Seemannschaft

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Warum schwimmt eigentlich ein Schiff ?

Diese Frage erscheint uns doch sehr banal. Schiffe schwimmen nun mal, dass wissen wir doch. Aber wenn wir uns das Baumaterial vom Frachter bis zum Flugzeugträger einmal anschauen, dann stoßen wir in erster Linie auf Stahl und Stahl schwimmt eigentlich nicht.

Also ist diese Frage doch mehr als berechtigt ! Um diese Frage zu beantworten müssen wir auf die Zeit zwischen 1643 bis 1727 zurückblicken. Damals lebte der englische Physiker Isaak Newton und einer Legende nach soll er als junger  Mann im Herbst auf einer Wiese unter einem Apfelbaum gelegen haben, als Ihm ein Apfel auf dem Kopf fiel.

Er kam ins grübeln, denn nach seinen Überlegungen müsste der Apfel gen Himmel verschwunden sein, weil sich die Erde in 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse dreht. Bei einem Erdumfang am Äquator von rund 40.000 km entspricht das immerhin einer Geschwindigkeit von rund 1.667 km pro Stunde. Die Fliehkraft aus dieser Rotation müsste eigentlich alles ins  All schleudern, was sich auf der Erde befindet. Doch seltsamer weise passiert das nicht !

Er konnte es sich nur so erklären, dass es eine Kraft geben muss, die größer als die Fliehkraft ist und nannte sie Schwerkraft. Nach seinen Überlegungen hält diese Schwerkraft alles wie ein unsichtbarer Magnet auf dieser Erde fest. Steine ebenso wie Wasser oder auch die Luft. Da Wasser leichter ist als ein Stein, schließt sich automatisch die Frage an: Was macht das Gewicht einer Sache aus ?

Wir wissen heute, dass in der Schwerelosigkeit ( im All ) der Stein nicht schwerer ist als der Wassertropfen. Nach Isaak Newton spiegelt das Gewicht einer Sache nur die Intensität der Massenanziehungskraft ( Schwerkraft ) wieder oder ein Schwamm ist nur deshalb leichter als ein Stein, weil der Stein stärker durch die Massenanziehungskräfte  angezogen wird.

Als Maßeinheit nahm man einen Kubikdezimeter Wasser, was als Hohlmaß einem Liter und als Gewicht einem Kilogramm entsprach. Alles was schwerer ist, als ein Kilogramm pro  Kubikdezimeter geht im Wasser unter. Alles was leichter ist, als ein Kilogramm pro  Kubikdezimeter schwimmt an der Wasseroberfläche. Wenn man einen Kubikdezimeter Stahl ins  Wasser wirft, dann macht es nur "plumps" und der Stahl sinkt zu Boden.

Wirft man einen  Kubikdezimeter Holz ins Wasser, versinkt dieser zwar im ersten Augenblick wegen der  Fallgeschwindigkeit im Wasser und kommt aber nach der Abbremsung durch das Wasser  wieder an die Wasseroberfläche zurück, weil er leichter ist als ein Kilogramm pro Kubikdezimeter. Das ist der Grund warum ein Holzfloß nicht untergeht.




Der Auftrieb eines Schiffes

In der Natur konnte man beobachten, dass bei manch einem Vulkanausbruch die Lava  schäumend ins Meer floss.

Der abgekühlte Lavaschaum hatte Lufteinschlüsse und wenn diese Lufteinschlüsse ein Ausmaß erreicht hatte, dass ein Kubikdezimeter Lavaschaum weniger als ein Kilogramm wog, dann schwamm sogar die abgekühlte Lava an der Wasseroberfläche.

Daraus folgt, wenn man einen Baumstamm aushöhlt, steigert man die Nutzlast, die man mit diesem Baumstamm transportieren könnte. Man verbessert den Auftrieb des entsprechenden  Körpers.

 

Ein kleiner Versuch : Wenn wir eine leere Plastikflasche verschließen und sie unter Wasser drücken, merken wir den Auftrieb anhand der Kraft, die unsere Hand zur Wasseroberfläche drückt.

 

Weitere Verbesserungen ( Erhöhung des Auftriebs ) erreichte man, in dem man keine  Baumstämme aushöhlte, sondern mit Brettern Schiffsrümpfe formte und abdichtete. Damit die  Schiffe nicht bei starkem Seegang mit Wasser vollschlugen, verschloss man sie nach oben.

Es entstand ein Hohlraum, der durch Luken betreten oder auch beladen werden konnte.

Eine leere geschlossene Flasche kann niemals untergehen, solange die Wandungen ( Flasche ) nicht beschädigt wird und Wasser eindringen kann. Dies gilt auch für jedes Schiff.

