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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitssegelbrett mit einem
auf dem Deck befindlichen Belüftungsschacht, der über ein Kanalsystem mit ein oder
mehreren an der Segelbrettunterseite angeordneten Luftaustrittsöffnungen, welche
sich jeweils hinter einer Abrißkante befinden und von denen sich Zäune zum Segelbrettheck
ziehen, verbunden ist.
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Bekannt sind motorisierte Gleitboote, bei denen mit unterschiedlichsten
Hilfsmitteln Luft zur Verminderung des Reibungswiderstandes unter den Bootsrumpf
gepreßt wird.
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In der US-PS 18 77 380 wird ein Gleitboot beschrieben, cäs mit einer
maschinellen Luftansaugvorrichtung versehen ist, die die Luft von oben über einen
Luftkanal in eine sich quer über die Rumpfbreite erstreckende Stufe preßt, die etwa
in der Mitte der Ländserstreckung des Bootes liegt.
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Die Luft wird dabei an der Vorderseite des Bootes angesaugt. An der
Vorderseite des Bootes ist weiterhin ein Mittelkiel vorgesehen, wodurch rechts und
links dieses Mittelkieles Tunnel gebildet werden , die aber nicht bis in den Bereich-der
für den Luftaustritt der Luftansaugvorrichtung bestimmten Stufe durchlaufen, sondern
bereits vor dieser Stufe enden.
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Die durch den oder die Lufteinlauftunnel an der vorderen unteren Seite
des Bootes einlaufende Luft kann nur unter erheblicher Wirbelbildung im Bereich
der Stufe in die rückwärtigen Luftabflußtunnel abfließen, so daß hier ein Widerstand
geschaffen wird, der sich der Vorwärtsbewegung des Bootes entgegensetzt und wodurch
außerdem erhebliche Wellen an den Seitenberchen des Bootes erzeugt werden, wobei
zur Erzeugung dieser Wellen eine relativ hohe
Energie benötigt wird.
Ein windkraftgetriebenes Segelbrett verfügt jedoch nur über eine äußerst begrenzte
Vortriebsenergie. Dieses für Motorboote eventuell geeignete Prinzip ist aufgrund
der hohen Widerstandserzeugung und des hohen Gewichtes der benötigten Apparaturen
bei einem Segelbrett nicht zu realisieren.
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Weiterhin ist nach DT-AS 20 59 087 ein Gleitboot bekannt mit einem
nach unten offenen, symetrisch zur vertikalen Mittellängsschiffsebene verlaufenden,
senkrechte parallele Seitenwände aufweisenden Lüftungskanal und mit mehreren neben
dem Lüftungskanal angeordneten und parallel zu diesem verlaufenden Gleitstufen in
der Außenhaut; die Eintrittsöffnung des Luftzuleitkanals befindet sich im Bug des
Bootes.
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Dieses System ist speziell für ein mit Gleitstufen ausgestattetes
Boot ausgelegt, über die Segelbretter nicht verfügen. Im Bug angebrachte BuSteinlaßöffnungen
können für Segelbretter nicht verwendet werden, da bei Segelbrettern die Aufbiegung
der Bugschaufel nur 10 - 30cm beträgt; in die Lufteinlaßöffnungen würde Wasser hereingedrückt
werden, was einen extrem hohen Bremseffekt zur Folge hätte. Somit ist auch dieses
System für Segelbretter nicht geeignet . .1 Aus DT-AS 22 32 113 ist ein Gleitboot
bekannt mit einer über einen Luftkanal von oben mit Luft beschickten, sich quer
über die Breite der Unterseite des Bootsrumpfes erstreckenden Stufe und sich von
der Stufe aus zum Beck erstreckenden rückwärtigen, einen Luftabflußtunnel begrenzenden
Steuerbord- und Backbordkielen sowie sich vom Bug bis zur Stufe erstreckenden, einen
Lufteinlauftunnel begrenzenden Steuerbord- und Backbordkielen. In Fahrt gleitet
das Boot auf drei Punkten, und zwar auf den beiden rückwärtigen Bereichen der Back-
und Steuerbordkiele.
