Rumpf (Wasserfahrzeug)

Der Rumpf ist der wasserdichte Körper eines Schiffes , Bootes , U-Bootes oder Flugbootes . Er kann oben offen sein (wie bei einem Beiboot ) oder ganz oder teilweise mit einem Deck bedeckt sein. Auf dem Deck befinden sich oft ein Deckshaus und weitere Aufbauten wie Schornstein, Ladebaum oder Mast . Die Linie, an der der Rumpf die Wasseroberfläche berührt, wird Wasserlinie genannt .

Es gibt eine Vielzahl von Rumpftypen, die je nach Eignung für unterschiedliche Einsatzzwecke ausgewählt werden. Die Rumpfform hängt dabei von den Anforderungen des jeweiligen Designs ab. Die Formen reichen von einem nahezu perfekten Kasten bei Schuten bis hin zu einer nadelspitzen Rotationsfläche bei einem Regatta-Mehrrumpfboot. Die Form wird so gewählt, dass ein Gleichgewicht zwischen Kosten, hydrostatischen Aspekten (Unterbringung, Zuladung und Stabilität), Hydrodynamik (Geschwindigkeit, Leistungsbedarf sowie Bewegung und Verhalten auf See) und speziellen Anforderungen für den jeweiligen Schiffseinsatz, wie dem abgerundeten Bug eines Eisbrechers oder dem flachen Boden eines Landungsboots , gefunden wird .

Bei einem typischen modernen Stahlschiff verfügt der Rumpf über wasserdichte Decks und tragende Querträger, die als Schotten bezeichnet werden. Je nach Konstruktionsaufbau können auch Zwischenträger wie Längsträger , Spanten und Stege sowie kleinere Bauteile wie Spanten, Spanten oder Längsträger vorhanden sein . Das oberste durchgehende Deck kann als „Oberdeck“, „Wetterdeck“, „Spardeck“, „ Hauptdeck “ oder einfach „Deck“ bezeichnet werden. Die jeweilige Bezeichnung hängt vom Kontext ab – vom Schiffstyp, der Konstruktion und sogar vom Einsatzgebiet.

Bei einem typischen Segelboot aus Holz besteht der Rumpf aus Holzplanken, die von Querspanten (oft auch Rippen genannt) und Schotten getragen werden. Diese sind zusätzlich durch Längsverstrebungen oder ein Dach verbunden. Häufig, aber nicht immer, gibt es einen mittigen Längsträger, den Kiel . Bei Rümpfen aus Fiberglas oder Verbundwerkstoffen kann die Konstruktion teilweise der von Holz- oder Stahlschiffen ähneln oder als Monocoque- Konstruktion ausgeführt sein. Verbundwerkstoffrümpfe werden oft durch das Aufbringen dünner, faserverstärkter Außenschichten auf einen leichten, aber ausreichend steifen Kern aus Schaumstoff, Balsaholz, imprägniertem Papierwabenmaterial oder anderen Materialien hergestellt.

Die frühesten richtigen Schiffsrümpfe wurden vermutlich von den alten Ägyptern gebaut , die um 3000 v. Chr. bereits wussten, wie man Holzplanken zu einem Rumpf zusammenfügt. ^{[ 1 ]}

Rümpfe gibt es in vielen Varianten und sie können eine zusammengesetzte Form aufweisen (z. B. einen schlanken Bug und eine umgekehrte Glockenform im Heck), sie werden aber hauptsächlich wie folgt gruppiert:

• Es gibt Rumpftypen mit und ohne Kimmkante. Beispiele hierfür sind der Flachboden (mit Kimmkante), der V-Rumpf und der Rumpf mit mehreren Kimmkanten (mehrere, weniger ausgeprägte Kimmkanten, aber dennoch nicht glatt). Diese Rumpftypen weisen mindestens eine deutliche Knickkante über die gesamte oder einen Großteil ihrer Länge auf.
• Geformt, rundspantig oder weichkantig . Diese Rumpfformen weisen alle sanfte Kurven auf. Beispiele hierfür sind der Rundspant, der Halbrundspant und der S-Rumpf.

