Quando la carena soffre di appendice

Gennaio 2009 | Autore: Redazione Blumag
Design & Project

Due diversi tipi di appendice per barche profondamente diverse tra loro: la deriva di un catamarano da regata e i flap di uno yacht a motore, visibili nella zona poppiera.

La classica deriva a bulbo, caratterizzata da una leggera freccia positiva.

Una deriva sdoppiata, ad alta rigidità strutturale.

Le "winged keel" dell'olandese van Oossanen, con le sue alette orizzonatali.

Una deriva ad elevato allungamento, per grandi scafi da regata.

Tra le forme dei timoni, la più diffusa è quella a pala compensata, con o senza skeg.

Tre tipi di eliche a pale mobili, cioè orientabili o chiudibili, destinate alle barchea vela più veloci.

Il sail drive è la forma di trasmissione più moderna per la propulsione delle imbarcazioni a vela.

In uno scafo planante con motore fuoribordo, spesso l'unica appendice è costituita dalla coppia piede-elica.

Irrinunciabili in una trasmissione in linea d'asse, i braccetti sono causa delle peggiori turbolenze.

Le complesse appendici di uan carena dislocante e, sotto, due eliche di superficie, senza gli elementi della linea d'asse.

Un gruppo poppiero formato da un motore Diesel e una trasmissione entrofuoribordo.

di Marco Frosi

Qualsiasi scafo in navigazione, che si tratti di un agile natante oppure di una superpetroliera, è soggetto a fenomeni idrodinamici che si oppongono al suo avanzamento. C’è il moto ondoso provocato dalla carena stessa, che incide direttamente sul suo assetto, generando una “resistenza d’onda” proporzionale alla velocità. C’è il flusso che scorre lungo la cosiddetta superficie bagnata, che genera quella che chiamiamo “resistenza d’attrito”, anch’essa proporzionale alla velocità. C’è poi un terzo fattore, più subdolo in quanto dai contorni più complessi e sfumati, che va sotto il nome generico di “resistenza delle appendici”.
L’importanza di questo fattore è tale per cui, nelle prove di vasca navale, si specifica sempre se la carena sottoposta ai test è, o meno, dotata di timoni, derive, pinne antirollìo, astucci, assi, braccetti, eliche, trasduttori, eccetera.
Che la presenza di questi elementi sporgenti dalla carena assorba potenza motrice, sia essa fornita da un motore o dalla forza del vento, è alquanto intuitivo, tant’è che la prima soluzione a venire in mente è senz’altro quella di limitarne la quantità. Ma poiché molti di essi sono assolutamente irrinunciabili, si impone per ciascuno di essi la ricerca di una forma che ne limiti la resistenza “primaria”, nonché gli effetti indotti sugli altri elementi immersi che possono trarne danno: eliche e timoni, soprattutto.

Resistenza di attrito e di vortice

Per una migliore comprensione dei fenomeni ad essa connessi, conviene scomporre la resistenza delle appendici nelle sue due componenti fondamentali: la resistenza di attrito e la resistenza di vortice. La prima, direttamente dipendente dall’area sulla quale scorre l’acqua, è esattamente la stessa che riguarda la carena: perciò, la superficie complessiva delle appendici va ad aggiungersi a quella della carena propriamente detta, incrementando la già nominata superficie bagnata.

È quindi intuitivo che, per diminuire la resistenza di attrito delle appendici, è necessario diminuirne il più possibile la superficie. Ma come sempre, si tratta di trovare il migliore compromesso tra efficienza e solidità: un timone disegnato troppo piccolo, al fine di contenerne l’attrito nell’acqua, può facilmente diventare fragile o inefficace, così come un braccetto portaelica sottodimensionato può non reggere a lungo alle sollecitazioni imposte dagli elementi finali della trasmissione. Fin qui, il problema segue una sua linearità che sembra portare a soluzioni soddisfacenti sia per le imbarcazioni a motore sia per quelle a vela. Purtroppo però, da questo momento in poi, entra in gioco un nuovo fattore negativo che influenza il comportamento dello scafo in termini non soltanto di rallentamento ma anche di comportamenti anomali che, una volta rilevati, possono indurre a errori di diagnosi: la resistenza di vortice.

