Die Corona-Zeit ver­fliegt für mich im Nu. Als vom Alter her „gefähr­dete Per­son“ bewege ich mich wie vom Bun­des­rat gebo­ten nur so viel wie nötig und so wenig wie erwünscht aus­ser­halb der Stamm­woh­nung. Die Fami­lie sehe ich via Zoom und Schiffe fah­ren eh (fast) keine mehr. Trau­rig aber wahr. Vier län­gere Rei­sen fal­len ins Was­ser, unter ande­rem die bereits fer­tig orga­ni­sierte Reise „Mit dem Dampf­schiff durch Finn­land“ der Schiffs-Agen­tur. Par­al­lel dazu erle­ben wir die schöns­ten und wärms­ten Früh­lings­wo­chen seit Jahr­zehn­ten und ein Hoch­druck­ge­biet löst das andere ab. Die Corona-Zeit bringt auch neue „Frei­hei­ten“, zum Bei­spiel Bücher zu lesen oder sich mit zeit­in­ten­si­ven Fach­the­men zu befassen.

Im Zusam­men­hang unse­res (ver­scho­be­nen) Besu­ches zum Schiffs­mo­dell­bauer Erich Liechti machte ich Bekannt­schaft mit Clau­dia Wick aus Mün­chen, eben­falls Schiffs­mo­dell-Baue­rin. Die gebür­tige Luzer­ne­rin bekun­det seit ihrer Kind­heit Inter­esse an Dampf­schif­fen: „Dies begann im Kin­der­wa­gen mit Nach­mit­tags­spa­zier­gän­gen von Kehr­si­ten nach Stans­stad und setzte sich im Kin­der­gar­ten fort. Wir erwisch­ten immer die ‘Uri’, lange kannte ich nur die­ses Schiff. Und wenn wir so eine Tour gemacht hat­ten, malte ich nach­her tage­lang… Dampf­schiffe. In der Pri­mar­schule durfte ich sogar dabei sein auf der 2. Jung­fern­fahrt der ‘Unter­wal­den’. Dank Kapi­tän Alois Kauf­mann durfte ich mit DS Gal­lia mehr­fach mit­fah­ren, auch mal ins Steu­er­haus (und sogar hor­nen) und in den Maschi­nen­raum. Und so ging es wei­ter, bis die Schul­ar­bei­ten für das Gym­na­sium zu viel Tri­but for­der­ten. Aber wer ein­mal vom Damp­fer­vi­rus befal­len ist, wird es nicht mehr los.»

Die Eltern – Vater Peter Wick war lang­jäh­ri­ger Direk­tor des Glet­scher­gar­tens Luzern – boten ihren zwei Töch­tern ein Umfeld span­nen­der Ent­de­ckun­gen und brei­ter Bil­dung. Trotz „tech­nisch-inter­es­sier­ten Vor­zei­chen“ ging ihr Stu­dium aber in eine völ­lig andere Rich­tung. Sie pro­mo­vierte 2003 in klas­si­scher Phi­lo­lo­gie (Latein, Alt­grie­chisch). Wick selbst­kri­tisch: «Ein paar faule Mathe­ma­tik­mo­nate im Unter­gymi, Alge­bra ver­passt, mehr Lust auf Spra­chen, und schon war der Zug abge­fah­ren.» Heute arbei­tet sie als wis­sen­schaft­li­che Mit­ar­bei­te­rin an der Baye­ri­schen Aka­de­mie der Wis­sen­schaf­ten. Ein Zweit­stu­dium schliesst sie nicht aus: «Der Schiff­bau, die Dampf­ma­schi­nen, und eigent­lich auch sons­tige Tech­nik war immer meine Liebe und wird sie stets bleiben.»

Diese Nei­gung lebt sie mit ihrem Hobby Modell­bau aus. Clau­dia Wick: «Wir haben hier in Mün­chen zwei Modell­bau­er­stamm­ti­sche: einen für den Kar­ton­mo­dell­bau und einer für den ‘Arbeits­kreis hist. Schiff­bau’. Mein Kol­lege Michael Bauer kam vor einem Jahr mit einem Ori­gi­nal­plan der «Hohentwiel»-Räder, der Chef­re­dak­teur des Arbeits­krei­ses wollte dar­aus gleich eine Plan­bei­lage fürs ‘log­buch’ machen.» Ihr Vor­schlag, mit Bil­dern und Erklä­run­gen diese Trou­vaille zu ergän­zen, fand Unterstützung.**

Clau­dia Wick hat dann für die Zeit­schrift „das log­buch“ Nr. 4/2019 und 1/2020 eine umfas­sende Ana­lyse über die Ent­wick­lung und Tech­nik der Schau­fel­rä­der recher­chiert und dif­fe­ren­ziert ver­fasst. Hier wird unter ande­rem auch meine Frage nach der Effi­zi­enz star­rer und beweg­li­cher Schau­feln beant­wor­tet. Bis vor weni­gen Jah­ren war für mich klar: Beim ein­fa­chen Schau­fel­rad mit starr mon­tier­ten Schau­feln tref­fen diese schräg aufs Was­ser und tau­chen so auch wie­der auf; der Wir­kungs­grad muss ent­spre­chend schlecht sein.

