Schiffe und Boote

Durchschnittliche Dichte

Wenn Sie die Idee des Auftriebs immer noch etwas verwirrend finden, denken Sie einfach wieder an die Dichte. Stellen Sie sich vor, der Flugzeugträger wäre eine riesige Metallkiste mit dem gleichen Volumen (wie ein großer Schuhkarton), die teilweise mit Triebwerken, Flugzeugen, Matrosen und allem anderen gefüllt ist, also genauso viel wiegt. Diese Kiste würde schwimmen, wenn sie weniger wiegt als eine mit Wasser gefüllte Kiste der gleichen Größe; andernfalls würde sie sinken. Kurz gesagt, ein Flugzeugträger schwimmt, weil er weniger wiegt als das gleiche Volumen an Wasser – weil seine durchschnittliche Dichte geringer ist als die des Wassers, das ihn umgibt.

Foto: Der einfachste Weg zu verstehen, warum Dinge schwimmen, ist, Archimedes zu vergessen und stattdessen an die Dichte zu denken. Ein Schiff schwimmt, weil seine durchschnittliche Dichte relativ gering ist. Dieses leere Militärtransportschiff ist praktisch eine riesige leere Metallkiste. Teilt man seine Gesamtmasse (seine eigene Masse plus die seines Inhalts) durch sein Volumen, erhält man seine durchschnittliche Dichte. Diese ist geringer als die Dichte eines massiven Metallbehälters oder eines mit Wasser gefüllten Metallbehälters, und deshalb schwimmt das Schiff. Foto von Gary Keen mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Warum kentern Boote nicht?

Wer schon einmal in ein Ruderboot gestiegen ist, das an einem Steg festgemacht war, hat eine Vorstellung davon, wie instabil kleine Boote sein können, wenn man sie zu beladen beginnt. Wenn Sie in einem Boot stehen, werden Sie praktisch zu einem Teil des Bootes, wodurch sich der Schwerpunkt des Bootes verändert und es sofort viel höher liegt. Da man ein Boot von der Seite betritt, verlagert sich der Schwerpunkt in dem Moment, in dem man an Bord geht, in Richtung der Stelle, an der man steht, und der Schwerpunkt liegt nicht mehr über der Mitte des Bootes, so dass sich das Ganze zu einem hin dreht. Ein Boot kann relativ frei von einer Seite zur anderen schwingen; da es einen positiven Auftrieb hat, ist nur eine geringe Kraft erforderlich, um es im Wasser zu bewegen. All diese Faktoren zusammengenommen führen dazu, dass ein kleines Boot relativ leicht kentern kann (auf die Seite kippt und oft untergeht). Wenn man sich in ein kleines Boot setzt, senkt man den Schwerpunkt und macht es stabiler.

Foto: Kleine Boote können sehr instabil sein, selbst mit einem Kiel. Der starke Wind könnte dieses Boot zum Kentern bringen, weshalb die Besatzung alle am Rand sitzen, um die Drehkraft mit ihrem eigenen Gewicht auszugleichen. Foto von Chad Runge mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Größere Boote leiden nicht unter diesem Problem: Erstens haben sie in der Regel schwere Metallmotoren, die sehr tief unter dem Wasserspiegel liegen, was ihnen einen niedrigen Schwerpunkt verleiht und sie stabiler macht. Zweitens haben sie einen größeren Kiel (ein senkrechtes Brett, das unter Wasser von hinten nach vorne entlang des zentralen „Rückgrats“ unter dem Boot verläuft). Der Kiel trägt dazu bei, dass ein Boot nicht rollt (sich von einer Seite zur anderen bewegt) oder kentert, da mehr Kraft erforderlich ist, um das Boot seitlich durch das Wasser zu schieben oder es zu drehen. Der Kiel spielt auch eine Rolle beim Steuern und Antreiben des Bootes, wie wir gleich sehen werden.

Wie bewegen sich Boote?