A questo punto, il progettista si trova di fronte a un bivio molto divaricato, nel quale le diverse direzioni dipendono dal tipo di propulsione applicata allo scafo: vela o motore.

Le appendici delle barche a vela

Partiamo da una circostanza fondamentale: tutte le barche a vela sono soggette allo scarroccio, cioè alla componente di moto trasversale dovuta all’azione del vento, in misura che possiamo considerare indirettamente proporzionale all’andatura. In altri termini, tale componente è molto elevata quando l’angolo polare del vento è ridotto (per esempio, in andatura di bolina) mentre decresce progressivamente all’aumentare di tale angolo, approssimandosi allo zero nell’andatura a fil di ruota, cioè con il vento in poppa.

Questo scarroccio (diversamente dalla deriva che è dovuta alla corrente e non ha alcun ruolo in questo nostro discorso) fa sì che il flusso di acqua lungo la carena e soprattutto lungo le sue appendici principali (deriva e timone) non scorra perfettamente in asse con lo scafo ma abbia un certo angolo di attacco che modifica il campo di pressioni agenti su tutta l’opera viva, innescando quel fenomeno vorticoso che sottrae energia all’avanzamento. Ma non solo.
Poiché i vortici provocano una scia turbolenta, tutte le appendici che inevitabilmente vi si trovano immerse ne subiscono le conseguenze, sotto forma di perdita della loro efficienza, vibrazioni, sollecitazioni. Tipico, nelle imbarcazioni moderne, è il caso dell’interazione tra pinna di deriva e timone.
Come si sa, queste due fondamentali appendici della barca a vela hanno, insieme, un ruolo determinante nella direzionalità e nella capacità evolutiva dello scafo. Tuttavia, il timone si trova a operare costantemente nella scia della deriva e perciò, proprio come accade in automobile, quando a velocità elevata ci si trova accodati a un grosso camion, non è raro percepire sulla barra, sulla ruota, o persino attraverso lo stesso scafo, strane vibrazioni che erroneamente possono essere attribuite a disfunzioni meccaniche. Ecco che entra in gioco prepotentemente lo studio delle forme e dei profili.

Ricordiamo che nelle imbarcazioni a stabilità di peso, la deriva ha un duplice scopo, rispettivamente statico e dinamico: quello di estendere il più possibile il braccio di resistenza allo sbandamento e quello di costituire il fulcro intorno al quale lo scafo ruota a seconda dell’azione del timone. La forma che meglio soddisfa entrambe le esigenze è quella ad alto allungamento, cioè quella lunga e stretta, che porta molto in basso la zavorra e, esattamente come si riscontra nelle ali degli alianti, provoca meno vortici marginali. A proposito di questi ultimi, che affliggono qualsiasi ala, notiamo un’altra analogia: così come alle estremità delle ali di molti aeroplani dell’ultima generazione osserviamo la presenza di alette verticali (le cosiddette winglets), anche alle estremità delle derive speciali inventate dall’olandese Piet van Oossanen per Australia II - vincitore dell’America’s Cup del 1983 - e oggi applicate su scafi a vela particolarmente tecnologici, notiamo alette del tutto simili, aventi appunto la funzione di contenere questi vortici, a tutto vantaggio della penetrazione idrodinamica e della minore influenza sul timone.

Per quanto riguarda la sezione, la stragrande maggioranza delle derive ha un profilo biconvesso simmetrico.
Molti dei principi fin qui presi in considerazione per la deriva valgono per il timone. Anche in questo caso, infatti, la forma allungata migliora l’efficienza generale, mentre l’ormai estesa abolizione del calcagnolo (chiamato anche «skeg»), cioè della struttura sulla quale il timone viene incernierato, elimina di fatto un’appendice, con tutto quel che ciò comporta in termini di superficie bagnata e di appesantimento. Dobbiamo peraltro ricordare che molti di questi progressi sono dovuti anche ai nuovi materiali, che garantiscono prestazioni meccaniche incomparabilmente superiori rispetto al tradizionale legno.

