System zur Veränderung der Maststellung bei Segelschiffen

Abstract

 Konstruktions-System, mit welchem der Mast von Segelschiffen in seiner Stellung gegenüber dem Bootsrumpf, der Windstärke entsprechend, verändert werden kann. Der Mastfuss ruht in einem Gelenk, welches die Neigung des Masts sowohl nach bei­den Seiten als auch nach vorn und hinten erlaubt. Die Stel­lung des Masts wird über ein im Bootsrumpf seitlich als auch vor- und rückwärts verschiebbares Gewicht beeinflusst.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die auf den Mast einwirkenden Drehmomente durch Pendelgewichte kompensiert und nicht auf den Schiffsrumpf übertragen werden. Durch das Pendelgewicht kann der Mast in jene Position ge­stellt werden, unter welcher die Windkraft maximal ausgenützt werden kann.

Beschreibung

Gebiet auf das sich die Erfindung bezieht

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konstruk­tions-System, mit welchem der Mast von Segelschiffen in seiner Stellung gegenüber dem Bootsrumpf, der Windstärke entsprechend, verändert werden kann. Der Mastfuss ruht in einem Gelenk, welches die Neigung des Masts sowohl nach beiden Seiten als auch nach vorn und nach hinten erlaubt. Die Stellung des Masts wird über ein im Bootsrumpf seit­lich als auch vor- und rückwärts verschiebbares Gewicht be­einflusst.

[0002] Bei herkömmlichen Schiffen ist der Mast, bzw. -im Falle von mehrmastigen Schiffen-, sind die Maste mit dem Schiffsrumpf in segelbereitem Zustand in einem fixen Winkel verbunden. Der Mast wird über Wanten und Stags gegenüber dem Schiffs­rumpf in stets gleicher, aufrechter Position gehalten. Wenn sich der Mast unter dem Winddruck neigt, so krängt das Schiff in gleichem Masse.

[0003] Durch diese starre Verbindung von Schiffsmast und Schiffs­rumpf werden die über die Segel am Mast angreifenden Kräf­te, bzw. wird die aus diesen Kräften resultierende Kraft M direkt auf den Schiffsrumpf übertragen. Diese, am Mast etwa auf einem Drittel bis halber Höhe angreifende, resultierende Kraft M kann in drei Komponenten zerlegt werden. In eine ho­rizontal nach vorn, parallel zur Rumpflängsachse weisende Komponente A; eine horizontal laterale Komponente B und eine vertikale Komponente C (Siehe Abb. 1).

[0004] Die nach vorn gerichtete Komponente A bewirkt einerseits die Vorwärtsfahrt des Schiffs und andererseits ein Drehmoment, durch welches der Bug des Schiffes belastet und das Heck entlastet wird. Die beim Amwindkurs bedeutend werdende late­rale Kraft B bewirkt einerseits ein Abdriften des Schiffes und andererseits ein Drehmoment um die Kippachse(n) des Rumpfs. Als Folge dieses Drehmoments krängt das Schiff.

[0005] Bei gekrängtem Bootsrumpf, bzw. seitlich schräg stehendem Mast bewirkt die Komponente A ein Drehmoment um die verti­kale, zentrale Achse des Rumpfs. Dieses Drehmoment dreht das Schiff "in den Wind". Bei schräg stehendem, nach Lee ge­neigtem Mast zeigt die vertikale Komponente C nach unten. Sie belastet einerseits den Bootsrumpf und bewirkt anderer­seits ein Drehmoment, welches sich zum Drehmoment aus der Komponente B addiert und das Krängen des Schiffes noch ver­stärkt.

[0006] Die vorliegende Erfindung besteht darin, durch Entkoppelung der starren Verbindung zwischen Mast und Schiffsrumpf die Uebertragung von Drehmomenten, die durch die Kräfte A, B & C erzeugt werden, auf den Bootsrumpf zu vermeiden. Gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgt diese Entkoppelung, in­dem einerseits der Mastfuss F in einem beweglichen Gelenk (Kugelgelenk, Kreuzgelenk) gelagert ist und andererseits, indem den beschriebenen Drehmomenten durch ein oder mehrere entsprechend schwere und im Bootsrumpf geeignet positionier­ te Gewichte die entgegengesetzten Drehmomente entgegenge­stellt werden; so, dass das Drehmoment um das Mastfussgelenk Null wird. Die im Bootsrumpf untergebrachten Gewichte müssen mit dem Mastfuss so verbunden sein, dass sie möglichst nur die Drehmomente des Masts beeinflussen und keine nachteilig­en Drehmomente auf den Rumpf übertragen.