• Verdrängungsrumpf: Hierbei wird der Rumpf ausschließlich oder überwiegend durch Auftrieb getragen . Schiffe mit diesem Rumpftyp bewegen sich mit einer durch die Wasserlinienlänge begrenzten Geschwindigkeit durch das Wasser, mit Ausnahme besonders schmaler Rümpfe wie Segel- Mehrrumpfboote , die in dieser Hinsicht weniger eingeschränkt sind.
• Gleitrumpf: Hierbei ist die Rumpfform so ausgelegt, dass sie einen positiven dynamischen Druck erzeugt, wodurch der Tiefgang mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Der dynamische Auftrieb reduziert die benetzte Oberfläche und somit auch den Widerstand . Solche Rümpfe sind mitunter flachbodig, manchmal V-förmig und seltener rundspantig. Am häufigsten weisen sie mindestens eine Kimmkante auf, was das Gleiten effizienter macht und Spritzwasser ableitet. Gleitrümpfe sind bei höheren Geschwindigkeiten effizienter, benötigen aber dennoch mehr Energie, um diese Geschwindigkeiten zu erreichen. Ein effektiver Gleitrumpf muss so leicht wie möglich sein und flache Oberflächen aufweisen, die gute Seegängigkeit gewährleisten. Segelboote, die gleiten, müssen auch bei leichtem Wind im Verdrängermodus effizient segeln können.
• Halbgleiter oder Halbgleiter: Hierbei ist die Rumpfform in der Lage, einen mäßigen dynamischen Auftrieb zu erzeugen; der größte Teil des Schiffsgewichts wird jedoch weiterhin durch Auftrieb getragen.

Gegenwärtig ist der Rundspantrumpf die am weitesten verbreitete Rumpfform. ^{[ 2 ]}

Bei geringer Nutzlast befindet sich ein kleiner Teil des Rumpfes eines solchen Bootes unterhalb der Wasserlinie , was den Widerstand verringert und die Geschwindigkeit erhöht. Bei größerer Nutzlast ist der Widerstand höher und die Geschwindigkeit geringer, aber die nach außen gebogene Rumpfform sorgt für ein ruhigeres Fahrverhalten in Wellen. Daher ist die umgekehrte Glockenform eine beliebte Bauform für Gleitboote.

Ein Rumpf mit Knickspant weist keinen sanft gerundeten Übergang zwischen Boden und Bordwand auf. Stattdessen werden seine Konturen durch scharfe Winkel unterbrochen, wo vorwiegend längs verlaufende Rumpfpaneele aufeinandertreffen. Je schärfer der Schnittpunkt (je spitzer der Winkel), desto ausgeprägter der Knickspant. Pro Bordwand sind auch mehrere Knickspante möglich.

Das Cajun-„Pirogue“ ist ein Beispiel für ein Boot mit scharfen Kanten.

Zu den Vorteilen dieses Rumpftyps zählen potenziell niedrigere Produktionskosten und ein (meist) relativ flacher Boden, wodurch das Boot schneller ins Gleiten kommt . Ein Rumpf mit scharfem Knickspant ist in ruhigem Wasser weniger rollfreudig als ein Rumpf mit abgerundetem Kimmgrat (der Knickspant erzeugt Turbulenzen und Widerstand, die der Rollbewegung entgegenwirken; der abgerundete Kimmgrat bietet in Kurven weniger Strömungswiderstand). Bei rauer See kann dies jedoch zu stärkerem Rollen führen, da die Bewegung am Knickspant zunächst nach unten und dann nach oben wirkt: Boote mit Rundspant sind daher in Wellen seetüchtiger.

Rumpfformen mit Knickspant können drei verschiedene Formen aufweisen:

• Flachboden-Knickspantrümpfe
• Mehrkiel-Rümpfe
• V-förmige Rümpfe mit Knickspant. Manchmal auch als harte Knickspantrümpfe bezeichnet.

