Brecher & Yacht

Brecher  &  Yacht

Grundlagen

Dass Schiffe von einer Welle "getroffen" werden, ist zum üblichen Erklärungsmodell von Schiffskenterungen geworden: der Rumpf des Schiffes wird durch den "Stoß" der Welle weggeschoben, der Kiel bremst die Bewegung und wird zum Stolperstein; das Schiff kentert, letzten Endes durch den Anprall der Welle.
Nach diesem Denkmodell müssten Schiffe ohne Kiel von einer steilen, brechenden Welle seitwärts weggeschoben werden, ohne dass sie kentern.
Eine solche, entsprechend große Welle aber lässt alle Schiffe kentern, egal ob mit oder ohne Kiel.
Ich denke, die Zusammenhänge sind anders. Dazu muss man etwas ausholen:

Grundlagen

-   Entstehung von Brechern
        "Der physikalische Prozess einer brechenden Welle ist zunächst immer derselbe. Sehr vereinfacht ausgedrückt, bewegt sich der obere Teil einer Welle schneller als der untere Teil. Wird ein kritisches Verhältnis erreicht (in der Literatur Wellenhöhe / Wellenlänge = 1/7), bricht die Welle … Diese Steilheit wird durch äußere Einflüsse erzeugt und sind zum einen die Wassertiefe und zum anderen der Wind."         
                                                               
                                (Tobias Schaaf, Deutscher Wetterdienst)                                                                                                           
-   Wassertiefe
http://www.esys.org :
        "Eine Welle, die in flacheres Wasser kommt, wird durch die Reibung auf dem Meeresgrund stark abgebremst. Allerdings wird nur der untere Teil der Welle abgebremst; der obere Teil läuft dagegen normal weiter. Dadurch ist er schneller als der untere - die Welle überholt praktisch ihren unteren Teil und wird dadurch steiler, bis sie schließlich bricht. Je schneller die Wassertiefe geringer wird, desto stärker ist dieser Bremseffekt und damit auch das Brechen der Wellen. …
Besonders gefährlich werden lange Wellen, wenn sie in flaches Wasser kommen. …"

-   Wind
       „Der antreibende Prozess für das Brechen einer Welle ist ... der Wind ... Dabei kann der Wind entweder die Wasseroberfläche ´abreißen´ und Schaumkronen/Gischt erzeugen oder aber die Welle soweit aufsteilen, dass sie bricht."
                                                                                                                                 
   (Tobias Schaaf)

-   Ausgereifter Seegang
Die Wellenhöhe hängt "… neben der Windgeschwindigkeit von der Angriffslänge (fetch) und der Wirkdauer ab. Die meisten Statistiken gibt es für sog. ausgereiften Seegang: Eine weitere zeitliche Einwirkung hat keinen weiteren Einfluss auf die Wellenhöhe - Energieeintrag durch Wind und Dissipation durch Brechen stehen im Gleichgewicht.“                                       (Dr. Wolfgang Sichermann, Thyssenkrupp Marine Systems GmbH)        

        
                                                     
-   Ab wann entstehen Brecher?
"Ab 3 Bft beginnen einzelne Wellen zu brechen."                                                              (Tobias Schaaf)
 
"… das allgemein anerkannte Kriterium, dass Wellen ab einer Wellensteilheit von 1/7 (Verhältnis von Wellenhöhe zu Wellenlänge) brechen …  wird z. B. auch bei 3 Bft. erfüllt, auch wenn die Wellenlängen …  relativ kurz sind."
                                                                             
                                           (Dr. Ing. W. Sichermann)

-   Schaumkronen  (White caps)
        „White caps entstehen nach denselben Kriterien. Ein gängiges Modell nimmt an, dass Seegang als zufällige Überlagerung beliebig vieler Einzelwellen unterschiedlicher Wellenlänge und Höhe beschrieben werden kann. Entsprechend beginnen die kürzeren Wellen bei geringerer Höhe zu brechen, als die längeren. Bei Bft. 3 nehmen wir das nicht als Wellenbrechen wahr, da die ´darunterliegende´ längere Welle stabil fortschreitet und nur der Schaumkamm - die überlagerte kürzere Welle - ´umkippt´.“                                                        (Dr. Ing. W. Sichermann)