[0007] Ein solches Gewicht überträgt nur dann kein Drehmoment auf den Bootsrumpf, wenn es ausschliesslich am Mast oder am Mast­fuss F (Drehpunkt) befestigt ist (Abb. 1). Das Gewicht kann dabei am Mast über Seile oder über in ihrer Länge verstell­bare Seilzüge aufgehängt sein. Ein solches Gewicht kann auch am Mast oder beim Mastfuss über einen stabilen, auf Zug und Druck belastbaren Pendelarm aufgehängt sein (Abb. 1). Ein solches Gewicht kann auch an einem Ringsystem, welches um den Drehpunkt D (Abb. 3) frei rotiert, befestigt sein. Zur Kompensierung der aus den Kräften A, B und C (Abb. 1) resul­tierenden Drehmomenten kann ein einzelnes Gegengewicht oder ein ganzes System mit mehreren Gegengewichten in entsprech­enden Positionen dienen. Die Summe aller Gewichte und deren Hebelarme mit Bezug zum Mastfussdrehpunkt F muss zur Aufheb­ung der Drehmomente um diesen Drehpunkt F führen.

[0008] Die Kompensierung der Drehmomente kann sich im vereinfach­ten Fall auf das aus den Kräften B und C resultierende Dreh­moment, das heisst, auf die Kompensierung der Rotation um die Schiffslängsachse, beschränken.

[0009] Das Gewicht, bzw. die Gewichte können mit Bezug auf den Drehpunkt F oder D grundsätzlich auf verschiedene Höhen hochgezogen und seitlich verschieden weit ausgeschwenkt werden. Der Pendelarm, bzw. die Pendelarme, die einerseits zur Tragung der Gewichte dienen, deren Funktion aber vor allem in der Ausschwenkung und Distanzhaltung des Gewichts zum Drehpunkt F liegt, können so ausgeführt sein, dass sie in ihrer Länge verstellbar sind. Das heisst, durch diese ver­stellbare Länge des Pendelarms kann das Gewicht auf einer Bahn geführt werden, die nicht einer Kreisbahn mit Zentrum F entspricht.

[0010] Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die auf den Mast einwirkenden Drehmomente aufgehoben werden. Da­durch ist die Moglichkeit gegeben, den Mast in jene Position zu stellen, unter welcher die Windkraft maximal ausgenützt werden kann. Je nach Windstärke kann der Mast senkrecht ge­stellt, nach Luv und/oder nach hinten gelegt werden. Wenn der Mast nach Luv geneigt ist, so weist die vertikale Kraft C nicht mehr wie in Abb. 1 nach unten, sondern nach oben und führt zur Entlastung des Segelschiffes.

[0011] Das beschriebene System eines Masts, der keine Drehmomente auf den Schiffsrumpf überträgt, ist auch für Schiffe mit mehreren Masten anwendbar. Dabei kann jeder Mast individuell in seiner Stellung verändert werden, oder die verschiedenen Maste können in Abhängigkeit voneinander koordiniert ver­stellt und in eine optimale gegenseitige Lage gebracht wer­den.

[0012] Das Erkennen und Festlegen der optimalen Maststellung zur maximalen Ausnützung der Windkraft kann aufgrund menschli­chen Urteilvermögens oder anhand von technischen Einrich­tungen erfolgen. Ueber Messgeräte und Fühler zur Messung der Windkraft und der am Mast angreifenden Kraft M sowie Winkelmessgeräte können aber auch Daten gesammelt werden, die über eine elektronische Datenverarbeitung zur Steuerung des Pendelgewichts (bzw. der verschiedenen Pendelgewichte) und somit zur Festlegung der Maststellung ausgenützt werden können.

[0013] Die Veränderung der Lage des Pendelgewichts, bzw. der Pendel­gewichte, kann über Seilsysteme und Seilwinden durch Mannes­kraft oder unter Zuhilfenahme von Motoren erfolgen. Die Posi­tionierung des Pendelgewichts als auch die Verstellung der Länge des Pendelarms kann aber auch über hydraulische Systeme erfolgen.