Die Abbil­dung 1 bestä­tigt aufs Erste diese Ver­mu­tung: Idea­ler­weise würde den Vor­schub im Was­ser der hori­zon­tale Kraft­vek­tor S leis­ten. Doch der effek­tive Kraft­vek­tor D des star­ren Schau­fel­ra­des zielt beim Ein- und Aus­tau­chen in eine andere Rich­tung. Die Dif­fe­renz der bei­den Vek­to­ren ist mit der gestri­chel­ten Linie ange­deu­tet: Nur in der tiefs­ten Lage des Rad­kran­zes steht die Schau­fel senk­recht zur Fahr­rich­tung und ver­mag dadurch die Schub­kraft opti­mal zu über­tra­gen. Beim Schau­fel­rad mit einer Exzen­ter­kon­struk­tion* sind die Schau­feln hin­ge­gen beweg­lich. Sie tau­chen nahezu senk­recht ins Was­ser ein und aus und kön­nen somit die Antriebs­kraft bes­ser in Geschwin­dig­keit des Schif­fes umwan­deln; die bei­den Kraft­vek­to­ren in Abbil­dung 1 sind dann gleich. Soweit die Theorie.

Eine Fahrt mit dem bis­lang ein­zi­gen Sei­ten­rad-Hotel­schiff der Welt, der „Loire Prin­cesse“ in Nan­tes, hat mich ver­un­si­chert: ein im Jahre 2015 erbau­tes Schiff setzt auf starre Schau­feln? Die fran­zö­si­schen Kon­struk­teure der Werft Chan­tier naval STX in Saint-Nazaire haben beweg­li­che Schau­feln eva­lu­iert und kamen zum Schluss, dass sich eine sol­che wesent­lich auf­wen­di­gere Kon­struk­tion nicht aus­zahlt². Clau­dia Wick fin­det dazu wei­tere Argu­mente: «Eine sol­che Kon­struk­tion hat durch­aus Vor­teile: sie ist robust, rela­tiv leicht und weist keine stör­an­fäl­lige Steu­er­me­cha­nik mit Gelen­ken und Steu­er­stan­gen auf. Aus­ser­dem las­sen sich Schä­den, die auf unre­gu­lier­ten Flüs­sen wie bei der Loire mit Untie­fen und Treib­gut öfter vor­kom­men, leicht reparieren.“

Clau­dia Wick hat in Josef Gwer­ders Bord­buch über die „Rigi“ eben­falls Wider­sprüch­li­ches über starre und beweg­li­che Schau­fel­rä­der gefun­den. 1852 wur­den am Vier­wald­stätter­see-Dampf­schiff Rigi (Bau­jahr 1848) dies­be­züg­li­che Expe­ri­mente von Escher-Wyss durch­ge­führt. Dabei erset­zen die Schiff­bauer die bis­he­ri­gen star­ren Schau­feln durch Räder mit beweg­li­chen Schau­feln. Zitat aus dem Bord­buch Rigi: „Die Ver­bes­se­rung der Geschwin­dig­keit wird mit 7% garan­tiert. Es wird eine Pro­be­fahrt beim lee­ren Schiff mit den star­ren Rad­schau­feln und nach dem Umbau mit den beweg­li­chen Schau­feln (…) ver­ein­bart. (…) Am 13. April 1852 erfolgt die Pro­be­fahrt mit den star­ren Rad­schau­feln. Die direkte Stre­cke Luzern – Flüelen wird in genau 2 Stun­den durch­fah­ren bei einer mitt­le­ren Dreh­zahl von 37 U/​min. Der Holz­ver­brauch beläuft sich auf 17 Zentner.

