Gedanken zur Konstruktion von wickeloptimierten Drachen

Hallo Achim,

Zitat

Im optimalen Fall sollte der Schwerpunkt auf der Drehachse liegen. Das bedeutet auch, das ober- und unterhalb des Schwerpunktes das gleiche Gewicht vorhanden ist.

Den korrekten Schwerpunkt eines Drachens im Vorfeld zu ermitteln dürfte schwerer sein, als den Drachen mit Try & Error zu entwickeln. Im Gegensatz zu üblichen Maschinenbauteilen, deren Schwerpunktberechnung schon schwer genug sein kann, handelt es sich bei Drachen um inhomogene Freiformflächen mit hoher Flexibilität. Ohne exakte Materialdaten wirst Du da keinen Erfolg haben. Aus diesem Grund gibt es praktisch nur unausgewogen konstruierte Drachen, denen man mit viel Try & Error ausgewogene Flugeigenschaften beigebracht hat.

Was bei Deinen Überlegungen komplett fehlt, ist der Luftwiderstand. Ein Drachen mit breitem und langem Kiel und schlanker Flügelspitze kann unter Umständen den gleichen Schwerpunkt haben, wie ein Drachen mit kurzem Kiel und riesigen Winglets. trotzdem werden beide Drachen total unterschiedlich wickeln.

Zitat

Übertragen auf die Gewichtsverteilung am Drachen heißt das doch, je weiter außen ( Unten) das Gewicht sitzt, umso träger wird die Rotation.
Und im Umkehrschluß:
Je näher das Gewicht zur Drehachse des Drachen rutscht, umso agiler wird die Rotation.

Je weiter Du das Gewicht ans Kielende machst, desto schneller rotiert der Drachen um die Querachse. Mit 100 g am Kielende wickelt auch ein NSR auf der Stelle. Beschwerst Du den Schwerpunkt des Drachens, fixierst Du sein Rotationszentrum durch Erhöhung der Masseträgheit und benötigst so weniger Masse am Kielende, um eine Vergleichbar schnelle Rotation zu erzielen. Das Gewicht am Kielende beschleunigt den Drachen und hindert ihn daran, vor Vollendung der Rotation zum stehen zu kommen. Deshalb führt zu viel Gewicht im Kiel auch zu Schwierigkeiten bei Flic-Flacs – Die beschleunigte Masse lässt sich nicht stoppen, bzw. reagiert sehr Empfindlich auf den richtigen Zugwinkel. Kurz zusammengefasst:

-Gewicht am Kielende macht den Drachen agil
-Gewicht am Schwerpunkt macht den Drachen ausgewogen
-beides zusammen macht den Drachen schwer, ausgewogen und agil, aber nicht sehr leichtwindtauglich.

Zitat

Ich hatte früher einmal angenommen, dass die untere Querspreize möglichst auf der Drehachse liegt. Ich denke aber, das ist praktisch völliger Mumpitz. Die Anlenkpunkte der unteren Waageschenkel würden dann auch auf der Drehachse liegen und das halte ich für kontraproduktiv.

Beim Transfer funktioniert das ganz gut. Um den Drachen mit ausreichendem Hebel beschleunigen zu können, wurde die Waage am Kiel unterhalb der Spreize befestigt.

Zitat

Ich behaupte jetzt einfach mal, dass ein Gewicht am Kielstabende nicht das Optimum ist. Ich behaupte sogar noch, das damit nur eine nicht optimale Konstruktion ausgeglichen wird.

Das sehe ich mittlerweile nicht mehr so. Gewicht unterhalb des Schwerpunktes ist notwendig zur Beschleunigung. Ein ausgewogener Drachen fliegt ohne Gewicht, wickelt aber nicht, oder nur langsam. Mit Gewicht wickelt er schneller, fliegt aber immer noch in allen Lagen kontrollierbar. Die Schwungmasse darf niemals zur alles dominierenden Eigenschaft werden.

Zitat

Ein wickeloptimierter Drachen müsste aber ein Gewichte haben, die oberhalb und unterhalb des Schwerpunkts liegen. und zwar rel. nah an der Drehachse.

