Aufblasbare Paddleboard-Technologie: Anwendung der Physik auf die Form von SUP-Boards

Als relativ junge Sportart hat Stand-Up-Paddleboarding in den letzten zehn Jahren schnell an Popularität gewonnen, und die Technologie der aufblasbaren Paddleboards hat sich parallel dazu weiterentwickelt. SUP-Boards sind auf Wasserwegen weltweit zu sehen und gibt es in verschiedenen Formen, Größen und Konstruktionen. Diese Unterschiede sind nicht nur oberflächlich; sie spielen eine bedeutende Rolle für das Erlebnis des Paddlers im Wasser.

Aber wie können wir sicher wissen, was ein Board schneller macht? Was beeinflusst wirklich, wie sich ein Board im Wasser bewegt? Es gibt Möglichkeiten, die Leistung eines Boards zu untersuchen und zu messen. Dafür hat unser Forschungs- und Entwicklungsteam eine Physikdisziplin namens Computational Fluid Dynamics (CFD) angewandt. Mit Hilfe von CFD konnten sie ein wissenschaftlicheres Verständnis der Leistung von Paddleboards gewinnen. Bereiten Sie sich auf etwas SUP-Wissenschaft 101 vor!

Ein 3D-gescanntes SUP-Modell für CFD-Simulation

Technologie der aufblasbaren Paddleboards: Die Wissenschaft dahinter

Was ist also CFD? Es ist eine Technik, die verwendet wird, um die Physik der Fluidbewegung zu untersuchen. Sie nutzt Zahlen und Daten, um Probleme im Zusammenhang mit dem Fluss von Flüssigkeiten zu analysieren und zu lösen, in diesem Fall das Wasser um ein Paddleboard herum. Einfach ausgedrückt: Wenn sich ein Paddleboard im Wasser bewegt, wird seine Leistung durch die Verdrängung des Wassers beeinflusst, die es verursacht.

Um diese Auswirkung zu messen, wird eine CFD-Simulation mit einer CAD-Datei (Computer-Aided Design) durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen uns physikalische Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Druck, die zur Bewertung der Board-Leistung verwendet werden können. Zum Beispiel können wir durch die Analyse der Strömungslinien sehen, wie das Strömungsfeld um das Board und die Kontur eines Boards (oder die Form des Boards) verbessert werden können, um den Widerstand und die Reibung zu verringern. Diese Technik wird in Branchen wie der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt und sogar im Sportartikelbereich weit verbreitet eingesetzt!

Strömungslinien um ein SUP-Board in einer CFD-Simulation

Was für ein Widerstand!

Unser Team führte eine Reihe von CFD-Simulationen am Waterwalker 126 durch. Das obige Bild zeigt die Strömungslinien um das Board. Die Kurven der Strömungslinien repräsentieren die lokale Fließgeschwindigkeit. Wie Sie sehen können, stagniert die Strömung an der Spitze des Boards und beschleunigt dann entlang des Rails, das sich schließlich am Heck trennt. Dies erzeugt Widerstand am Board, der auftritt, wenn ein festes Objekt (das Board) mit einer Flüssigkeit (Wasser) in Kontakt kommt.

Es gibt zwei Hauptarten von Widerstand, die ein Paddleboard beim Bewegen im Wasser erfährt. Die eine wird Druckwiderstand genannt, die andere Schubwiderstand. Obwohl beide durch die Bewegung des Boards im Wasser verursacht werden, haben sie unterschiedliche Ursachen und Wirkungen.

CAD-Bilder zeigen hohen und niedrigen Druck an der Spitze und am Heck

Druckwiderstand

Druckwiderstand entsteht durch den Druckunterschied zwischen der Spitze und dem Heck des Boards. Wenn Sie paddeln, wird das Wasser vor dem Board nach vorne gedrückt, und im Gegenzug versucht das Wasser, das Board nach hinten zu drücken. Diese Wechselwirkung erzeugt relativ hohen Druck an der Spitze.

Gleichzeitig entsteht beim Vorwärtsbewegen des Boards eine Niederdruckzone am Heck, und Wasser wird angezogen, um diesen Bereich zu füllen. Der Unterschied zwischen dem hohen Druck an der Spitze und dem niedrigen Druck am Heck bildet den Druckwiderstand, der der Vorwärtsbewegung des Boards entgegenwirkt. Deshalb haben Rennboards scharfe Spitzen und schmale Hecks, damit der Druckunterschied zwischen Spitze und Heck kleiner ist und somit der Druckwiderstand reduziert wird.

CAD-Bild zeigt Schubspannung am Boden eines Paddleboards

Schubwiderstand

Schubwiderstand, der ebenfalls durch relative Bewegung entsteht, basiert nicht auf dem Druckunterschied zwischen Spitze und Heck. Stattdessen beruht er auf dem Widerstand an der Oberfläche des Boards und betrifft die Teile des Boards, die mit Wasser in Kontakt sind, nämlich die Rails und den Boden des Boards.