-   Die Wasserteilchen in der Welle       
Der Berg einer Welle muss von irgendwoher sein Wasser beziehen: die Welle saugt das vor ihr befindliche Wasser (und das Wasser nach ihr) an. Das bedeutet, dass der Wasserspiegel vor (und nach) der Welle sinkt. (Vgl. das Zurückweichen des Wasserspiegels bei einem Tsunami.)
Ein Wasserteilchen vor der Welle wird also zunächst nach unten und in Richtung der ankommenden Welle bewegt.
Nach dem Erreichen des Tals (vor dem Wellenkamm) steigt das Wasserteilchen hoch und wird gleichzeitig durch das Fortschreiten der Welle mit ihr in Wellenrichtung transportiert. Am Wellenkamm hat das Teilchen nahezu Wellengeschwindigkeit aufgenommen.
Am Wellenkamm angekommen, sinkt es anschließend.  Dabei bewegt es sich nun gegen die Wellenrichtung, allerdings nicht so weiträumig wie zuvor beim Hochsteigen. Es erreicht das Ausgangsniveau, etwas versetzt in Richtung der Wellenbewegung.
In einer Welle beschreibt das einzelne Wasserteilchen somit eine nahezu kreisförmige Bewegung (Orbitalbewegung).  Dabei wird es etwas in Wellenrichtung versetzt.
Das Kurzvideo „Tiefwasserwelle“ im Artikel „Wasserwelle“ bei Wikipedia zeigt diese Orbitalbewegung (Großformat und scharf auf der Originalseite):

 

Tiefwasserwelle nach Stokes: Orbitalbahnen der Wasserteilchen beginnend an zwei Positionen mit dem Abstand einer halben Wellenlänge.

Welle und Yacht
Nun denke man sich anstelle des Wasserteilchens eine Yacht. Sie wird der Orbitalbewegung des Wasserteilchens folgen, vorausgesetzt sie hat genug Auftrieb: die Yacht steigt die Wellenvorderseite hoch wie ein einzelnes Wasserteilchen (besser: sie wird hochgerissen), wird über den Kamm transportiert und sinkt in das folgende Wellental hinab. (Dies gilt auch an sehr großen und sehr steilen Wellen ohne Brecher.)
 
Wenn das Schiff nicht den nötigen Auftrieb hat, kann es den Bewegungen der sie umgebenden Wasserteilchen nicht folgen. Das Schiff "bohrt sich in die Wasserwand" bzw. wird "von der Welle getroffen": grünes Wasser in Wellengeschwindigkeit überflutet  das Deck. Das Schiff kann durch diesen "Seeschlag" erhebliche Schäden erleiden. Und es kann überrollt werden.
    Weil Segelyachten am Heck größeren Auftrieb haben als im Bugbereich, folgert Donald Jordan,
    dass Yachten, wenn sie vor seinem Treibanker liegen, mit dem Heck voraus über die Wellen
    bewegt werden müssen.

Brecher
Die Wasserteilchen am Wellenkamm haben die Geschwindigkeit der Welle aufgenommen. Sie werden, wenn die Welle bricht, zusätzlich in Bewegungsrichtung der Welle beschleunigt und in Wellenrichtung fortgeschleudert. Es entsteht eine Art Wasserfall an der Front der Welle.
 
Brecher trifft Yacht
Ich greife drei Situationen heraus:

Die Yacht treibt oder segelt quer zur Welle,
1)  die Höhe der Welle mit Brecher entspricht der Breite des Schiffes.
Die Wasserteilchen bewegen jenen Teil der Yacht, der auf ihnen ruht. Das heißt, zunächst wird die gesamte Yacht zur Welle hin bewegt, dann steigt eine Seite der Yacht den Wellenberg hinauf und wird angehoben.
Wenn diese Seite der Yacht am brechenden Kamm angekommen ist, befindet sich die gegenüberliegende Seite gerade noch im Wellental.
Nun wirken folgende Kräfte auf das Schiff:
-    Die untere Seite wird zur Welle hin beschleunigt.
-    Der mittlere Teil der Yacht – Boden und Kiel – werden in diesem Augenblick durch die Wasserteilchen angehoben.
-    Die am Kamm der Welle befindliche andere Seite der Yacht wird durch den Brecher in Wellenrichtung beschleunigt.
Die Wasserströmung erzeugt eine Rotation der Yacht. Sie kentert, wenn die Kräfte groß genug sind.
Brechende Wellen ab einer Höhe, die etwa der Schiffsbreite entspricht, können ein quer zur Welle liegendes oder segelndes Schiff zum Kentern bringen.

Die Yacht läuft ab,
2)   die Wellen sind niedriger als die Länge des Schiffes.
Wenn die Yacht schlecht steuert oder nicht schnell genug Fahrt aufnimmt, kann das Heck seitlich versetzt werden: die Yacht schlägt quer.
Gefährlich für sie ist die nachfolgende Welle.
Trifft ein Brecher das Heck, verschärft sich die Situation: die Yacht wird u. U. so sehr beschleunigt , dass sich ihr Bug in das Wasser des Wellentales bzw. in die Rückseite der vorausgehenden Welle bohrt. Weil die Bewegung der Wasserteilchen gegenläufig ist, wird die Yacht abrupt gestoppt. Die Yacht kann quer schlagen.
Das ist die Situation, in der die Fahrt des Schiffes herabgesetzt werden muss. (Siehe "Sturmtaktik".)