Die Schwerkraft ist die Kraft, gegen die wir arbeiten müssen, wenn wir an Land gehen. Aber wenn du ein begeisterter Schwimmer bist, weißt du, dass das kein Problem ist, wenn du dich auf dem Wasser bewegst, weil dein Körper relativ schwimmfähig ist: Obwohl dein Körper größtenteils aus Wasser besteht, besteht er nicht nur aus Wasser (er wiegt weniger als ein Wassersack von genau derselben Größe). Der Wasserwiderstand (Luftwiderstand) ist bei weitem die größte Kraft, gegen die Schwimmer ankämpfen müssen – das gilt auch für Boote. Je mehr Gewicht ein Boot hat, desto tiefer liegt es im Wasser und desto größer ist der Wasserwiderstand. Deshalb haben Boote spitz zulaufende, schmale Bögen (um das Wasser sauber aus dem Weg zu schieben) und gekrümmte Vorderkanten, die sich abflachen (um sie während der Fahrt aus dem Wasser zu heben). Tragflächenboote treiben diese Idee auf die Spitze, indem sie Unterwasserflügel benutzen, um ihren Rumpf während der Fahrt aus dem Wasser zu heben.

Foto: Ein Tragflächenboot ist ein Bootstyp, der mit Hilfe von Unterwasserflügeln Auftrieb erzeugt, wenn er vorwärts fährt, und so den Rumpf über die Wellen hebt, um den Wasserwiderstand zu verringern. Foto von Mark S. Kettenhofen mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Wie die meisten anderen Objekte treiben sich Boote selbst an, indem sie die drei Newtonschen Bewegungsgesetze nutzen: 1) Sie fahren nirgendwo hin, ohne dass eine Kraft sie schiebt oder zieht; 2) Wenn eine geeignete Kraft vorhanden ist, beschleunigt sie sie (bewegt sich schneller oder in eine neue Richtung), und eine größere Kraft beschleunigt sie noch mehr; 3) Wenn ein Boot vorwärts fahren will, muss es eine rückwärts gerichtete Kraft aufbringen – so wie man mit einem Skateboard zurückstoßen muss, um den Bürgersteig hinunterzuschießen (oder mit den Beinen zurückstoßen muss, um vorwärts zu gehen).

Die meisten Boote nutzen eine von drei verschiedenen Antriebsarten: Ruder oder Stangen, Segel und Motoren.

Ruder und Stangen

Foto: Menschliche Kraft ist nach wie vor eine zuverlässige Methode, ein Boot anzutreiben, aber wenn man nicht gleich viele Ruder auf beiden Seiten hat (oder die Seiten immer wieder wechselt), wird man sich mehr auf eine Seite als auf die andere bewegen. Foto von Clay Weis mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Die älteste Form des Bootsantriebs ist die einfache menschliche Kraft. Man kann ein Boot rudern, indem man das Wasser mit großen Paddeln rückwärts zieht, oder man kann etwas wie ein Floß vorwärts stoßen, indem man sich gegen einen Fluss oder den Meeresboden stemmt. Die Ruderkraft erreichte ihren Höhepunkt mit den erstaunlichen Galeeren, die in griechischer und römischer Zeit entwickelt wurden. Biremes (vielleicht aus dem zweiten Jahrtausend v. Chr.) hatten zwei mit Ruderern besetzte Plattformen, Triremes (einige hundert Jahre v. Chr. erfunden) drei, Quadriremes vier und Quinquiremes fünf (obwohl es ungewiss ist, ob Boote mit so vielen Menschen in einer solchen Höhe stabil oder effizient gewesen wären). Auf jeden Fall wichen sie bald dem Segelantrieb.