Wenn sich das Board im Wasser bewegt, haftet eine sehr dünne Flüssigkeitsschicht an der Oberfläche des Boards, die Schubspannung verursacht und das Board abbremst. Der durch diese Schubspannung verursachte Widerstand ist der Schubwiderstand. Deshalb sind Rennboards schmaler und stromlinienförmiger, da diese Merkmale helfen, den Kontakt mit Wasser zu minimieren und somit den Schubwiderstand zu reduzieren.

Diagramme, die die Auswirkungen von Geschwindigkeit und Winkel auf verschiedene Arten von Widerstand zeigen

Wie andere Faktoren den Widerstand beeinflussen

Geschwindigkeit

Neben dem Design der SUP-Form beeinflussen auch die Paddelbedingungen die Größe von Druckwiderstand und Schubwiderstand. In unserer Studie haben wir die Auswirkungen der SUP-Geschwindigkeit und des Winkels untersucht. Sowohl Druckwiderstand als auch Schubwiderstand hängen von der Geschwindigkeit des Boards im Wasser ab. Je schneller Sie also fahren, desto größer ist der Widerstand. Die beiden Widerstandsarten verhalten sich jedoch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten unterschiedlich. Der Druckwiderstand beginnt kleiner und steigt dann mit der Geschwindigkeit des Boards stärker an als der Schubwiderstand, bei dem der Effekt gradueller ist.

Winkel

Der Winkel eines Boards wird davon beeinflusst, wo der Paddler auf dem Board steht. Je weiter hinten Sie auf Ihrem Paddleboard stehen, desto mehr hebt sich die Spitze aus dem Wasser, was einen größeren Anstellwinkel erzeugt. Je größer der Anstellwinkel, desto mehr steigt der Druckwiderstand, während der Schubwiderstand aufgrund der geringeren Kontaktfläche im Wasser abnimmt.

Finnen

Es gibt auch andere Arten von Widerstand. Der durch Finnen verursachte Widerstand ist eine davon. Finnen spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Richtung des Boards. Und obwohl sie relativ klein erscheinen mögen, verursachen die Finnen einen bemerkenswerten Widerstand. In unserer Studie haben wir festgestellt, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten der durch die Finnen verursachte Widerstand bedeutender war. Mit zunehmender Geschwindigkeit erzeugten die Finnen weniger Widerstand. Faktoren wie die Anordnung und Form der Finnen spielen eine Rolle bei der Bestimmung des Widerstands, sodass es Potenzial gibt, die Finnenanordnung und -formen zu optimieren.

Bessere Boards durch Wissenschaft

Was sagen uns all diese Erkenntnisse? Letztendlich quantifizieren wir, wie die Kontur des Boards und andere Faktoren optimiert werden können, um den Widerstand zu verringern. Widerstand beeinflusst definitiv die Leistung eines Boards und Ihr Vergnügen auf dem Wasser, indem er Sie verlangsamt und mehr Anstrengung erfordert. Indem wir genau verstehen, welche Bereiche Widerstand erzeugen und in welchem Ausmaß, können wir unsere Designs besser optimieren, um den Widerstand zu reduzieren, die Stabilität und das Gleiten zu erhöhen und Ihnen das beste SUP-Erlebnis auf dem Wasser zu bieten!

Wir sind ständig im Labor und arbeiten hart daran, das Beste aus unserer Ausrüstung herauszuholen und die gewonnenen Erkenntnisse in die Designs und Formen unserer Paddleboards einfließen zu lassen. Obwohl es so scheint, als wäre die Lösung einfach, schmale Boards mit spitzer Nase und Heck zu bauen, um den Widerstand zu minimieren, müssen komplexe Wechselwirkungen von Faktoren wie Stabilität, Volumen und Verwendungszweck berücksichtigt werden. Halten Sie Ausschau nach weiteren technischen Beiträgen wie diesem in der Zukunft.

Je mehr wir genau verstehen, wo und wie Widerstand ein SUP im Wasser beeinflusst, desto besser können wir die perfekte Mischung aus Leistung und Stabilität für jede SUP-Aktivität oder Nutzung liefern. Mit Hilfe von CFD können wir genauere Modelle erstellen, relevantere Tests durchführen und wirkungsvollere Schlussfolgerungen ziehen. Mit diesen verbesserten Techniken als Teil unseres Forschungs- und Entwicklungsprozesses freuen wir uns darauf, den Sport voranzubringen!

Um es mit den Worten von Matt Damons Charakter im Film "Der Marsianer" zu sagen: "Angesichts überwältigender Widrigkeiten bleibt uns nur eine Option. Wir müssen die Wissenschaft verdammt nochmal anwenden."