1. L’equilibrio della barca

1. L’equilibrio della barca

In questo capitolo sarà descritto, limitatamente a quanto necessario, il problema dell’equilibrio delle forze agenti sulla barca.

Le semplici considerazioni che seguiranno saranno essenziali per la corretta definizione del problema fluidodinamico da analizzare.

1.1 Correnti reali e correnti apparenti

Consideriamo una barca che stia veleggiando in un tratto di mare in condizioni ventose stabili. Tale condizione può essere schematizzata come un punto materiale che si muove con velocità costante in una corrente asintotica uniforme.

Mettendoci con un sistema di riferimento solidale al punto materiale, la velocità che si misura è data dalla differenza vettoriale della corrente asintotica e della velocità del punto materiale.

Corrente asintotica Velocità del punto materiale Corrente apparente

Fig. 1.1 Corrente asintotica e corrente apparente

La velocità del flusso che investe la barca, non è quindi quella della corrente asintotica bensì una velocità apparente ottenuta dalle due velocità assolute.

In entrambi i casi, per una corretta modellizzazione di una condizione riferita ad un sistema di assi solidale con la barca, le velocità che devono essere prese in considerazione non sono quelle assolute, ma quelle apparenti.

C’è da dire che per quanto riguarda la corrente, normalmente la sua velocità è piccola rispetto alla velocità della barca ed inoltre è indipendente dall’andatura di riferimento; per questo si è soliti trascurare il suo effetto riferendosi ad una condizione ideale con corrente assoluta nulla.

V

Velocità della barca

Fig. 1.2 Vento e corrente apparenti

1.2 L’equilibrio nel piano orizzontale

Una barca si considera equilibrata sul piano orizzontale qualora, investita da un vento W e da una corrente , posta con velocità V , è tale che, la risultante delle forze agente su di essa, è nulla sul piano orizzontale.

uur

Cur ur

Questo equilibrio può essere ottenuto con l’effetto combinato delle vele investite dall’aria e della chiglia investita dall’acqua.

La forza aerodinamica generata dalle “ali emerse” (vele) deve essere equilibrata dalla forza fluidodinamica generata dalle “ali immerse” (chiglia).

V apparente C apparente

0

Per rendere il sistema equilibrato quindi, le vele e la chiglia devono essere poste ad opportune incidenze rispetto ai relativi flussi che le investono: vento apparente e corrente apparente.

Fig. 1.3 Equilibrio delle forze nel piano orizzontale

a

α ed α_w vengono detti rispettivamente incidenza del vento apparente ed angolo di scarroccio. Fissata la direzione rispetto al vento, verso la quale si vuole far avanzare la barca, i due angoli e la velocità dello scafo dipendono da numerose variabili, quali: l’intensità del vento, l’intensità e la direzione della corrente, tipologia ed angolo di scotta delle vele, nonché dalla posizione di eventuali superfici mobili immerse.

(

)

(

)

(

)

Costruendo un modello di calcolo che tenga conto anche dell’equilibrio della barca nel piano longitudinale e trasversale, capace di stimare le caratteristiche fluidodinamiche della parte immersa

a

α

α

V

0

0

F

F

=

=

∑

∑

F

F

C

d

x

_y

e delle vele, sarebbe possibile stimare opportunamente i tre parametri riferendosi ad una condizione di riferimento nota.

Le considerazioni riguardanti l’equilibrio nel piano orizzontale sono state effettuate per mettere in luce il fatto che, per equilibrare le forze agenti sulle vele, la parte immersa deve lavorare in incidenza rispetto alla corrente apparente con un angolo pari all’angolo di scarroccio.

Le figure precedenti si riferiscono all’andatura di bolina ma con semplici considerazioni di equilibrio si può dimostrare che su tutte le andature la direzione di scarroccio risulta essere sottovento all’asse longitudinale della barca.

1.3 L’equilibrio in rollio

Studiamo adesso l’equilibrio dei momenti lungo l’asse longitudinale.

In condizioni equilibrate sul piano orizzontale le forze agenti sulla vela e quelle sulla parte immersa generano una coppia in rollio (o sbandamento).

Fig. 1.4 Equilibrio dei momenti lungo l’asse longitudinale (1)

Questa coppia sbandante può essere equilibrata in vari modi a seconda della classe della barca; nelle classi di dimensioni ridotte, ad esempio, si ricorre a spostare l’equipaggio sopravento.

a

F

F

0

M

≠

∑

y

z

In barche di notevoli dimensioni quali quelle appartenenti all’ I.A.C.C. l’effetto dello spostamento dell’equipaggio non è sufficiente anzi risulta essere trascurabile.

La strategia che viene seguita è, allora, quella di abbassare il più possibile il baricentro della barca. In questo modo, sotto l’effetto della coppia sbandante, e quindi dall’angolo di sbandamento, viene generata una coppia raddrizzante che riequilibria il sistema per un determinato angolo di rollio.

Fig. 1.5 Equilibrio dei momenti lungo l’asse longitudinale (2)

Per abbassare il più possibile il baricentro della barca, nelle I.A.C.C. come in altre classi, si ricorre a concentrare una massa all’estremità della chiglia; tale massa, per non aumentare troppo la resistenza della barca, deve essere opportunamente sagomata.

L’unica funzione del bulbo è quindi quella di contenere più massa possibile in una forma tale da minimizzare la resistenza; si pensi che su circa 24 tonnellate di una I.A.C.C., 20 sono contenute nel bulbo, e solo 4 costituiscono tutto il resto della struttura.

a

F

F

W

R

z

0

M

=

∑

ϕ

'

z

y

Da queste semplici considerazioni si evince che l’unico vincolo per la progettazione del bulbo risulta essere sul volume, vale a dire che qualsiasi sia la forma in esame, questa deve essere tale da contenere la massa definita nella specifica di progetto.

1.4 Conclusioni

Dalle semplici considerazioni effettuate, segue che una generica condizione operativa, per quanto riguarda la parte immersa, può essere macroscopicamente individuata fissati: la velocità di avanzamento e gli angoli di rollio e di scarroccio

(

)

La definizione di un modello di calcolo teso alla determinazione dei tre parametri relativamente ad una configurazione di riferimento (angoli di scotta delle vele e direzione della velocità rispetto al vento) va al di là dello scopo di questo lavoro. Infatti quello che si vuole ricercare è una procedura che permetta una il più corretta valutazione della resistenza del bulbo in una configurazione di riferimento fissata a priori.

Lungi da noi quindi una valutazione quantitativa dei parametri in esame, può essere utile però mettere in luce, per quanto necessario, qualitativamente il legame che intercorre tra di essi.

Ad esempio per quanto riguarda gli angoli di scarroccio e di rollio, si può osservare che in qualsiasi andatura ci si trovi, quindi qualsiasi condizione di riferimento sia presa in esame, l’angolo di scarroccio è sempre positivo per rotazioni della prua sottovento, mentre l’angolo di rollio è sempre positivo per rotazioni dell’albero sotto vento.

La relazione appena descritta permette di effettuare la seguente similitudine “aerodinamica” del caso in esame (parte immersa) ipotizzando la simmetria rispetto al piano di galleggiamento, con velivolo con angolo diedro pari all’angolo di rollio, posto in incidenza pari all’angolo di scarroccio (Fig. 1.6).

Fig. 1.6 Similitudine del problema in esame con il problema di un velivolo in incidenza

Bibliografia

[1] Laura Strommer “Lezioni di vela” ed. Mursia 1997 [2] “Splash brochure 1995” South Bay simulation, inc.