Segel

Wer einmal Bettlaken bei starkem Wind zum Trocknen aufgehängt hat, weiß genau, wie Segelboote funktionieren! In der Praxis bedeutet das, dass die Segel schräg gestellt werden müssen, aber der Wind wird dann versuchen, das Boot in diesem Winkel zu blasen, anstatt in die Richtung, in die man fahren will. Die Kraft des Windes drückt Sie in eine Richtung, also brauchen Sie auch andere Kräfte in anderen Richtungen, um sie zu korrigieren und eine resultierende (kombinierte) Kraft in die Richtung zu erzeugen, in die Sie eigentlich fahren wollen. Zwei andere Kräfte helfen dabei. Die eine ist die Kraft des Kiels. Wenn der Wind das Boot teilweise zur Seite bläst, drückt der Kiel gegen das Wasser und hilft, das Boot in die Vorwärtsrichtung zu treiben. Außerdem kann man das Ruder am Heck des Bootes so ausrichten, dass es, wenn das Wasser darauf trifft, schräg abprallt und das Boot auf die eine oder andere Seite lenkt. (Ruder befanden sich früher auf der rechten Seite des Bootes und wurden Steuerbord genannt, weshalb die rechte, nach vorne gerichtete Seite eines Bootes auch heute noch als Steuerbord bezeichnet wird; die linke Seite heißt Backbord.)

Foto: Yachten haben mehrere Segel, damit sie den Wind aus jeder Richtung einfangen können. Foto von Eric Brown mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Wenn Sie gegen den Wind segeln wollen, müssen Sie ein atrianguläres oder lateenförmiges Segel verwenden, das im vorderen Teil des Bootes im Winkel zum Gegenwind hängt. Wenn der Wind auf das Segel trifft, umweht er es und beschleunigt es; das Segel wirkt ähnlich wie ein Tragflächenprofil (die gekrümmte Oberfläche einer Flugzeugtragfläche), indem es Luft um und hinter sich wirft und das Boot vorwärts treibt (so wie die abwärts gerichtete Luft von einer Tragfläche ein Flugzeug nach oben treibt).

Motoren

Ohne Wind waren die Segler früherer Zeiten verloren, aber dieses Problem haben wir heute nicht mehr, dank Motoren, die zum Antrieb von Propellern verwendet werden können. Die ersten Boote, die von Motoren angetrieben wurden, nutzten Hochdruck-Dampfmaschinen, die mit Kohle betrieben wurden; moderne Motoren sind ausnahmslos mit Dieselmotoren ausgestattet. Das einzige wirkliche Problem bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Booten besteht darin, dass sie für die Verbrennung des Treibstoffs eine konstante Sauerstoffzufuhr benötigen, was bedeutet, dass sie nicht zum Antrieb von U-Booten unter Wasser verwendet werden können. Es gibt jedoch einen Ausweg: Man kann einen Dieselmotor in der Nähe der Oberfläche verwenden, um einen Generator anzutreiben und Batterien aufzuladen, die dann zum Antrieb eines Elektromotors und des Propellers verwendet werden, wenn das U-Boot unter Wasser ist. (Kernkraft ist eine weitere Möglichkeit, mit der ein U-Boot wochen- oder monatelang unter Wasser bleiben kann.)

Nicht alle motorgetriebenen Boote verwenden Propeller.Jet Skis® und Jetfoils (große Tragflächenversionen von Jetskis) verwenden Motoren zum Antrieb von Impellern (Wasserpumpen), die einen starken, nach hinten gerichteten Wasserstrahl erzeugen. Die Kraft des Wassers, das zurück ins Wasser schießt, treibt das Boot vorwärts, ähnlich wie die heißen Abgase eines Düsentriebwerks.

Aus welchen Materialien werden Boote hergestellt?

So ziemlich jedes Material, das man sich vorstellen kann, wurde schon einmal für den Bootsbau verwendet. Die ersten Boote wurden aus Tierhäuten, Rinde und Holz hergestellt; später kamen Einbäume hinzu, die aus dem Holz eines sorgfältig ausgewählten Baumstamms geschöpft wurden. In der Antike perfektionierten die Bootsbauer die Kunst, Boote aus einzelnen Planken zu bauen, indem sie entweder die Ränder einer Planke mit den Rändern der umliegenden Planken wie Ziegelsteine an einer Wand befestigten (was als „Carvel Building“ bekannt ist) oder, noch besser, die Planken von unten nach oben überlappten (eine Technik, die als „Clinker Building“ bekannt ist), was ein stärkeres, leichteres und schnelleres Boot ergibt. Die industrielle Revolution brachte eine weitere große Innovation: das Zeitalter der mächtigen Schiffe aus Eisen und Stahl. Die meisten modernen Schiffe werden auch heute noch aus Stahl gebaut, obwohl dieser relativ schwer ist. Deshalb werden einige größere Boote heute aus starken, leichten Metallen wie Aluminium hergestellt, während kleinere Boote oft aus leichten Verbundwerkstoffen wie Fiberglas oder superstarken Kunststoffen wie Kevlar® gefertigt werden.

