Deren hoher kinetischer Strömungsdruck wird hier kaum genutzt, sondern lediglich der geringere statische (seitliche) Druck. Doch schon damit ist nach geltendem Recht jedes Segel nichts weniger als ein perpetuum mobile.

Dieses Segelbeispiel kann aufzeigen, dass nur ein kleiner ´Trick´ erforderlich ist, um die unbegrenzt verfügbare kinetische Energie der ganz normalen Molekularbewegung eines Fluids nutzbar zu machen. Vortrieb und Auftrieb ist dann keine Frage des Kraftaufwandes, sondern eine Frage der Organisation geordneter Strömungen.

Fluid-Technologie