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Ein auf einem Tunnelrumpf basierendes Prinzip zur Verminderung des
Wasserreibungswiderstandes gemäß DT-AS 22 32 113 ist für Segelbretter nicht möglich,
da ein Segelbrett nur eine Dicke von wenigen Zentimetern und eine Breite von rund
einem halben Meter besitzt; die wasserbenetzte Unterseite als auch das Gewicht des
Segelbrettes würden übermäßig und unnütz erhöht werden, was einer Forderung nach
Höchstgeschwindigkeit natürlich nicht entgegenkommt. Die Verminderung des Reibungswiderstandes
erfolgt nach DT-AS 22 32 113 nur an der höchsten Stelle des Tunnels, da die gegenüber
dem Wasser leichtere Luft nach oben steigt. Die Verminderung des Reibungswiderstandes
durch Luft wird somit nicht voll ausgenutzt.
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In der DE-AS 20 48 988 wird eine Vorrichtung zur Verminderung des
Reibungswiderstandes eines Schiffes beschrieben, bestehend aus einem am Schiffskörper
quer zu dessen Längsachse entlanglaufenden Kanal mit nach hinten gerichteten Schlitzen,
aus einer Anlage, die über eine Lufteinlaßöffnung in den Kanal Druckluft fördert,
welche aus Schlitzen austritt und zwischen dem Schiffskörper und dem Wasser eine
reibungsmindernde Luftschicht bildet, und aus Kanalzwischenwänden, die den Aufbau
von dem Wasserdruck im Bereich der jeweiligen Schlitze angepaßten Luftförderanlagen
gestatten. Die Vorrichtung wird im Bugbereich des Schiffes angeordnet, damit die
austretende Luft den ganzen Schiffskörper, der sich im Wasser befindet, überstreichen
kann.
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Abgesehen davon, daß die Vorrichtung gemäß DE-AS 20 48 988 aus Gewichtsgründen
für ein Segelbrett nicht geeignet5jst, besitzt sie noch einen weiteren gravierenden
Nachteil Die gegenüber dem Wasser leichtere Luft ist bestrebt nach oben aufzusteigen.
Trifft-die Luft dabei auf eine nicht exakt senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung
stehenden Fläche, so zerlegt sich die Auftriebskraft der Luft in eine nach oben
und eine seitlich gerichtete Komponente. Die
Luft rutscht sofort
seitlich nach oben weg. Aufgrund der eigentlich immer bestehenden Schlingerbewegungen
eines Schiffes als auch bestimmter Schiffsquerschnittsformen geschieht dies fortwährend;
die Aufgabe der Vorrichtung, nämlich den Reibungswiderstand zu reduzieren, wird
dadurch nahezu völlig zunichte gemacht.
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Es ist bekannt, daß bei einigen Surfbrettypen die Brettunterseite
in ihrem Querschnitt leicht konkav ausgearbeitet wird. Unter die Bugschaufel des
Brettes gelangte Luft wird dadurch unter die Gleitfläche gedrückt. Dies führt zu
einer Reduzierung des Reibungswiderstandes. Da die Luft leichter als das Wasser
ist, sammelt sie sich an der höchsten Stelle der konkaven Brettunterseite. Nur in
diesem Bereich findet eine Rèibungsminderung statt, nicht aber an der gesamten Gleitfläche.