Kunstwerk: Bei geklinkerten Booten (links) überlappen sich die Planken, was einen viel stabileren Rumpf ergibt; bei gekehlten Booten (rechts) sind die Planken Ende an Ende verbunden, um eine glatte Außenfläche zu bilden.

Eine kurze Geschichte von Schiffen und Booten

Die Links in dieser Zeitleiste führen in der Regel zu weiteren Informationen in Wikipedia und anderen Seiten.

Vorgeschichte und Antike

• ~10.000 v. Chr: Zu den ersten Booten gehören Flöße, Boote aus Haut, Fell und Rinde, Kajaks und Einbäume.
• ~5000BCE-3000BCE: Mesopotamische Seefahrer erfinden Segel.
• ~3000BCE: Die alten Ägypter stellen die ersten Boote aus Holzplanken her.
• ~2500BCE: Minoer und Mykener werden zu den ersten großen Seefahrern und erkunden das Mittelmeer.
• ~1500BCE-27BCE: Die Griechen bauen riesige Kriegsschiffe, darunter Biremen und Triremen.
• 27 v. Chr.-400 v. Chr: Die Römer bauen Galeeren, die antiken Vorläufer der modernen Kriegsschiffe, mit Innovationen wie einer erhöhten Brücke.
• ~300 v. Chr: Archimedes (287-212 v. Chr.) entdeckt die Wissenschaft des Schwimmens.
• 200 v. Chr: Im Mittelmeerraum werden Lateinersegel weit verbreitet (obwohl man annimmt, dass sie in der arabischen Welt schon etwas früher erfunden wurden).

Mittelalter

• 300: Wikinger erfinden den Klinkerbau.
• 1200: Das zentrale Ruder beginnt das „Steuerbrett“ zu ersetzen.
• 1400-1600: Die meisten großen Schiffe sind aus Holz gebaut und werden mit Segel angetrieben, darunter Koggen, Karkassen, Galeeren und Galeonen.
• 1620: Cornelis Drebble baut das erste U-Boot aus Holz.
• 15. Jahrhundert: Die großen Reisen von Christoph Kolumbus (1451-1506), Vasco da Gama (1460-1524), Ferdinand Magellan (1480-1521) und anderen führen zur Erforschung der Ozeane und zur Weltumsegelung.

Das große Zeitalter der Seefahrt

Foto: Die USS Constitution, Spitzname „Old Ironsides“, ist eine klassische dreimastige Fregatte (Kriegsschiff) aus dem Jahr 1797, die längst aus dem Militärdienst ausgeschieden ist und heute ein faszinierendes Museum in Boston beherbergt. Foto von Kathryn E. Macdonald mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