Damit würde das eine Gewicht das andere kompensieren. Das Ergebnis wäre vergleichbar mit einem Gewicht auf dem Schwerpunkt, nur etwas träger in der Rotation (größeres Massenträgheitsmoment)

Zitat

Ein Kriterium ist z.B. der Höhenverlust beim Flic-Flac. Liegt die Drehachse wehr weit außerhalb des Schwerpunkts, braucht der Drachen einen langen Weg, um vom Fade in den Pancake zu kommen.

Das kommt ganz drauf an, ob das Gewicht oberhalb oder unterhalb des Schwerpunktes liegt. Gewicht im Kielende beschleunigt den Drachen auf dem Weg in den Pancake, Gewicht in der Nase beschleunigt ihn auf dem Weg in den Fade. Beides zusammen macht ihn in beide Richtungen träge. In sehr seltenen Fällen kann man diese Technik aber auch nutzen, um einem nervösen Ansprechverhalten bei böigem Wind entgegen zu wirken.

Gruß
Heiko

Achim:

hey........ da steck soooo viel Substanz drin..... da muß man schon mal ne Nacht drüber schlafen...... deswegen sicherlich die rel. wenig antworten.

Auf jeden Fall sehr interessante Überlegungen...... wo ich erst mal lange drüber nachdenken muß um eine annähernd angemessene Antwort zu geben.

Das schreibe ich nur.... weil Du keine Bange haben mußt, das nach 60 lesern noch keine Antworten kamen.

Zitat

Beschwerst Du den Schwerpunkt des Drachens, fixierst Du sein Rotationszentrum durch Erhöhung der Masseträgheit und benötigst so weniger Masse am Kielende, um eine Vergleichbar schnelle Rotation zu erzielen.

Zitat

Damit würde das eine Gewicht das andere kompensieren. Das Ergebnis wäre vergleichbar mit einem Gewicht auf dem Schwerpunkt, nur etwas träger in der Rotation (größeres Massenträgheitsmoment)

Dem wage ich zu Widersprechen:
Das Trägheitsmoment ist das Produkt aus Masse und derem quadriertem Abstand zur Drehachse. Packe ich sehr sehr viel Gewicht genau in die Drehachse, so hat dies keinerlei Auswirkung auf das Trägheitsmoment. Andererseits kann selbst ein relativ kleines Gewicht das Trägheitsmoment stark erhöhen, wenn ich es nur weit genug von der Drehachse anbringe.
Auch heben sich Gewicht an Nase und Kiel im Bezug auf das Trägheitsmoment nicht auf, sondern addieren sich.

Was heißt das aber für die Rotation und das Wickeln? Nun, bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit bedeutet ein größeres Trägheitsmoment, dass der Drehimpuls bzw. die Rotationsenergie des Drachen größer ist. Nun bin ich mir gerade nicht sicher wie herum man das ganze anschauen soll:
1) Die Rotationsgeschwindigkeit ist durch Faktoren wie Luftwiederstand quasi fixiert oder zumindest beschränkt. Dann kann ich bei höherem Trägheitsmoment mehr Energie, also einen Größeren Teil meines Inputs über die Leinen, in die Rotation bringen.
2) Die Energie die ich auf den Drachen und die Rotation übertrage ist konstant. Dann wickelt der Drache bei größerem Trägheitsmoment sogar langsamer.

Da wie Heiko bemerkte der Luftwiderstand bisher nicht einging und 2) der Erfahrung widerspricht würde ich behauptung 1) als die eher zutreffende ansehen. In Realität stimmt das auch nicht, weil sich bei Anbringen eines Gewichts auch die Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Aber prinzipiell ist bei mehr Masse auch ersteinmal auch mehr "Platz" da, wo ich meine Rotationsenergie unterbringen kann.