Der durch die Reibungsminderung erzielte Geschwindigkeitszuwachs ist jedoch nicht
unerheblich ein mit einer konkav ausgearbeiteten Brettunterseite versehenes Segelbrett
erreichte bereits die Geschwindigkeit von ca. 50 km/h Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, ein Segelbrett zu schaffen, welches unter Verwendung einer einfachen,
leichten und effektiv arbeitenden Vorrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes
und unter optimaler Ausnutzung der Windenergie eine für Segelfahrzeuge extrem hohe
Geschwindigkeit erreicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Hochgeschwindigkeitssegelbrett nach
der Erfindung gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche
enthaltenen Merkmale.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitssegelbrett ist ein auf
dem Deck befindlicher Belüftungsschacht so angebracht, daß seine Lufteintrittsöffnung
(Le) genau zum Segelbrettbug weist. Bei einem schnell fahrenden Segelbrett wird
dadurch der aus dem atmosphärischen und dem Fahrtwind resultierende scheinbare Wind
nahezu genau frontal in die Lufteintrittsöffnung (Le) gedrückt. Über ein oder mehrere
Belüftungskanäle (K) wird die Luft durch den Brettkörper zur Brettunterseite, zu
ein oder mehreren , sich quer über die Rumpfbreite erstreckenden Luftaustrittsöffnungen
(La) geleitet. Aus diesen Austrittsöffnungen (La) wird die Luft unter die Gleitfläche
des Segelbrettes gepreßt und überzieht diese als eine reibungsmindernde Schicht.
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Die Luft in den Belüftungsschacht hineinzudrücken, kostet selbstverständlich
einen Teil der bei einem Segelbrett1 durch Windenergie erzeugten Vortriebskraft.
Die im Endeffekt durch die unter die Gleitfläche des Segelbrettes geleitete Luft
verursachte Reduzierung des Reibungswiderstandes ist jedoch erheblich größer als
der durch den Lufteintritt in den Belüftungsschacht erzeugte Widerstand. Ein Großteil
der normalerweise aufgrund des ursprünglichen Reibungswiderstandes verbrauchten
Energie ist nun freigesetzt zur Erhöhung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Segelbrettes.
Hierauf soll auch später noch einmal eingegangen werden.
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Die Lufteintrittsöffnung (Le) des Belüftungsschachtes sollte sich
etwa in der Mitte oder im vorderen Drittel des Segelbrettes befinden. Da ein Segelbrett
im Gleitzustand nur noch mit der Heckpartie auf dem Wasser aufliegt, hat die besagte
Anordnung den Vorteil, daß die vom Segelbrett erzeugte Bugwelle im Bereich hinter
der Lufteintrittsöffnung (Le) auftritt und das von der-Bugwelle ausgehende Spritzwasser
nicht in die Lufteintrittsöffnung (Le) gelangen und eine Bremswirkung erzielen kann.
Ebenso wird die Lufteintrittsöffnung (Le) durch die vor ihr liegende Bugschaufel
des Segelbrettes, die von vorn aufkommendes Spritzwasser seitlich ablenkt, vor bremsenden
Spritzwassereintritt geschützt.
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Je nach Ausführung des Belüftungsschachtes empfiehlt es sich ein oder
mehrere, aus Widerstandsgründen aerodynamisch günstig geformte Streben (2) in den
Schacht einzustzen, um ihn vor einer Deformation, beispielsweise bei Belastung durch
den Benutzer des Segelbrettes, zu bewahren.
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Die Luftaustrittsöffnungen (La) sollten sich vorwiegend im Heckbereich
des Segelbrettes befinden, da dieser Abschnitt auch im Fahrzustand wasserbenetzt
ist und den Hauptteil des Reibungswiderstandes verursacht. Wird nur eine Luftaustrittsöffnung
(La) in Form eines Schlitzes verwendet, so ist es erforderlich, daß sie am Anfang
der noch wasserbenetzten Gleitfläche angeordnet wird und sich quer über die gesamte
Breite des Segelbrettrumpfes erstreckt, damit die aus der Austrittsöffnung (La)
strömende Luft die gesamte, noch wasserbenetzte Gleitfläche überstreicht. Werden
mehrere Luftaustrittsöffnungen (La) verwendet, so können diese symetrisch oder unsymetrisch
auf die Gleitfläche verteilt werden. Die Luftzufuhr erfolgt dann über mehrere Belüftungskanäle
(K). Siehe dazu Fig. 3a und 3b.
