Backstagen

Backstagen

Diese Fragen werden immer wieder gestellt:

Wozu sind Backstagen überhaupt notwendig?

Wie muss ich Backstagen trimmen?

Ist das Achterstag nicht viel effektiver als das Backstag?

In zahlreichen Trimmanleitungen und Segelbüchern findet man die Tatsache erwähnt, dass es Backstagen gibt und dass sie sehr bedienungsunfreundlich seien. In den Standardwerken von Marchay „ Die Aerodynamik der Segel-Theorie uns Praxis“ findet man über Backstagen nichts und in Püchls „Physik des Segelns“ werden sie erwähnt ohne sie näher in Funktion und Dimensionierung zu beschreiben.

Mit „bedienungsunfreundlich“ ist gemeint, dass sie von Alleinseglern nicht zu bedienen seien oder dass sie „familienunfreundlich“ seien. Allerdings findet man auch immer wieder Äusserungen, man könne mit Backstagen „unglaubliche“ Höhe fahren. Sei es drum. Ob die Backstagen ein Mysterium darstellen oder einfach nur ihrer Unhandlichkeit unbeliebte Trimmeinrichting war, die Konstrukteure der letzten drei Jahrzehnte haben fast nichts unversucht gelassen, Backstagen durch gefälligere Konstruktionen zu ersetzen. Die Toptakelung und die gepfeilten Salinge seien allen voran erwähnt.

Also wozu dienen die Backstagen?

Es ist nicht so, wie man es in manchen fachfremden

Organen liest, daß die Backstagen den Mast nach achtern
abstützen. Vielmehr haben die Backstagen die Aufgabe, die beim
Segeln nach vorne auf den Mast wirkenden Kräfte aufzufangen.

Dies ist auf Raumschots– und Vorwindkursen, besonders beim Verwenden großer Spinacker, Genacker, Topblister oder Drifter von Bedeutung. Zwar ist auf solchen Kursen eine große Segelfläche eingesetzt, da jedoch die auf den Segelplan wirkende Luftströmung kleiner íst als die wahre Windgeschwindigkeit, sind auf diesen Kursen die auftretenden Kräfte moderat.

Auf Amwindkursen wirkt die Summe aus wahrem Wind und Fahrtwind auf das Vorsegel. Die im Vorsegel auftretenden Kräfte müssen von Vorstag, Vorsegelfall und Vorsegelschot aufgefangen werden. Wenn nicht, weht es das Vorsegel davon. Gegenüber den Kräften auf Vorwindkursen sind die nach vorlich auf den Mast wirkenden Kräfte auf Amwind-Kursen sehr viel höher.

Die Backstagen greifen am Mast in der Höhe des Vorstags an und ziehen den Mast über ein Kraftübersetzungssystem nach achtern. Der Zug nach achtern wird auf das Vorstag weitergegeben. Die Backstagen sind damit das Trimmelement, mit dem das Vorstag straff und das Vorsegel flach gehalten wird. Die Backstagen gibt es deshalb nur bei Fraktionsriggs mit geraden Salingen. Bei topgetakelten Rigg wird die Aufgabe eine Vorstagspannung zu erzeugen, durch das Achterstag wahrgenommen. Alternativ zu den Backstagen kann sowohl beim Toprigg als auch beim Partialrigg durch gespfeilte Salinge ein achter licher Zug auf den Mast generiert werden, der an das Vorstag weitergegeben wird.

Backstagen gibt es nur beim Partialrigg und typischerweise geraden Salingen. Beim Toprigg wird die Aufgabe der Backstagen auf das Achterstag übertragen.