Aus eigner Erfahrung hat neben der Masse der Luftwiderstand eine mindestens genauso große Bedeutung. Ich bin eine Weile einen eher gestreckter Drache mit wenig Luftwiderstand in Richtung der Rotation geflogen. Der wickelt auch ohne Gewicht bis der Arzt kommt (okay, dafür machte er dann keinen, aber auch gar keinen, Backspin mehr ;)). Meinen Gemini hingegen kann ich ohne Gewicht schonmal garnicht einwickeln. Mit ordentlich Pfunden wickelt der aber dann auch. Man merkt hier richtig wie man den Drachen in die Drehung beschleunigen kann...

Gruß
Andreas

wird das hier ein Fernstudium für angehende "Dracheningenieure" .
Weiter so und selbst ich kann die Prüfungen schaffen .
cu
Peter

Zitat

Zitat:
Beschwerst Du den Schwerpunkt des Drachens, fixierst Du sein Rotationszentrum durch Erhöhung der Masseträgheit und benötigst so weniger Masse am Kielende, um eine Vergleichbar schnelle Rotation zu erzielen.

Zitat:
Damit würde das eine Gewicht das andere kompensieren. Das Ergebnis wäre vergleichbar mit einem Gewicht auf dem Schwerpunkt, nur etwas träger in der Rotation (größeres Massenträgheitsmoment)

Dem wage ich zu Widersprechen:
Das Trägheitsmoment ist das Produkt aus Masse und derem quadriertem Abstand zur Drehachse. Packe ich sehr sehr viel Gewicht genau in die Drehachse, so hat dies keinerlei Auswirkung auf das Trägheitsmoment. Andererseits kann selbst ein relativ kleines Gewicht das Trägheitsmoment stark erhöhen, wenn ich es nur weit genug von der Drehachse anbringe.
Auch heben sich Gewicht an Nase und Kiel im Bezug auf das Trägheitsmoment nicht auf, sondern addieren sich.

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Get man davon aus, dass der Drachen exakt um seinen geometrischen Schwerpunkt rotiert, hast Du naturlich recht, dass ein Gewicht exakt auf dem Schwerpunkt keine Erhöhung des Massenträgheitsmomentes bewirkt. In der Praxis findet aber beim Auslösen ein gerichteter Zugimpuls statt, der zu einer Ablenkung führt. Damit ist der Geschwindigkeitsverlauf der Rotation nicht linear und die Rotationsbahn nicht geschlossen. Somit ist die Drehachse nicht mehr der Schwerpunkt und Gewicht direkt auf dem Schwerpunkt hat doch eine Wirkung auf das Rotationsverhalten. Es fixiert den Drachen in der Drehung und sorgt für weniger Raumbedarf. Eine beschleunigende Wirkung ist hingegen kaum vorhanden. Dies lässt sich auch praktisch nachvollziehen.

Dass das Massenträgheitsmoment mit zunehmendem Abstand vom Schwerpunkt zunimmt, schrieb ich oben. Praktisch beschleunigt Gewicht im Kielende den Drachen auf dem Weg in den Pancake. Gewicht in der Nase bewirkt das Gegenteil. Um den Drachen schnell rotieren zu lassen, ist eine asymmetrische Gewichtsverteilung nötig. Daher kompensiert das obere Gewicht das untere, obwohl beide das Massenträgheitsmoment bei gleicher Masse und gleichem Abstand zum Schwerpunkt gleich stark beeinflussen. Da Drachen im Gegensatz zu Wellen und Rotoren nicht symmetrisch aufgebaut sind und daher ober und unterhalb des Schwerpunktes unterschiedliche Angriffsläche bieten, lassen sich die Formeln aus dem Maschinenbau nur bedingt anwenden bzw müssten in derart komplexer Art erweitert werden, dass der Zeitaufwand für die Berechnung in keinem Verhältnis zum zu erwartenden Ergebnis stünde.

Gruß
Heiko
- Editiert von Heiko... am 05.07.2007, 01:27 -

Okay, dann stimme ich dir zu. Mir schien gestern nur der Begriff Trägheitsmoment falsch benutzt zu sein. Wenn die Drehachse aber nicht im Schwerpunkt liegt - und das ist bestimmt meistens nicht der Fall - hast du natürlich recht. Und überhaupt verschiebt sich durch Anbringen von Gewichten Schwerpunkt und Drehachse auch noch andauernd.