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Der in den vorhergehenden Abschnitten abgehandelte Stoff wird verdeutlicht
durch folgende Zeichnungen : Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße
Hochgeschwindigkeitssegelbrett Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße
Segelbrett an der in Fig. 1 entsprechend gekennzeichneten Stelle Fig. 3a und 3b
zeigen als mögliche Ausführungsformen die Lage der Belüftungskanäle (K) und der
Luftaustrzttsöffnungen (La)
Ein weiterer Hauptbestandteil des erfindungsgemäßen
Hochgeschwindigkeitssegelbrettes ist die jeweils genau vor einer als Spalte ausgearbeiteten
Luftaustrittsöffnung (La) angeordnete bzw. leicht über diese hinübergezogene, scharfe
Abrißkante (1), welche im Bereich seitlich der Luftaustrittsöffnung (La) hydrodynamisch
günstig an den Segelbrettkörper angeformt ist. Die Wirkungsweise der Abrißkante
(1) soll unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgen Fig. 4a zeigt einen Längsschnitt
durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitssegelbrett im Bereich der Abrißkante
(1).
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Befindet sich das Segelbrett im statischen Zustand, so dringt das
Wasser (schraffiert) durch die hinter der Abrißkante (1) liegende Luftaustrittsöffnung
(La) bis zur Wasserlinie (CWL) des Segelbrettes in den Belüftungskanqal (K) ein.
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Fig. 4b zeigt den der Fig. 4a entsprechenden Längsschnitt eines nun
langsam bewegten, erfindungsgemäßen Segelbrettes.
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Das über die Unterseite des Segelbrettes langsam strömende Wasser
(verdeutlicht durch Strömungslinien) erhöht an der Abrißkante (1) seine Strömungsgeschwindigkeit.
Dadurch entsteht im Bereich der Abrißkante (1) und der unmittelbar dahinter liegenden
Luftaustrittsöffnung (La) ein Unterdruck.
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Durch den atmosphärischen Luftdruck wird nun ein Teil des im Belüftungskanal
(K) befindlichen Wassers (schraffiert) aus der Luftaustrittsöffnung (La) herausgepreßt.
Hierbei können bereits schon einzelne Luftblasen (verdeutlicht durch Kreise) mitgerissen
werden, die so unter die Gleitfläche des Segelbrettes gelangen.
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Fig. 4c zeigt den den Fig. 4a und 4b entsprechenden Längsschnitt bei
nunmehr schneller Bewegung des Segelbrettes.
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Der im Bereich der Abrißkante (1) entstehende Unterdruck ist aufgrund
der suew hohen Strömungsgeschwindigkeit nun sehr groß. Dadurch wird das im Belüftungskanal
befindliche Wasser völlig herausgedrückt und zusätzlich Luft unter die
Gleitfläche
des Segelbrettes gepreßt, welche die Gleitfläche in Form von Luftblasen oder einem
Luftfilm (kreuzschraffiert) als eine reibungsmindernde Schicht überzieht.
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Da die durch das strömende Wasser erzeugte Sogwirkung extrem hoch
ist (im Vergleich beispielsweise zu strömender Luft), können die Abrißkanten (1)
sehr klein dimensioniert werden.
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Der durch sie verursachte Widerstand ist daher ebenfalls äußerst gering.
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Damit im statischen Zustand des Segelbrettes nur wenig Wasser in die
Belüftungskanäle (K) dringt, welches in Fahrt schnell wieder entweichen kann, ist
es vorteilhaft, den Hauptteil der Belüftungskanäle (K) über die Wasserlinie (CWL)
des Segelbrettes zu legen.
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Als weitere Ausführungsmäglichkeit kann anstelle der Abrißkante (1)
eine Lavaldüse verwendet werden, welche sich wie eine Schiene quer über die Breite
des Segelbrettes erstreckt und bei der die Luftaustrittsöffnung (La) in die engste
Stelle der Düse mündet. Die Wirkungsweise der lavaldüsenartig ausgearbeiteten "Schiene"
(3) ist gleich der der Abrißkante (1). Die Sogwirkung ist jedoch noch erheblich
größer. Allerdings ist auch der Widerstand weitaus höher als der der Abrißkante
(1).