Jeder dieser Kimmrumpftypen besitzt seine eigenen, einzigartigen Eigenschaften und Einsatzgebiete. Der Flachbodenrumpf zeichnet sich durch hohe Anfangsstabilität, aber auch durch hohen Widerstand aus. Um diesem entgegenzuwirken, sind die Rumpfformen schmal und verjüngen sich mitunter stark am Bug und Heck. Dies führt bei Segelbooten zu geringer Stabilität in Krängung. Dem wird bei Segelversionen oft durch schweren Innenballast entgegengewirkt. Sie eignen sich am besten für geschützte Küstengewässer. Frühe Rennmotorboote hatten einen schmalen Bug und ein flaches Heck. Dies erzeugte maximalen Auftrieb und eine ruhige, schnelle Fahrt auf glattem Wasser, doch diese Rumpfform gerät in Wellen leicht ins Wanken. Der Mehrkielrumpf ähnelt einer gekrümmten Rumpfform. Er bietet weniger Widerstand als ein Flachbodenboot. Mehrkielrümpfe sind komplexer zu bauen, ergeben aber eine seetüchtigere Rumpfform. Sie sind in der Regel Verdrängerrümpfe. V- oder Bogenkielboote weisen eine V-  Form mit einem Winkel zwischen 6° und 23° auf. Dies wird als V-  Winkel bezeichnet . Die flachere Rumpfform mit 6 Grad Knickwinkel ermöglicht das Gleiten bereits bei geringerem Wind oder mit einem Motor mit niedrigerer Leistung, führt aber zu stärkerem Stampfen in Wellen. Die tiefe V- Form (zwischen 18 und 23 Grad) eignet sich nur für leistungsstarke Gleitboote. Diese benötigen stärkere Motoren, um das Boot ins Gleiten zu bringen, bieten aber eine schnellere und ruhigere Fahrt in Wellen. Verdrängerrümpfe mit Knickspant haben bei gleicher Verdrängung eine größere benetzte Oberfläche und somit einen höheren Widerstand als vergleichbare Rundrumpfformen.    

Glatt gekrümmte Rümpfe sind Rümpfe, die, genau wie die gekrümmten Rümpfe, ein Schwert oder einen befestigten Kiel verwenden.

Halbrundspantrümpfe sind etwas weniger rund. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie eine gute Zwischenstellung zwischen S-Rumpf und Knickspantrumpf einnehmen. Typische Beispiele für Halbrundspantrümpfe sind die Segeljollen Centaur und Laser .

S-Rümpfe sind Segelbootrümpfe mit einem mittschiffs verlaufenden, S- förmigen Querteil . Bei diesem Rumpftyp hat er runde Kimmkanten und geht fließend in den Kiel über. Zwischen Kielmittellinie und Scheuerleiste befinden sich keine scharfen Kanten an den Rumpfseiten. Boote mit dieser Rumpfform können einen langen, festen Tiefkiel oder einen langen, flachen Festkiel mit einem innenliegenden Schwenkkiel besitzen. Der Ballast kann intern, extern oder in einer Kombination aus beidem angebracht sein. Diese Rumpfform war im späten 19. und frühen bis mittleren 20. Jahrhundert besonders beliebt. Beispiele für kleine Segelboote mit dieser S-Form sind die Yngling und die Randmeer .

• Es können Steuereinrichtungen wie Ruder , Trimmklappen oder Stabilisierungsflossen angebracht sein.
• Ein Kiel kann an einem Rumpf angebracht werden, um die Querstabilität oder die Richtungsstabilität zu erhöhen oder um Auftrieb zu erzeugen.
• Zu den einziehbaren Anhängseln gehören Schwert und Schwert . ^{[ 3 ]}
• Ein nach vorne gerichteter Vorsprung unterhalb der Wasserlinie wird als Wulstbug bezeichnet . Diese werden an einigen Rümpfen angebracht, um den Wellenwiderstand zu verringern und dadurch die Treibstoffeffizienz zu steigern .