Obgleich es eine ganze Menge Boote ein Partialrigg haben, betrachte ich im Folgenden zunächst das Objekt meiner Studienbegierde: die Akros mit ⁷/₈-Asso99-Rigg mit geraden Salingen, Oberwanten, Mittelwanten, vorderen und achterlichen Unterwanten und einem Diamanten. Aus eigener Erfahrung gehe ich von einem Profilvorstag aus, was aber nicht zwingend vorausgesetzt wird. Die Berechnungen und Schlußfolgerungen lassen sich auf andere Boot mit geringer Modellanpassung leicht übertragen. Beim Segeln mit Genua/Fock und Großsegel kann näherungsweise ein Kräftegleichgewicht im Rigg angenommen werden: Das Vorstag und die Genua zieht den Mast nach vorne, daß Großsegel den Mast nach hinten. Oberwant und Mittelwand stabilisieren den Mast seitlich. Um hoch am Wind laufen zu können ist das Großsegel dicht zu nehmen. Der Großbaum befindet sich mittschiffs. Lässt es die Windstärke zu, so befindet sich der Travellerschlitten deutlich in Luv. Das Großsegel hat einen Twist, der ab drei Windstärken durch ein dichtgeholtes Achterstag verstärkt wird¹.

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Der Twist in den Segeln ist erforderlich, da die Windstärke über der Wasseroberfläche durch Reibung abgebremst verringert ist und sich dadurch die Richtung des scheinbaren Windes stark ändert. Im unteren Bereich eines Segel fällt der scheinbare Wind immer vorlicher ein als im oberen Bereich des Segels. Nur mit Twist kann ein Segel auf der gesamten Vorlieklänge den optimalen Anströmwinkel haben.

Den Twist kontrolliert man im unteren Bereich durch den Winkel der Großschot, also die Position des Travellerschlittens der bis zu mittleren Windstärken nach Luv gezogen wird. Dadurch steigt der Großbaum leicht an.

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Im oberen Bereich des Großsegels wird der Twist verstärkt durch das Anziehen des Achterstags. Das Achterstag bewirkt beim 7/8-Rigg eine Krümmung des Mastes und ein Öffnen des oberen Teils des Groß-Achterlieks. Das Achterstag hat aufgrund seines Ansatzpunktes im Masttop keine Auswirkungen auf das Vorsegel. Wie schon erwähnt, beim topgetakelten Boot ist es anders.

Auch die Genua hat einen Twist, der im Wesentlichen durch die Zugrichtung der Genuaschot, also der Position des Holpunktes in Längsrichtung kontrolliert wird.

Der Kraftansatz der Backstagen wirkt auf das Vorsegel. Der Kraftansatz des Achter-stags wirkt auf auf das Großsegel.

Abbildung 2: Rechts die Wirkung des Luvbackstags: Das Vorstag wird gespannt, der Mast leicht nach achtern gekippt

Die Genua ist dichtgeholt bis knapp vor die Salinge. Jetzt ist
soviel Druck in den Segeln, daß das Vorstag nach achtern und nach
Lee einen merklichen Durchhang entwickelt. Diesen Bauch kann man
bemessen aus der Kraft den die Genuaschot auf die Genua und damit auf
das Vorstag ausübt.

Wird der Durchhang des Vorstags zu groß, so geht Vortrieb verloren. In der Geschwindigkeit macht sich dies nur gering bemerkbar. Da jedoch besonders der Vortrieb im vordersten Segelbereich nachläßt, geht die Fähigkeit hoch am Wind zu segeln zurück.

Um hoch am Wind zu segeln, ist das Vorstag möglichst steif durchzusetzen.

Berechnen der Kräfte im Vorstag

Die Genua wird durch drei Tragelemente gehalten: der Genuaschot, dem Vorstag und dem Genuafall. Da sich die Genua mit ihrem Vorliek auf dem Vorstag theroretisch frei bewegen kann, werden auf das Vorstag nur Kräfte senkrecht zur Vorstaglinie übertragen. Je nach Zugwinkel der Genuaschot kann Zug nach unten oder Zug nach oben entstehen. Diese Tangentialspannungen werden entweder durch das Fockfall oder durch die Befestigung am Segelhals abgefangen und interessieren hier nicht näher.