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Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Segelbrett
im Bereich der lavaldüsenartig geformten "Schiene".
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Die "Belüftung" der wasserbenetzten Gleitfläche des Segelbrettes erfolgt
also gleichzeitig durch das Zusammenwirken.
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einer über und einer unter Wasser befindlichen Vorrichtung.
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Da insbesondere die Abrißkante (1) sehr widerstandsarm und effektiv
arbeitet, kann die Lufteintrittsöffnung (Le) des auf Deck befindlichen Belüftungsschachtes,
die einen
relativ hohen Luftwiderstand verursacht, klein dimensioniert
werden Durch das Zusammenwirken dieser beiden Systeme, ist es möglich, unter geringsmöglichem
Energieaufwand eine große Luftmenge unter die Gleitfläche des Segelbrettes zu befördern,
was eine hohe Reibungswiderstandreduzierung zur Folge hat.
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Die normalerweise durch den Reibungswiderstand verbrauchte Windenergie,
welche nur in einem begrenzten Rahmen zur Verfügung steht, kann nun zur Erhöhung
der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Segelbrettes genutzt werden.
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Einen weiteren erfindungsgemäßen Bestandteil bilden viele millimeterhohe,
parallel zur Längsachse des Segelbrettes ab Luftaustrittsöffnung (La) bzw. Beginn
der Gleitfläche in Richtung Segelbrettheck verlaufende "Zayne't (Z), welche garantieren,
daß die unter das Segelbrett gepreßte Luft die gesamte, in Gleitfahrt noch wasserbenetzte
Brettunterseite überstreicht.
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Fig. 6 zeigt den Heckabschnitt einer Segelbrettunterseite mit darauf
angeordneten, erfindungsgemäßen Zäune (Z).
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Wie bereits eingangs erwähnt hat die unter das Segelbrett gelangte
Luft aufgrund ihrer gegenüber dem Wasser geringeren spezifischen Dichte das Bestreben
nach oben aufzustaigen. Trifft die Luft dabei auf eine schräg zu ihrer Aufwärtsbewegung
gerichteteFläche, so gleitet sie an dieser seitlich nach oben ab. Bei einem V-förmigen,
runden oder auch bei einem planen Unterwasserschiff aufgrund der per manenten Schlingerbewegungen
eines Segelbrettes, die unter das Segelbrett gelangte Luft würde hinter der Luftaustrittsöffnung
(La) sofort seitlich nach oben wegströmen; die weitere Gleitfläche - bis zum Segelbrettheck
- würde nicht von der Luft überstrichen werden, der reibungsmindernde Effekt wäre
nicht mehr vorhanden.
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Fig. 7a zeigt einen Teilquerschnitt durch das erfindungsgemäBe, bewegte
Segelbrett mit den an der Brettunterseite angebrachten "Zäunen " (Z), bei exakt
waagerechter Lage der Segelbrettquerachse.
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Eine unter die Gleitfläche des Segelbrettes gelangte Luftblase (LB)
erfährt, da die Gleitfläche des Segelbrettes genau senkrecht zur eigentlichen Aufwärtsbewegung
der Luftblase (LB) steht, keine seitlich ablenkende Kraft, sie bewegt sich ohne
seitliche Ablenkung mit der Strömung in Richtung Segelbrettheck.
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Fig. 7b zeigt den der Fig. 7a entsprechenden Querschnitt bei schräger
Lage der Segelbrettquerachse.
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Da die Gleitfläche schräg zur eigentlichen Aufwärtsbewegung der Luftblase
(LB) steht, rutscht diese seitlich nach oben ab. Diese seitlich nach oben gerichtete
Bewegung wird jedoch durch einen "Zaun" (Z) aufgehalten. Die Luftblase bleibt an
ihm hängen. Am 1t Zaun" (Z) entlang rutscht die Luftblase in Strömungsrichtung weiter
bis sie die Gleitfläche des Segelbrettes parallel zur Längsachse verläßt. Eine unter
die Gleitfläche des Segelbrettes gelangte Luftblase oder Luftschicht kann nicht
mehr seitlich ausbrechen, sondern überstreicht, auch bei Schlingerbewegungen des
Segelbrettes, zwischen jeweils zwei "Zäunen" den den beiden "Zäunen" zugeordneten
Längsabschnitt der Gleitfläche. Somit wird die gesamte, hinter der Luftaustrittsöffnung
(La) bzw. dem Beginn der Gleitfläche befindliche Unterseite des Segelbrettes von
Luft überstrichen.
