Maturitätsarbeit im Windkanal der ZHAW
Im Windkanal der ZHAW untersuchte Oskar Vestreli im Rahmen seiner Maturaarbeit, wie stark die Form eines Segels die Vortriebskraft beeinflusst – und zeigte eindrucksvoll, dass Geometrie mehr zählt als Fläche.
Im Rahmen seiner Maturitätsarbeit am Gymnasium Uster untersuchte Oskar die Frage, wie stark die geometrische Form eines Segels die erzeugte Vortriebskraft beeinflusst. In vielen vereinfachten Formeln wird hauptsächlich der Flächeninhalt eines Segels berücksichtigt, während die Form kaum erwähnt wird. Aus der Auftriebstheorie ist jedoch bekannt, dass die Geometrie entscheidend zur Kraftentstehung beiträgt. Daher stellte sich für ihn die Frage, weshalb dies beim Segelboot angeblich keine Rolle spielen sollte.
Um diese Diskrepanz zu prüfen, durfte Oskar im Windtunnel der ZHAW experimentieren. Er baute drei Modell-Segelboote, deren Segel sich nur in der Form unterschieden - Dreieck, Rechteck und Fünfeck -, jedoch alle denselben Flächeninhalt besaßen. Die Modelle wurden auf einen Wagen montiert, der auf einem Gleissystem geführt und über ein Kraftmessgerät mit dem Messapparat verbunden war. So konnten identische Winkel zum Wind eingestellt und die Vortriebskraft präzise erfasst werden. Der Windtunnel der ZHAW, ein geschlossener Kanal mit Turbine, Turbulenzfilter und Testbereich, ermöglichte reproduzierbare Windgeschwindigkeiten.
Oskar führte Messungen bei 10 m/s, 12,5 m/s und 15 m/s sowie bei Windwinkeln von 45°, 90° und 180° durch. Bei jeder Kombination entstanden mehrere Wiederholungen, insgesamt rund 68 Messungen innerhalb von drei Stunden. Das funktionierte dank guter Vorbereitung und den Inputs des wissenschaftlichen Assistenten, welcher ihn beim Aufbau unterstützte.
Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die Segelform die erzeugte Vortriebskraft beeinflusst. Das rechteckige Segel erwies sich als am wenigsten geeignet, da seine obere Hälfte instabil flatterte und kaum zum Vortrieb beitrug. Dreiecks- und Fünfeckssegel lieferten ähnliche Kräfte, doch zeigte sich, dass eine bestimmte Wölbung nötig ist, damit der Luftstrom optimal folgen kann. Beim Dreieck entsteht im oberen Bereich jedoch Turbulenz um den Mast, wodurch der Luftstrom teilweise nicht mehr laminar anliegt. Das Fünfeckssegel erwies sich bei niedrigen Windgeschwindigkeiten als besonders effizient, da es stabil genug ist und seine Länge den Luftstrom gut führt. Bei höheren Windgeschwindigkeiten verlor es jedoch Stabilität; die obere Ecke knickte nach hinten und erzeugte ungünstige Anstellwinkel, was die Kraft reduzierte. Unter solchen Bedingungen zeigte das Dreiecksegel die besten Werte.
Da beim echten Segeln Windgeschwindigkeiten über 10 m/s selten sind, liegen die Kräfte in der Praxis meist näher beieinander. Entscheidend bleibt dann vor allem der gewählte Kurs zum Wind.
Die professionelle Infrastruktur stand ihm kostenlos zur Verfügung, und er wurde vom wissenschaftlichen Assistenten fachlich wie organisatorisch begleitet. Die Zusammenarbeit ermöglichte es ihm, seine experimentelle Idee präzise umzusetzen und wertvolle Einblicke in Forschung und Studium zu gewinnen.