Chiamiamo ora in causa un elemento che con la vela ha davvero poco a che fare, tant'è che siamo soliti definirlo “ausiliario”: il motore. Ci riferiamo particolarmente a quella parte del sistema propulsore che, attraversando lo scafo e lavorando in acqua, costituisce un’appendice composita molto importante: l’astuccio, l’asse, il braccetto e l’elica. Quasi tutti gli aspetti positivi e negativi del suo funzionamento li considereremo nel paragrafo successivo, in quanto sono del tutto simili a quelli delle imbarcazioni a motore. Quello che invece ci interessa osservare adesso, è che questi organi della trasmissione, quando non sono in movimento - cioè quando la barca naviga effettivamente a vela - producono un effetto frenante e perturbativo da non sottovalutare.

La prima imputata è l’elica che, con la sua ampia superficie frontale, produce un forte attrito e genera parecchia turbolenza nell’'acqua destinata ad essere attraversata dal timone. È questo il motivo per il quale gli ingegneri hanno studiato raffinati meccanismi di chiusura o orientamento “in bandiera” delle pale e, ancor più radicalmente, hanno progettato trasmissioni ad hoc come i «sail drive». Questi ultimi sono dei veri e propri piedi, del tutto simili a quelli dei motori fuoribordo, che attraversano la carena tra la deriva e il timone: i loro principali vantaggi sono la ridotta superficie bagnata, l’ottima idrodinamicità e la migliore efficienza dell’elica, dovuta al fatto che questa genera un cono di spinta perfettamente orizzontale invece che inclinato, come si riscontra nella tradizionale linea d’asse.

Le appendici delle barche a motore

Una differenza non da poco, rispetto alle barche a vela, è che le barche a motore, per quanto siano comunque soggette a uno scarroccio che potremmo definire “accidentale”, vanno sostanziamente diritte. Cioè, hanno una componente di moto trasversale molto modesta, se non addirittura inapprezzabile, soprattutto se rapportata alla cospicua componente principale che è orientata lungo la linea di chiglia. Questo fatto, unito all’assenza della pinna di deriva, elimina alla base tutti i problemi connessi alle turbolenze generate dall’angolo di attacco con il quale la carena di una barca a vela procede nell’acqua. Ma lascia vivi più che mai tutti gli altri, che, proprio in funzione della maggiore velocità espressa dagli scafi a motore, risultano enormemente amplificati.

In particolare, notiamo che la stessa carena, con i suoi pattini longitudinali e gli eventuali step, induce una sensibile distorsione del flusso incidente destinato ad essere attraversato dalle eliche. In questo senso, ad essere più danneggiata da questa specifica distorsione è la propulsione monomotore, con l’elica posizionata perfettamente lungo l’asse longitudinale dello scafo, mentre quella bimotore, con le eliche simmetricamente decentrate, ne risente di meno.

Piuttosto, nella propulsione bimotore, risultano automaticamente moltiplicati gli effetti negativi dovuti alla presenza di due assi e, soprattutto, di due braccetti. L’influenza di questi elementi è tale da costituire una materia di studio e di ricerca tra le più raffinate, nell’ambito dell’ingegneria navale.
Si pensi, per esempio, che esistono particolari forme di braccetti che hanno lo scopo di generare una corrente di flusso controrotante rispetto all’elica, al fine di aumentarne il cosiddetto “carico idrodinamico palare”: in sostanza, il suo rendimento. D’altra parte, la scia generata da queste appendici rappresenta il potenziale innesco di quei fenomeni che spesso vengono imputati esclusivamente all’elica, come rumore, vibrazioni e cavitazione, che possono a loro volta generare danni e comunque incidere negativamente sul comfort di bordo.
Per quanto riguarda i timoni, che sono le ultime appendici di un propulsore in linea d’asse, la forma, la superficie e il profilo devono immancabilmente tener conto della gamma di velocità entro la quale sono destinati a lavorare, la quale, in una barca a motore, è incomparabilmente più estesa di quella di una barca a vela. Per grandi linee, infatti, il timone deve essere abbastanza grande da risultare efficace a velocità di manovra ma non troppo da risultare eccessivamente frenante ad alta velocità o, peggio, da rendersi fragile e rompersi alla prima accostata decisa.