Bisheriger Stand der Technik

[0014] US-Patent 3′985′106 beschreibt ein Stabilisierungssystem für Segelschiffe, welches darin besteht, dass der Mast seitlich drehbar gelagert ist und ein Gegengewicht trägt. Im weiter­en ist der Mast an Gewichten, die im Bootsrumpf seitlich hochgezogen werden können, befestigt. Bei diesem System ist der Drehpunkt des Masts ein einfaches Gelenk, welches nur eine seitliche Rotation, nicht aber eine Vorwärts- oder Rück­wärts-Neigung des Masts erlaubt. Bei diesem System wird der Mast über den Drehpunkt hinaus nach unten in den Schiffs­rumpf als durchlaufende gerade Stange weitergeführt; der Drehpunkt ist nicht das Mastende. Ueber die Seilzüge, mit welchen das Gegengewicht am Mast mit den Aufziehgewichten im Rumpf verbunden ist, wird die freie Rotation des Masts verhindert, und werden Drehmomente auf den Rumpf übertragen.

[0015] CH-Patent-Gesuch Nr. 1148/87-3 beschreibt ein Konstruktions­System zur Neigung des Masts von Segelschiffen nach Luv. Als wesentliches Merkmal dieses Patentes ist ein Pendelgewicht (Delphin) zu nennen, welches ausserhalb des Schiffsrumpfes unter dem Schiff oder seitlich im Wasser liegt und über wel­ches der Mast gehalten wird.

Beschreibung der neuen Erkenntnisse

[0016] Entgegen dem US-Patent Nr.3′985′106 wird in der vorliegenden Erfindung der Mast nicht über den Drehpunkt hinaus nach unten weitergeführt, um im Schiffsrumpf ein mit ihm direkt verbun­denes Gegengewicht zu tragen. Beim hier vorliegenden System wird ausser dem Mastfussdrehpunkt (F bzw. D) jede feste Ver­bindung des Masts mit dem Bootsrumpf vermieden. Ebenso wird das Gegengewicht, oder werden die Gegengewichte beim hier be­schriebenen System nicht mit dem Bootsrumpf in Berührung ge­bracht, so dass keine Drehmomente auf den Schiffsrumpf über­tragen werden. Der Mast und das Gegengewicht (bzw. die Ge­gengewichte) bilden eine Einheit, welche die Uebertragung aller auf den Mast einwirkenden Kräfte drehmomentfrei auf den Drehpunkt F oder D überträgt.

[0017] Entgegen dem CH-Patent-Gesuch Nr. 1148/87-3 ist im hier vor­liegenden System das Gegengewicht (bzw. sind die Gegengewich­te) zur Positionierung des Masts im Innern des Schiffsrumpfs angeordnet. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der durch ein Gegengewicht im Wasser (Delphin) entstehende Fahrtwider­stand entfällt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gegengewicht im Bootsrumpf um die Auftriebskraft schwerer wiegt, als dasselbe Gewicht ausserhalb des Bootes unter Was­ser.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Beispiel 1

[0018] Abbildung 2 zeigt einen Querschnitt durch den Rumpf eines Segelschiffs. Der Mast ist um den Mastfuss (F) nach allen Seiten frei schwenkbar. Der Mastfuss F ist als Kugelgelenk oder Kreuzgelenk ausgebildet. Der Mastfuss F ist das untere Ende des Masts.

[0019] Im Punkt F ist ein Pendelarm befestigt, der ebenfalls nach allen Seiten frei schwenkbar aufgehängt ist. Am unteren Ende dieses Pendelarms ist ein Gewicht G befestigt. Das Gewicht G kann folglich nach allen Seiten frei auspendeln, das heisst sowohl seitlich als auch vorwärts und rückwärts. Auf seiner Pendelbewegung (G′) berührt das Gewicht G den Bootsrumpf nicht.

[0020] Anstelle eines einzelnen, nach allen Seiten frei pendelnden Gewichts,können z.B. auch zwei Pendel im Punkt F befestigt sein, wobei das eine Pendel lediglich seitlich ausgelenkt und das zweite Pendel in axialer Richtung (vorwärts - rück­wärts) ausgelenkt werden kann.

[0021] Am Pendelgewicht G sind die zwei Enden eines Drahtseils be­festigt, welches über mehrere Rollen die feste Verbindung von G mit dem Mast herstellt. Die Distanz von G über L nach F kann verkürzt oder verlängert werden. Entsprechend ver­längert bzw. verkürzt sich die Distanz von G über R nach F. Die Länge des Polygonzugs bleibt sich gleich. Die Auslen­kung von G nach G′ erfolgt durch eine Seilwinde in Punkt F.