Eine Sache die mir noch eigefallen ist ist der Einfluß der Waage. Heiko hat die Waage beim Transfer schon angesprochen. Ich habe da zwar keine Erfahrun, könnte mir aber vorstellen dass neben dem weit unten angebrachtem Anknüpfpunkt auf dem Kiel auch eine "kurze" Waage sowie geeignete Turbo-Konstruktionen das Wickeln erleichtern könnten. Ich denke da an das "nicken" bei langen Turboschenkeln. Ziehen an den Leinen sollte ja den Effekt haben, dass ich den Drachen nach oben hin beschleunige und mehr Kraft auf den unteren Teil des Drachen geleitet wird als auf den oberen Anknüpfpunkt. Wenn die Waage sehr ausgeglichen ist und alle Kräfte gleichmäßig verteilt, führt ein Zug an den Leinen doch mehr dazu dass der Drache beschleunigt aber gleichmäßig auf mich zu gezogen wird.

Ganz schön komplex...
Andreas

Salut,

Tolle Ausführungen,... geh' jetzt erst einmal zur Arbeit um drüber nachzudenken .

Nur schon ein paar erste Gedanken dazu:
Meiner Ansicht nach sollte man sich nicht allzusehr auf den Schwerpunkt und Drehpunkt versteifen, der Einfluss der aktiven Segelfläche im Zusammenspiel mit der darauf einwirkenden Kraft (sprich Wind) ist wahrscheinlich bedeutender.
Die Drehachse liegt ja auch immer ausserhalb des Drachens, der Drachen beschreibt beim Wickeln nicht einmal eine Kreisbahn um einen festen Drehpunkt, sondern bewegt sich in einem ständig dynamischen System. (Eher eine Ellipsenbahn).
Jeder Zug und Push an den Leinen verlagert dieses System zusätzlich und verändert die einwirkenden Kräfte.
Das auf einen Schwerpunkt und einen Drehpunkt zu reduzieren scheint mir zu vereinfachend, obwohl, wie ja schon mehrfach erwähnt, das Anbringen von Gewicht gewisse in der Theorie vorrausgesagte Einwirkungen bestätigt.

Zitat

Ist es vielleicht sogar notwendig, das sich die Drehachse dynamisch verlagert, damit man überhaupt "Schwung " holen kann?

...daran hatte ich gerade gedacht und geschrieben, aber den letzten Post von dir noch nicht gelesen.

Der Drachen bewegt sich immer in einem Drei-Achsen-System.

Zitat

Ist es vielleicht sogar notwendig, das sich die Drehachse dynamisch verlagert, damit man überhaupt "Schwung " holen kann? Ein einfaches System, wie bei einer Schaukel?

Da ich von jeglichem Vorwissen unbelastet bin, will ich auch was dazu sagen. 8-)

Eine Schaukel hat eine feststehende Drehachse. Das "Schwung holen" für eine Drehung ist die eine Sache. Aber alles was sich schnell und einfach dreht ist doch an der Drehachse stabilisiert. Ist die Drehachse dynamisch gelagert wird sich bei der Drehung eine Unwucht ergeben, die die Drehung bremst.

Zu der Versuchsanordnung ist mir der Gedanke gekommen, dass das Papiersegel zwar als optischer Hinweis zur Drehrichtung hilfreich ist, aber für das eigentliche Ergebnis des Versuchs auch weggelassen werden könnte, da es praktisch keinerlei aerodynamische Funktion haben wird. Genau da ist aber der Punkt wo meiner Meinung nach für die Drehung eines Drachens wesentliche Aspekte verloren gehen.

Zitat

Was bei Deinen Überlegungen komplett fehlt, ist der Luftwiderstand.