Die Pro­be­fahrt mit den neuen, beweg­li­chen Schau­feln erfolgte am 16. Novem­ber, nach­dem eine erste Test­fahrt am 12. Novem­ber uner­freu­li­che Resul­tate erbrachte. Inzwi­schen hat Escher Wyss neue, län­gere und brei­tere Holz­schau­feln mon­tiert. Nun beträgt die Fahr­zeit 1 Std. 56’ 50” bei 37 U/​min, Holz­ver­brauch eben­falls 17 Zent­ner. Für die Rück­fahrt wird das Schiff mit 5 Klaf­ter Holz und 100 Zent­ner Brenn­holz bela­den. Es braucht für die direkte Stre­cke Flüelen – Luzern 1 Std. 59’ bei 36 3/10 U/​min, Holz­ver­brauch 17 Zent­ner. Eine Geschwin­dig­keits­ver­bes­se­rung von garan­tier­ten 7 % wurde in kei­ner Weise erreicht. (…) Nach lan­gen Ver­bal­pro­zes­sen hin und her erklärt sich Escher Wyss am 7. Februar 1853 bereit, die Akon­to­zah­lun­gen zurück­zu­er­stat­ten. (…) Der wei­tere Lebens­lauf und diverse Bild­do­ku­mente zei­gen (…), dass wie­der die ursprüng­li­chen Räder mon­tiert wur­den.“ Also doch nichts mit dem phy­si­ka­li­schen „Wun­der“ der beweg­li­chen Schaufeln?

Trotz­dem ver­schwan­den nach 1840 die star­ren Schau­feln bei Neu­bau­ten bald und mach­ten den beweg­li­chen Eisen­schau­feln, wie sie heute auf so gut wie allen noch in Betrieb ste­hen­den Rad­schif­fen und an vie­len Muse­ums­expo­na­ten zu sehen sind, ab den spä­ten 1880-er Jah­ren Platz. Selbst DS Rigi bekam dann, als letz­ter Schwei­zer Rad­damp­fer, 1893 beweg­li­che Schau­fel­rä­der***. Clau­dia Wick löst den schein­ba­ren Wider­spruch mit phy­si­ka­li­schen Erklä­run­gen auf, die uns in die inter­es­sante Welt der Mecha­nik führt. „Man ging zunächst davon aus, dass die Schau­feln idea­ler­weise vom Ein- bis zum Aus­tau­chen in senk­rech­ter Posi­tion ste­hen soll­ten – genau wie die Rie­men­blät­ter eines Ruder­boo­tes.“ Was pas­siert da physikalisch?

Das Rad mit den Schau­feln dreht mit kon­stan­ter Geschwin­dig­keit. Clau­dia Wick: „Die Wege zwi­schen den Punk­ten A, B, C, D usw. sind auf dem Kreis gleich lang, und sie zu durch­lau­fen dau­ert jeweils gleich lang. Die Antriebs­kraft wirkt jedoch in hori­zon­ta­ler Rich­tung, in der Abbil­dung als blaue Linie dar­ge­stellt. Man erkennt nun deut­lich, dass die Weg­länge, wel­che die Schau­fel in hori­zon­ta­ler Rich­tung zurück­legt, zwi­schen den Punk­ten A´, B´ und B´, C´ sehr unter­schied­lich ist.

Doch wie wir gerade gese­hen haben, benö­tigt die Schau­fel für den Weg von A nach B die­selbe Zeit wie von B nach C. Dar­aus resul­tiert, dass die hori­zon­tale Stre­cke A´ bis B´ um ein Mehr­fa­ches lang­sa­mer zurück­ge­legt wird als jene von B´ nach C’. Die hori­zon­tale Geschwin­dig­keit ist beim Ein- und Aus­tritt der Schau­fel als am gerings­ten, und man kann ver­ste­hen, dass bei einem sehr tief ein­ge­tauch­ten Rad die Schau­feln an die­sen Punk­ten eher brem­sen statt beschleu­ni­gen. Ste­hen sie in die­ser Phase senk­recht, ist diese Brems­wir­kung stär­ker als wenn sie schräg ste­hen. Gesucht ist somit ein Kom­pro­miss: der beste Anstell­win­kel für die Schau­feln bei Ein- und Aus­tritt muss irgendwo zwi­schen dem­je­ni­gen der star­ren und dem­je­ni­gen der senk­recht ste­hen­den Schau­fel liegen!“

In den ent­spre­chen­den Kon­struk­ti­ons­hand­bü­chern ist das Lösungs­prin­zip plau­si­bel dar­ge­legt, wie man nun zu die­sem idea­len Kom­pro­miss kommt, damit die Stör­ef­fekte ver­min­dert wer­den. Wick: „Das dar­aus resul­tie­rende, klas­si­sche Schema ist in Abbil­dung 3 zu sehen: Die Schau­fel­nei­gung ori­en­tiert sich wäh­rend des Weges im Was­ser am Schei­tel­punkt D.“ Ich freue mich auf die nächste „Phy­sik­stunde“ von Clau­dia Wick.