[0022] Die am Mast angreifende Kraft M muss durch geeignete Wahl des Gewichts G und durch angemessene Auslenkung des Gewichts (Kraft P) kompensiert werden. Das am Mast angreifende Dreh­moment wird durch P aufgehoben. Auf den Bootsrumpf werden nur die auf den Punkt F wirkenden Kräfte übertragen. Der Bootsrumpf wird durch den Kiel K stabilisiert. Bei Schiffen mit mehreren Masten kann das beschriebene System für jeden Mast einzeln oder in gegenseitiger Koordination angewendet werden.

[0023] Abbildung 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Schiffs­rumpf. Um einen freien Raum im Innern des Bootsrumpfes schaffen zu können, der vom Mast und vom Pendelarm nicht be­strichen wird, wird bei dieser Konstruktion der Drehpunkt D durch ein Doppel-Ringsystem "aufgefangen". Der Drehpunkt D ist sowohl der Drehpunkt für den Mast als auch der Drehpunkt für das Pendelgewicht G.

[0024] In der vorliegenden Darstellung wird nur die seitliche Rota­tion von Mast und Pendelgewicht gezeigt, Grundsätzlich kann aber auch diese Konstruktion dreidimensional, das heisst, Mast und Pendel nach allen Seiten frei schwenkend, ausge­führt werden (partielle Kugeloberfläche anstelle des Ring­systems oder mehrere Doppelring-Systeme).

[0025] Das Doppelringsystem besteht aus zwei Ringen, die beide ge­genüber dem Bootsrumpf frei drehbar gelagert sind und die zudem auch gegeneinander konzentrisch frei drehbar sind. An einem der beiden Ringe ist der Mast befestigt, am andern das Pendelgewicht G. Durch gegenseitiges Verstellen der Rin­ge gegeneinander kann die Position des Gewichts G gegenüber dem Mast nach Bedarf verändert und fixiert werden. Der Boots­rumpf wird durch den Kiel K stabilisiert.

Ansprüche

1. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass es über einen Mast verfügt, der in einem nach allen Seiten frei dreh­baren Mastfuss-Gelenk (Kreuzgelenk, Kugelgelenk) gela­gert ist und der demzufolge nach allen Seiten schwenk­bar ist.

2. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass es über ein im Bootsrumpf untergebrachtes Pendelgewicht verfügt, welches über einen Pendelarm nach allen Seiten frei auslenkbar am Mastfuss-Gelenk aufgehängt ist.

3. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass das Pendel mit dem Mast so verbunden ist, dass die auf den Mast einwirkenden Drehmomente um den Mastfussdrehpunkt kom­pensiert werden.

4. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelge­wicht an einem Pendelarm konstanter Länge aufgehängt ist und in festem Abstand um den Mastfussdrehpunkt aus­gelenkt wird oder, dass das Pendel an einem Pendelarm variabler Länge befestigt ist und mit Bezug auf den Mastfussdrehpunkt in unterschiedlichem Abstand geführt wird.

5. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelge­wicht über einen Seilzug mit dem Mast, bzw. dem Mast­kreuz verbunden ist und durch diesen Seilzug in die ge­wünschte Position gezogen, bzw. ausgelenkt werden kann.

6. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass es pro Mast über mehrere Pendel und Pendelgewichte verfügt, die in verschiedenen Pendelebenen ausgeschwenkt werden können.

7. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass der Drehpunkt des Mastfusses und der Drehpunkt des Pendels durch ein gegenüber dem Bootsrumpf frei drehbahres Doppelring-Sy­stem verkörpert und funktionell übernommen wird.

8. Segelschiff gemäss Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Ringe den Mast trägt während am anderen Ring das Pendelgewicht befestigt ist. Beide Ringe sind gegeneinander konzentrisch drehbar und arretierbar.

9. Segelschiff gemäss den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch ge­kennzeichnet, dass die Festlegung der Maststellung an­hand von elektronisch verarbeiteten Messdaten erfolgt, und dass die Positionierung des Pendelgewichts durch Motorenantrieb über Seilwinden, Zahnradsysteme oder hydraulisch vorgenommen wird.

10. Segelschiff dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprüche 1 - 9 auf mehr als nur einen Mast angewendet werden.

Zeichnung