• 1777: Das erste Boot mit Eisenrumpf wird gebaut (in England).
• 1783: Marquis d’Abbans (1751-1832) baut das erste Dampfschiff.
• 19. Jahrhundert: Regelmäßige „Packet Shipping“-Dienste werden eingerichtet, die nach Fahrplänen fahren. Schnelle Klipperschiffe stellen Segelrekorde auf.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) stellt einen Rekord für die Fahrt von New York City nach Albany mit einem Dampfschiff namens Clermont auf.
• 1819: Das Dampfschiff SS Savannah überquert den Atlantik in einer Rekordzeit von 29 Tagen.
• 1836: Moderne Propeller werden (unabhängig voneinander) von Francis Pettit Smith (1808-1874) und John Ericsson (1803-1889) erfunden.
• 1837: Great Western, ein riesiges Dampfkraftschiff, das von Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) gebaut wurde, überquert als erstes Eisenschiff den Atlantik.
• 1850er Jahre: Der englische Schiffbauer John Jordan baut wahrscheinlich das erste Schiff aus Verbundwerkstoffen, indem er eine Holzplankenverkleidung über ein Eisengerüst legt.
• 1870-1898: John Holland entwirft und baut das erste praktische, motorgetriebene U-Boot, hat aber Mühe, die US-Marine von seinem Potenzial zu überzeugen.
• 1877: Der englische Erfinder John Thornycroft patentiert eine frühe Form des Luftkissenfahrzeugs, das auf einem schwimmenden Seerosenblatt basiert.
• 1884: Sir Charles Parsons erfindet eine hocheffiziente Dampfmaschine, die Dampfturbine. Im Jahr 1897 entwickelt er eine von einer Dampfturbine angetriebene Motorbarkasse namens Turbinia.
• 1886: Der deutsche Automobilpionier Gottlieb Daimler verwendet einen Benzinmotor, um ein Boot anzutreiben.
• 1886: Gluckauf, eines der ersten Hochseetankschiffe, wird in Großbritannien gebaut und vom Stapel gelassen.
• 1880: Der pensionierte schwedische Marineoffizier Charles G. Lundborg erfindet SWATH-Boote (smallwaterplane area twin hull), die auf zwei untergetauchten Rümpfen hoch über den Wellen fahren.

Moderne Schiffe

• ~1900s: Wohlhabende Menschen genießen das romantische, luxuriöse Zeitalter der Hochseereisen an Bord von Schiffen wie der Mauretania, der Lusitania und der Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini erfindet das Tragflächenboot, an dessen Entwicklung auch der Telefonpionier Alexander Graham Bell beteiligt ist.
• 1912: Das „praktisch unsinkbare“ Luxusschiff Titanic geht als die berühmteste Schiffskatastrophe aller Zeiten in die Geschichte ein, als es einen Eisberg rammt und sinkt, wobei über 1500 Menschen ums Leben kommen.
• 1930er Jahre: Deutsche entwickeln den Schnorchel, ein Atemrohr, mit dem Dieselmotoren in U-Booten unter Wasser betrieben werden können, um das Risiko einer Entdeckung zu verringern.
• 1943: Zum ersten Mal werden Schiffsgasturbinenmotoren eingesetzt.
• 1955: Die US Navy lässt das erste atomgetriebene U-Boot, die USS Nautilus, vom Stapel.
• 1956: Die Ideal X, das erste Containerschiff, läuft in Newark, NJ, vom Stapel.
• 1959: Das Luftkissenfahrzeug von Christopher Cockerell macht seine Jungfernfahrt.
• 1960: Jacques Piccard und Leutnant Don Walsh von derUS-Marine tauchen in Trieste, einem superverstärkten Tauchboot (Bathyscaphe), bis zu einer Tiefe von etwa 11 km im tiefsten Teil der Ozeane, dem Marianengraben.
• 1962: Das FLIP-Schiff der Scripps Institution wird erstmals eingesetzt, um die Bewegung von Meereswellen zu untersuchen.
• 1964: Ein wissenschaftliches Tieftauchboot namens Alvin wird von der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts entwickelt und erforscht den Ozean in einer Tiefe von fast 5 km (3 Meilen).
• 1978: Das wissenschaftliche Forschungsschiff JOIDESResolution läuft vom Stapel und ermöglicht es Wissenschaftlern, den Meeresboden detaillierter als je zuvor zu erforschen.
• 1992: Die US Navy verschrottet das letzte ihrer Großkampfschiffe, die USS Missouri.
• 1993: Die US-Marine bringt ein experimentelles, radarunsichtbares Tarnkappenboot namens Sea Shadow auf den Markt, das auf einem SWATH-Entwurf basiert. 2011 kündigt die Marine an, dass sie das Schiff verschrotten will.
• 2012: Die in Deutschland gebaute MS Tûranor PlanetSolar umrundet als erstes Fahrzeug mit photovoltaischen Solarzellen die Welt.
• 2014: Die Norled MF Ampere, die erste vollelektrische, batteriebetriebene Auto- und Passagierfähre der Welt, nimmt ihren Betrieb in Norwegen auf und spart eine Million Liter Diesel pro Jahr.