• Die Basislinie ist eine horizontale Bezugslinie, von der aus vertikale Entfernungen gemessen werden.
• Der Bug ist der vordere Teil des Rumpfes.
• Mittschiffs bezeichnet man den mittleren Abschnitt des Schiffes in Längsrichtung.
• Backbord ist die linke Seite des Schiffes, wenn man von Bord aus auf den Bug blickt.
• Steuerbord ist die rechte Seite des Schiffes, wenn man vom Schiff aus auf den Bug blickt.
• Das Heck ist der hintere Teil des Rumpfes.
• Die Wasserlinie ist eine gedachte Linie, die den Rumpf umschreibt und mit der Wasseroberfläche übereinstimmt, wenn sich der Rumpf nicht bewegt.

Die Rumpfformen sind wie folgt definiert:

Blockmaße , die die Hauptdimensionen definieren. Es handelt sich um:

• Die Breite ( B ) bezeichnet die Breite des Rumpfes. (Beispiel: BWL ist die maximale Breite an der Wasserlinie.)
• Der Tiefgang ( d ) oder ( T ) ist der vertikale Abstand von der Unterseite des Kiels bis zur Wasserlinie .
• Der Freibord ( FB ) ist die Tiefe plus die Höhe des Kielaufbaus minus dem Tiefgang .
• Die Länge an der Wasserlinie ( LWL ) ist die Länge vom vordersten Punkt der Wasserlinie, gemessen im Profil, bis zum achternsten Punkt der Wasserlinie.
• Die Länge zwischen den Loten ( LBP oder LPP ) ist die Länge der Sommerlastwasserlinie vom Heckpfosten bis zu dem Punkt, an dem sie den Bug kreuzt . (siehe auch p/p )
• Die Gesamtlänge ( LOA ) ist die maximale Länge von einem Ende zum anderen.
• Die Formtiefe ( D ) ist der vertikale Abstand, gemessen von der Oberkante des Kiels bis zur Unterseite des Oberdecks an der Seite. ^{[ 4 ]}

Es handelt sich um Ableitungen , die aus der Form und den Blockmaßen berechnet werden. Dazu gehören:

• Die Verdrängung ( Δ ) ist das Gewicht des Wassers, das dem eingetauchten Volumen des Schiffsrumpfs entspricht.
• Der Längsschwerpunkt des Auftriebs ( LCB ) ist die Längsposition des Schwerpunkts des verdrängten Volumens und wird häufig als Abstand von einem Bezugspunkt (oft mittschiffs) zum Schwerpunkt des statischen verdrängten Volumens angegeben. Es ist zu beachten, dass der Längsschwerpunkt bzw. der Gewichtsschwerpunkt des Schiffes mit dem LCB übereinstimmen muss, wenn sich der Rumpf im Gleichgewicht befindet.
• Der Längsschwerpunkt des Auftriebs ( LCF ) ist die Längsposition des Schwerpunkts der Wasserlinienfläche und wird üblicherweise als Längsabstand von einem Bezugspunkt (oft mittschiffs) zum Mittelpunkt der statischen Wasserlinienfläche angegeben. Diese Fläche kann man sich als die von der Wasseroberfläche und dem Rumpf begrenzte Fläche vorstellen.
• Der vertikale Auftriebsmittelpunkt ( VCB ) ist die vertikale Position des Schwerpunkts des verdrängten Volumens und wird im Allgemeinen als Abstand von einem Bezugspunkt (z. B. der Basislinie) zum Mittelpunkt des statischen verdrängten Volumens angegeben.
• Das Volumen ( V oder ∇ ) ist das Volumen des vom Rumpf verdrängten Wassers.

Koeffizienten ^{[ 5 ]} helfen auch beim Vergleich von Rumpfformen:

1. Der Blockkoeffizient ( C_{_b} ) ist das Volumen (V) geteilt durch die Formel L _{_WL} × B _{_WL} × T _{_WL}. Zeichnet man einen Quader um den untergetauchten Teil des Schiffes, entspricht er dem Verhältnis des vom Schiff eingenommenen Volumens zu dem des Quaders. Er gibt an, wie viel des durch L _{_WL}, B und T definierten Blocks vom Rumpf ausgefüllt wird. Große Schiffe wie Öltanker haben einen hohen C_{_b -Wert, während kleinere Schiffe wie Segelboote einen niedrigen C_b} -Wert aufweisen.$${\displaystyle C_{b}={\frac {V}{L_{WL}\cdot B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
2. Der Mittschiffskoeffizient ( C_{_m} oder C_{_x} ) ist die Querschnittsfläche (A _{_x} ) des Rumpfsegments mittschiffs (bzw. des größten Querschnitts bei C_{_x}), dividiert durch Breite x Tiefgang. Er gibt das Verhältnis des größten Unterwasserquerschnitts des Rumpfes zu einem Rechteck mit derselben Gesamtbreite und -tiefe wie der Unterwasserquerschnitt des Rumpfes an. Dies definiert die Fülle des Unterwasserschiffs. Ein niedriger C_{_m}-Wert deutet auf einen ausgeschnittenen Mittelteil hin, ein hoher C_{_m}-Wert auf eine kastenförmige Rumpfform. Segelboote haben einen ausgeschnittenen Mittelteil mit niedrigem C_{_x}-Wert , während Frachtschiffe einen kastenförmigen Rumpf mit hohem C_{_x-Wert aufweisen, um den C_b} -Wert zu erhöhen .$${\displaystyle C_{m}={\frac {A_{m}}{B_{WL}\cdot T_{WL}}}}$$
3. Der prismatische Koeffizient ( C_{_p} ) ist das Volumen (V) dividiert durch L _{_WL} × A _× . Er gibt das Verhältnis des eingetauchten Rumpfvolumens zum Volumen eines Prismas mit gleicher Länge wie das Schiff und einer Querschnittsfläche gleich dem größten Unterwasserquerschnitt des Rumpfes (Mittschiffsquerschnitt) an. Er dient zur Beurteilung der Volumenverteilung des Unterwasserschiffs. Ein niedriger oder feiner C_{_p} -Wert deutet auf einen vollen Mittelteil und schlanke Enden hin, ein hoher oder hoher C_{_p} -Wert auf ein Boot mit voluminöseren Enden. Gleitrümpfe und andere Hochgeschwindigkeitsrümpfe weisen tendenziell einen höheren C_{_p} -Wert auf . Effiziente Verdrängerrümpfe, die mit einer niedrigen Froude-Zahl fahren , haben tendenziell einen niedrigen C_{_p} -Wert .$${\displaystyle C_{p}={\frac {V}{L_{WL}\cdot A_{m}}}}$$
4. Der Wasserlinienkoeffizient ( C_{_w} ) ist die Wasserlinienfläche dividiert durch L _{_WL} x B _{_WL} . Er beschreibt die Fülle der Wasserlinie bzw. das Verhältnis ihrer Fläche zu einem Rechteck gleicher Länge und Breite. Ein niedriger C_{_w} -Wert deutet auf feine, ein hoher Wert auf voluminösere Enden hin. Ein hoher C_w-Wert _{verbessert die} Stabilität und das Fahrverhalten bei rauer See.$${\displaystyle C_{w}={\frac {A_{w}}{L_{WL}\cdot B_{WL}}}}$$

Notiz:$${\displaystyle C_{b}=C_{p}\cdot C_{m}}$$

Der Einsatz computergestützter Konstruktionsmethoden hat die papierbasierten Verfahren des Schiffsentwurfs, die auf manuellen Berechnungen und Linienzeichnungen beruhten, abgelöst. Seit Anfang der 1990er-Jahre wurden verschiedene kommerzielle und kostenlose Softwarepakete speziell für den Schiffbau entwickelt, die 3D-Zeichenfunktionen mit Berechnungsmodulen für Hydrostatik und Hydrodynamik kombinieren. Diese können als geometrische Modellierungssysteme für den Schiffbau bezeichnet werden. ^{[ 6 ]}

• Hayler, William B.; Keever, John M. (2003). American Merchant Seaman's Manual . Cornell Maritime Press. ISBN 0-87033-549-9Die
• Turpin, Edward A.; McEwen, William A. (1980). Merchant Marine Officers' Handbook (4. Aufl.). Centreville, MD: Cornell Maritime Press. ISBN 0-87033-056-XDie