Auftrieb1
Auftrieb 1
Auftrieb2
Auftrieb 2

Die Wasserverdrängung eines Schiffes

Im modernen Schiffbau hat der Stahl das Holz verdrängt. Trotzdem gelten die physikalischen Grundlagen natürlich weiter.

Auch das Volumen des Stahlschiffskörpers muss unter einem Kilogramm pro Kubikdezimeter oder einer Tonne pro Kubikmeter bleiben damit es schwimmt und je weiter dieser Wert unterschritten werden kann, desto höher wird die spätere Nutzlast ausfallen, die das Schiff transportieren kann. 

Die Obergrenze der Wasserverdrängung wird durch die Stabilität des Schiffes gesetzt.

Missachtet man die Stabilität, dann könnte es passieren, dass ein Schiff z.B. auseinander bricht oder der Schiffsrumpf vom Wasserdruck einfach eingedrückt wird.

Trotzdem könnte man es auch so einfach formulieren : Ein Schiff muss mehr Wassergewicht verdrängen, als sein Eigengewicht. Nur dann kann es schwimmen !

Der Schiffsbau                      

Nun wissen wir warum ein Schiff schwimmt.

Doch wie könnte die Entwicklung des Schiffsbaues ausgesehen haben, denn Wasserflächen und sei es nur ein kleiner Fluss, konnte man nur an sehr flachen Stellen überwinden und die gab es nicht allzu häufig.                  

Als erstes muss einem Menschen aufgefallen sein, dass Holz im Wasser schwimmt und nicht untergeht. Als nächstes musste die Erkenntnis folgen, dass mehrere Hölzer ( Baumstämme )  zusammengebunden ein Vehikel ( Floß ) ergabt, das nicht nur schwimmt, sondern auf dem man auch etwas transportieren konnte.

So ein Floß wird von Zeit zu Zeit auch mal vom Wasser überspült und irgend ein Mensch kam wohl auf den Gedanken, wenn man die Außenränder des Floßes etwas erhöht, wird es nicht mehr so oft vom Wasser überspült und damit schlug wohl  die Sternstunde des Schiffsbaues.        

Die Entstehung von Rumpfformen                  

Doch die Welt ist groß und in der Südsee sah diese Entwicklung etwas anders aus. Auch dort hat man bemerkt, dass Holz schwimmt, aber man baute keine Flöße, sonder höhlte größere Baumstämme aus.

Auf diese weise konnte man gewichtsmäßig mehr transportieren. und weil die Form eines Baumes rund ist, war die Unterseite des Schiffes ( Rumpfform ) ebenfalls rund. Heute bezeichnen wir diese Rumpfform als Rundspant und sie wird heute noch gebaut.              

Doch der Rundspant war nicht die einzigste Rumpfform. Als Menschen merkten, dass die Verwendung von ganzen Baumstämmen recht unpraktisch war und man einen höheren Zuladungsgrad ( Tonnage ) durch das Verdrängen von Wasser mittels Planken ( Holzbretter im Bootsbau ) erreicht.

Entstand der Knickspant mit zwei Unterformen. Zum einem mit einem V-Boden und zum anderen mit einem Flachboden, der sich gut für Gewässer eignete, die sehr flach waren oder wie das Wattenmeer, das zeitweilig trocken fällt.    

               Rundspant                                                   Knickspant

Rundspant
Rundspant
V - Boden
V - Boden
Flachboden
Flachboden
Rundspant (3D)
Rundspant (3D)
V - Boden (3D)
V - Boden (3D)
Flachboden (3D)
Flachboden (3D)

 

Die Formstabilität eines Bootes                  

Wer schon einmal in einem kleinen Kanu gesessen hat, das kaum breiter war, als die  Schulterbreite eines Ruderers, weiß wie stabil oder instabil so ein kleines Boot sein kann. Die kleinste Bewegung kann schon zu einer Kenterung führen. Hingegen nimmt die Stabilität mit der Breite eines Bootes zu.

Ein Ruderboot, in dem zweit Personen nebeneinander sitzen können, ist wesentlich stabiler und man muss nicht jede Bewegung ausbalancieren. Diese Art der Stabilität wird als Formstabil bezeichnet.                    

Betrachtet man den Zugewinn an Stabilität als positiv, so schlägt dieser Vorteil schnell ins Negative um, wenn das Boot gekentert ist. Ein schmales Boot lässt sich leichter und schneller aufrichten als ein breites Boot.        

 

 

 

. . .  und es geht weiter  

Heinz Rose

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