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Die erfindungsgemäßen "Zäune" (Z) können auch an den Segelbrettseiten
angebracht werden, um die Aufwärtsbewegung von Luftblasen weitgehend zu unterbinden
und eine zusätzliche Widerstandsreduzierung zu erzielen.
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Diese für Segelbretter verwendeten "Zäune"(Z) sind auch für (Motor-)boote
oder Schiffe zu benutzen, bei welchen z.B. mit mechanischen Hilfsmitteln Luft unter
den Rumpf befördert wird.
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Als eine weitere Ausführungsform ist vorgesehen, die Luftaustrittsöffnung(en)
(La) in Form von vielen, sehr kleinen über die gesamte Gleitfläche (Brettunterseitenheckbereich)
verteilten Luftaustrittslöchern (4) auszubilden. Hierbei entfällt die Verwendung
von Abrißkanten oder lavaldüsenartig ausgearbeiteten "Schienen". Die Belüftung erfolgt
lediglich über aufgrund der Bewegung des Segelbrettes in den BelüStunrvsschacht
strömenden Luft oder über ein in das Segelbrett eingebautes Preßluftreservoir.
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Die Ausführungsform mit Luftaustrittslöchern (4) erweist sich widerstandsmäßig
als am günstigsten, jedoch dürfte der Einbau der zig dünnen, zu den Belüftungslöchern
(4) führenden Belüftungskanäle in das Segelbrett problematisch sein.
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Ein zusätzlicher, nichttechnischer torteil ist der, daß Gewässern
durch die ins Wasser geleitete Luft Sauerstoff, wenn auch nur in kleinen Mengen,
zugeführt wird.
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Preßluftreservoirs haben den Nachteil, daß sie Luft nur für begrenzte
Dauer zur Verfügung stellen und sie mit hoher Wahrscheinlichkeit bei Geschwindigkeitswettbewerben,
Regatten etc. als unzulässiges Hilfsmittel angesehen werden, ansonsten erweisen
sie sich jedoch als recht ideal.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Bugschaufgl des Segelbrettes
leicht konkav auszubilden, die konkave Form zur Abrißkante hin jedoch wieder abflachen
zu lassen.
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Hierdurch werden zusätzlich Luftblasen unter das Brett gedrückt.
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Für den obigen Fall können die "Zäune" (Z) auch bereits schon vor
der Luftaustrittsö ffnung (La) angebracht werden, sie ziehen sich dann bis auf die
Abrißkante (1).
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Um im Fall einer konkaven Bugschaufel zu verhindern, daß insbesondere
im Bereich der Abrißkante (1) Luft seitlich wegströmt, können seitlich der Abrißkante
kleine Leitflächen (5) angebracht werden.
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Fig. 9 zeigt die Seitenansicht einer in Höhe der Abrißkante (1) angebrachten
Leitfläche (5).
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Das Gewicht des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitssegelbrettes
differenziert sich nicht von anderen, heute gängigen Segelbrettern, da sämtliche
Belüftungsvorrichtungen allein durch Verformung einer konventionellen Segelbrettform,
nicht jedoch unter nennenswert höherem Materialaufwand, geschaffen werden können.
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Die senkrechten Teile der Belüftungskanäle (K) können z. B.
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gleichzeitig als Langsversteifungen für das Segelbrett fungieren.
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Zusätzliche vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Das Hochgeschwindigkeitssegelbrett gemäß der Erfindung kann nach jedem,
heute für Segelbretter gängigem Eerstellungsverfahren gefertigt werden.
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