3)  
Die brechende Welle entspricht in ihrer Höhe der Länge der Yacht.
Der Bug eines Schiffes ist relativ schmal. Das Schiff wird also eintauchen, und zwar in eine Wasserströmung, die dem Kurs der Yacht entgegengesetzt ist.
Die Kräfte sind sehr hoch:  Die Yacht wird abrupt gestoppt und kentert, im schlimmsten Fall über Kopf.
Weil das Deck in der Regel weniger massiv konstruiert ist als der Rumpf, kann es in diesem Fall eingedrückt werden.

Die ablaufende Yacht kann überkopf gehen, wenn die Höhe der brechenden Welle der Länge des Schiffes entspricht.
 

Jordan-Series-Drogue (JSD, Jordan-Treibanker)
Der JSD wird über Heck ausgebracht. Er hält die Yacht mit dem Heck gegen die Wellenrichtung und bremst die Fahrt. Die Yacht steigt und fällt mit den Wellen. Das fühlt sich so an „wie beim Bungee-Jumping“; so beschreiben es jedenfalls Segler, die den Jordan-Treibanker ausgebracht hatten.
 
Der Jordan-Treibganker hat mehrere Funktionen:
-    Er bremst die Fahrt der Yacht und hält das Schiff vor den Wellen. Querschlagen ist ausgeschlossen.
-    Dabei muss nicht gesteuert werden.
-    Bei Brechern wird das beschleunigte Schiff gerade gerichtet, abgebremst und über die Welle gezogen.
     Auch wenn die Wellen so hoch werden wie das Schiff lang ist.
-    Wenn der Brecher das Schiff nach vorne katapultiert – bei noch höheren Wellen - fängt der Jordan-Drogue
     die Yacht ab, bevor sie im Wellental aufschlägt.
 
Immer wenn Brecher im Spiel sind, entstehen erhebliche Kräfte in verschiedenen Richtungen (Beschleunigungs-, Rotations- und Abbremskräfte). Deshalb muss sich die Mannschaft im Schiffsinneren gegen Verletzungen vorsehen.

Langkieler

Dass bestimmte Langkieler eine Wirbelschleppe erzeugen, in welche die nachfolgenden Brecher stürzen, ohne das Schiff zu erreichen, steht außer Frage (vgl. Helmut van Straelen, „Beidrehen? … Im Orkan?“)

Was ist die Ursache dieser Wirkung?
Vielleicht sieht es optisch wirklich so aus, als liefe die Welle auf die Wirbelschleppe auf wie auf einen (scheinbar ruhenden) Strand.
In Wirklichkeit ruhen die Wasserteilchen zwischen Schiff und Welle nicht; sie bewegen sich zur Welle hin, steigen empor und bilden schließlich selbst die Welle etc.
Wenn Schiffe beiliegen, berichten Segler von einer "Blasenbahn". Spielen also Lufteinschlüsse und damit eine Veränderung des spezifischen Gewichts eine Rolle?
Oder sind es die entstehenden Wirbel an der Kielunterkante (Wirbel sind Bewegungen von Wasserteilchen mit erhöhter Geschwindigkeit), die ihrerseits die Geschwindigkeit der an der Wellenvorderseite aufsteigenden Wasserteilchen erhöhen und dadurch die Welle zum Überkippen bringen?

Blasenbahn?
"Unbenommen jeder Statistik kann ein driftender Körper das Strömungsfeld in den Wellen stören, so dass ein Brechen der Welle ausgelöst wird.
Bei Kurzkielern ist dieser Effekt auf alle Fälle geringer, da sich an Vor- und Hinterkante der Kielflossesenkrechte Wirbelstrukturen bilden, die das Strömungsfeld der Welle nur schwach beeinflussen.
Bei Langkielern entsteht die dominante Strömungsablösung an der Unterkante des Kiels. Die Wirbelstruktur ist horizontal ausgerichtet (parallel zum driftenden Schiff und zu den Wellenfronten) und kann somit das Geschwindigkeitsfeld der Welle verstärken (früheres Brechen oder Dämpfen).
Ich bin nicht der Meinung, dass die Belüftung (Blasenbildung) einen großen Einfluss hat. M. E. ist die Überlagerung der Geschwindigkeiten entscheidend.
Dass bei Langkielern eine geringere Blasenbildung beobachtet wird, ist nachvollziehbar: die dominierenden Wirbel entstehen an der Unterkante des Kiels. Wie soll die Luft dorthin gelangen?"
                                                                                                              (Dr. Ing. Wolfgang Sichermann)      
                                                                                                                   
                                                                                                                                   Dr. Lampalzer, Okt. 2017

Überarbeitet, Jan. 2019