Questo aspetto è da sottolineare, poiché, oltre a subire le influenze che abbiamo fin qui considerato, il timone è soggetto anche alle turbolenze generate direttamente dall’elica e, inoltre, quando assume angoli diversi dallo zero, sopporta le forti pressioni laterali che imprimono velocità evolutiva allo scafo.
Di comportamento analogo a quello dei timoni, le pinne stabilizzatrici installate sulle carene delle imbarcazioni dislocanti comportano pochi problemi idrodinamici, in quanto il loro posizionamento fortemente decentrato rispetto alla linea di chiglia le taglia fuori dai flussi che interessano il sistema propulsore. Piuttosto, per limitare il loro effetto frenante quando sono in funzione, è bene impostare sulla loro centralina di comando l'angolo di intervento minore possibile.

Una drastica riduzione delle appendici e dei fenomeni a loro connessi può essere ottenuta prevedendo l’installazione di un motore fuoribordo o con piede poppiero. In questo caso, essendo gli assi e i braccetti sostituiti da un piede di forma idrodinamica, l’elica si trova a operare in un flusso sostanzialmente pulito. Inoltre manca il classico timone, l’effetto del quale è ampiamente ottenuto dal brandeggio di tutto l’insieme e, più in particolare, dalla possibilità di orientare a piacimento il flusso dell’elica sul piano orizzontale. Un vantaggio del motore fuoribordo è quello di poter essere installato su un supporto che lo distanzi dallo specchio di poppa (il cosiddetto bracket) e che, pertanto, lo tenga lontano dalle turbolenze generate dalla carena.

L’espressione più estrema di questa ottimizzazione è rappresentata dalle trasmissioni di superficie che, come suggerito dalla parola stessa, operano quasi al di fuori dell’acqua (ad alta velocità) e perciò sono dotate di eliche studiate apposta per lavorare in immersione parziale. Altrettanto efficienti, sotto questo specifico profilo, sono le trasmissioni idrogetto che, tuttavia, rispetto a quelle di superficie comportano un peso superiore, dovuto, in buona parte, all’acqua di mare che deve circolare all’interno delle loro condutture.

Tutt’altra strada, quella intrapresa dalla Volvo Penta con il suo sistema di trasmissione Ips (Inboard Performance System) che lavora in completa immersione. Per quanto possa somigliare a un piede poppiero, infatti, questo gruppo passa attraverso lo scafo come il sail drive che abbiamo nominato a proposito delle barche a vela. La sua caratteristica più cospicua è costituita dall’elica trattiva che, essendo a proravia del piede, lavora in un flusso perfettamente pulito. Inoltre, essendo il suo asse perfettamente orizzontale, garantisce la spinta ottimale. L’effetto evolutivo è prodotto dalla rotazione del piede.

Un accenno, ora, a quelle appendici che dovrebbero essere transitorie ma che, in alcuni casi, diventano irrinunciabili. Parliamo dei flaps e degli intruder che, nelle imbarcazioni veloci, hanno il compito di facilitare l’ingresso in planata, ovvero di ridurre l’appoppamento che insorge alle velocità più basse. Ebbene, in certe imbarcazioni, il loro ruolo si estende al nascondere difetti più o meno gravi nella progettazione dell’opera viva. Una carena ben disegnata, infatti, non ha alcun bisogno di essere aiutata ad assumere il giusto assetto, quando la sua velocità è nettamente superiore a quella di planata. Se ciò accade, il difetto è davvero difficile da correggere in modo strutturale e, perciò, è necessario ricorrere all’uso costante di queste appendici: il risultato positivo, se c’è, è quello di un assetto regolare; quello negativo è rappresentato da un incremento della resistenza di attrito, che va a penalizzare velocità e consumi.

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