Wenn ich mit meinen Anfängeraugen einen guten Trickflieger sehe, habe ich den Eindruck, dass bei vielen Tricks die Grenzen der Physik aufgehoben oder zumindest verschoben sind. Das ist natürlich nicht so. Aber um diesen Eindruck entstehen zu lassen und eine Drachen z. B wickeln zu lassen kommt es neben dem Schwerpunkt auch ganz entscheidend auf den Luftwiderstand an, dessen Auswirkungen sind u. a. abhängig vom Segel, dem Wind und den Impulsen des Piloten. Von daher kann ich den Gedanken, dass ein Drachen der konsequent auf Rotation getrimmt ist, womöglich nicht mehr fliegbar ist gut nachvollziehen.

Achim,

schau dir mal das Double Roll-Up-Tutorial auf Randy's Seite an:

Randyg's Sportkite Blog

Am Ende des Videos sieht man noch einen Viper beim Wickeln, schräg von der Seite gefilmt.
Deutlich zu sehen ist, das der Drehpunkt viel weiter ausserhalb liegt.

Zitat

PS: eines noch. das zweite Bild mit den Drehachsen ist nicht ganz richtig. Die möglichen Drehachsen liegen Auf einer Elipse

Ich denke, man könnte sicherlich die Elipsenbahn vernachlässigen und auf einen dynamischen Drehpunkt reduzieren, aber die Beziehung von Schwerpunkt zu Drehachse ist in beiden Fällen nicht die gleiche.

...aus eigener Erfahrung beim Entwickeln !

Gewicht am Ende des Kiels :
...diese Schwungmasse fördert, bis zu einem gewissen Punkt, die Rotation.
Wird aber die Gewichtsmasse überschritten, behindert es die Rotation bei
einem normalen YoYo.
Bsp.:Ich habe 15 Gramm bei mir am Kielende und er Wickelt dabei gut
und als ich 20 Gramm verwendete wurde die gesamt Rotationsgeschwindigkeit gemindert.
Liegt daran, das es in einer richtung geschmissen wird und danach ja wieder zurück kommen muß.
Zudem war es kaum noch möglich den Kite beim Flic-Flac (den Deutschen ) aus dem Pankake herauszuholen (überdrehte ständig :-/ ) und blockierte anschließend.
In meinen Augen dienen Gewichte zur Erstbeschleunigung der Rotationen
und zum nach unten Drücken (dient auch zur Erleichterung der Bauchtricks,
wie z.B. den 540er und Flik Flack) des Kiels !

Waage beim Wickeln:
...umso näher zum Kielende diese angesetzt ist, desto stärker die Beschleunigung.
Hat aber den nachteil das der Impuls Zeitlich kürzer (also gekonter) sein muß, da er sonst Blockiert.
Zusätzlich kann auch eine Turbo Waage von nützen sein. Weil diese eine Beschleunigung unterstüzt.
Ist eine Waage zu Kurz (betrifft auch den Turbo Schenkel), kann diese auch den Kite Blockieren.
Ist sie hingegen zu lang, ist der Kite weniger agil. Da die Impulse mehr oder weniger Verpuffen.
Zusätzlich spielen die Aüßeren Verbindungen der Waage (Leitkante Bzw. Platzierung der oberen und unteren Querspreitze andem die Waage an den Verbindern befestigt wird) mit dem Kite auch eine Rolle.
Je enger diese aneinender liegen, desto leichter läßt er sich Wickeln.
Allerdings, je enger desto Kippliger !

Bevorzugte Form des Kites zum Wickeln :
...um so Gestreckter (Kiel kürzer und Spannweite größer), desto leichter läßt sich der Kite Wickeln.
Zudem Spielt die Schlepkannte und die Tiefe des Bauches eine wichtige Rolle.
Je ausgeschnittener die Schlepkante (weniger Fläche), desto schneller wickelt er. Und je Tiefer der Bauch, desto schneller wickelt er.
Beides beeinflüßt die Leichtwindtauglichkeit zum Negativen !

All diese Punkte, müssen bei einer Konstruktion berücksichtigt werden und mit anderen wichtigen Eigenschaften eines Kites im Einklang gebracht werden !

Boa...ist das Kompliziert ! :-O
- Editiert von PAW am 05.07.2007, 14:59 -

Und nach der ersten Wicklung ist die Waage auch nur noch eine Einpunktwaage.