Das bedeutet, dass nach den Regeln der Technischen Mechanik, Fachbereich Seilstatik, die Zugkräfte im symmetrischen Lastfall nach der unglaublich schönen Gleichung

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berechnet werden können. Tatsächlich ist es nicht ganz so einfach. Bei diesem Ansatz wird das Eigengewicht des Systems nicht berücksichtigt. Der Kräfteansatz wird entlang gradliniger Vektoren und nicht entlang einer Kettenlinie gedacht. Eine physikalisch völlig korrekte Darstellung führt zu einer nicht-geschlossenen Lösung und es sind numerische Methoden erforderlich. Vor dem Hintergrund, dass wir die Kräfte, die berechnet worden sind, durch Messungen bestätigen können, hat der Aufwand für eine numerische Lösung keinen gesteigerten Nutzwert. Wer Ambitionen hat kann sich dieser Lösung gerne annehmen.

Das Durchsetzen des Vorstags hat seine Grenzen, weil bei einem Durchhang von 0 die Kraft im Vorstag rechnerisch unendlich wird.

In Gleichung 1 ist der Winkel α der Winkel zwischen der idealen Vorstaglinie und dem realen Vorstag. Dieser Winkel ist schwer zu handhaben, da während des Segeln nicht messbar.

Deshalb wird Gl. 2 ohne Herleitung durch eine Gleichung ersetzt, die den Durchhang einbezieht:

F_Vorstag = ((F_Vorsegel/d) *L_Vorstag)/2

wobei L_v die Länge des Vorstags und d der Durchhang (alle Angaben in m) ist.

Gleichung 2 ergibt bei geringem Durchhang und einem kleinen Winkel ein sehr gute Übereinstimmung mit den Kräften die durch Gleichung 1 ermittelt werden.

Berechnen des Winddrucks im Segel

Um die Last im Vorstag zu bestimmen, gibt es zwei Ansätze: Einen rechnerischen aus der dem Windruck im Segel in Abhängigkeit von der zu messenden Windgeschwindigkeit und einen meßtechnischen Ansatz bei dem Windgeschwindigkeit und die Kraft in der Vorsegelschot gemessen wird. Ich habe beide Vorgehensweisen ausgeführt.

Gegeben sind die scheinbare Windgeschwindigkeit V=4,8 m/s, die Segelfläche der Genua A_G = 25m² und ein Anstellwinkel an den scheinbaren Wind γ = 20°

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wobei der Winddruckbeiwert c mit 1 (über einer Wasseroberfläche) und die Dichte der Luft ρ mit 1,2 kg m^-3 als konstant angenommen werden. Es resultiert eine Windlast F_Genua für die Genua in der Größenordnung von 236 N

Die Messung der Kraft in der Genauschot wurde mit einer

wurde mit einer Hängewaage, die zwischen zwei Seilklemmen der Fa. Petzl eingehängt wurde. Die Belastbarkeit der Seilklemmen liegt bei 4000 N, der meßtechnisch überstreichbare Bereich der Hängewaage bei 0 – 3000 N. Die verwendeten Karabiner sind weit höher belastbar.

Die unter diesen Bedingungen in der Genuaschot gemessene Wert lag bei 225 N.

Die beiden Werte stimmen so gut überein, dass sowohl der rechnerische als auch der meßtechnische Ansatz plausibel erscheinen.

Abbildung 4: Einfach Kraftmeßtechnik mit Hängewaage, zwei Karabinern und zwei Bloquer simple der Fa. Petzl. Das seil wird so eingelegt, daß die Kraft im Seil von den Seilklemmen aufgenommern wird und das Seil zwischen den Klemmen lose bleibt.

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Liebe Segelfreunde, habt Geduld. Wir müssen erst zu den Kräften kommen, die im Rigg herrschen um dann die Auslegung zu definieren und die Prozeduren um dann zu erkennen, warum und unter welchen Bedingungen sie einzusetzen sind und daß dies durchaus auch bei anderen Riggs Sinn ergibt. Der Text mit Formeln und Abbildungen ist bloß etwas umständlich zu handhaben.