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La ricerca e lo sviluppo delle forme della carena - parte 1

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La ricerca e lo sviluppo delle forme della carena

L’esecuzione di un progetto navale richiede sempre un’attenta valutazione globale dei requisiti prefissati e delle soluzioni via via intraprese. L’attuale sviluppo tecnologico impone di dedicare grande attenzione ai volumi impegnati per sistemare i locali alloggi e ai volumi utili per far funzionare i diversi componenti necessari al sistema nave. Anche la conoscenza di questi è necessaria per determinare la carena di una nave.

La carena, com’è noto, è la parte immersa dello scafo, detta, con essenziale ed efficace definizione marinara, anche opera viva (Figura 1), poiché con le sue forme influenza direttamente la resistenza e il comportamento dell’imbarcazione durante il suo moto e rappresenta la parte vitale di ogni nave.

Nella scelta di una carena dislocante o planante per un grande motoryacht, come ben sa ogni progettista o armatore con un po’ d’esperienza, le discriminazioni maggiori sono dettate da parametri fondamentali quali le dimensioni dello scafo, il volume, il peso e velocità massima alla quale si desidera navigare. Questi, indubbiamente, sono input che il progettista riceve direttamente dall’armatore e sono le fondamenta, che non prescindono per motivi di sicurezza dalle condizioni di stabilità, sulle quali sviluppare dapprima l’opera viva e poi i layout interni ed esterni della barca,

Quando preferire l’una o l’altra carena? Per un’analisi sulla scelta di una determinata forma di carena proviamo a illustrare pochi semplici concetti che riguardano la resistenza al moto che un’imbarcazione incontra in acqua.

La resistenza al moto di un’imbarcazione o nave, qualsiasi ne sia la velocità, la grandezza e il tipo, dipende soprattutto da due principali fenomeni:

1)  l’attrito dell’acqua contro la superficie della carena (resistenza d’attrito);

2) la generazione, al passaggio dell’imbarcazione sull’acqua, di onde di superficie (resistenza d’onda) (Figure 2 e 3).

A questi due principali fattori se ne devono aggiungere altri, meno condizionanti, ma comunque importanti che di seguito enunciamo:

3)  resistenza di forma,

4)  resistenza dell’aria,

5)  resistenza delle appendici,

6)  resistenza della carena sporca,

7)  resistenza per mare mosso.

Analizziamo, dunque, le prime due più importanti resistenze citate:

1)     La resistenza di attrito è sintetizzata da questa formula:

Dove                                              

 

CF = coefficiente di resistenza di attrito

 

 

ρ   = densità dell’acqua di mare

 

 

S = superficie bagnata della carena

 

   

V   = velocità della nave

si calcola seguendo il metodo indicato da Froude, che consiste nell’assimilare la carena della nave a quella di una lastra piana avente:

-  per lunghezza, la lunghezza al galleggiamento della carena,
-  per superficie, la superficie di carena.

In realtà viste le difficoltà teoriche e pratiche di definire un metodo per calcolare la resistenza di attrito di una lastra piana, e vista l’utilizzazione di tale metodo nel campo dell’Architettura Navale, sono state assunte, per accordo tra i direttori delle Vasche, delle formule che non vogliono rappresentare la resistenza di attrito della nave, ma si devono intendere come soluzione per problemi d’ingegneria pratica.

Le formule più usate per calcolare il coefficiente di resistenza, riportate in grafico nella Figura 4 in funzione del numero di Reynolds Rn , sono:

-  ITTC  (INTERNATIONAL TOWING TANK CONFERENCE 1957)

questa formula è usata presso la vasca di Roma.

-  ATTC  (AMERICAN TOWING TANK CONFERENCE 1947)

questa formula è usata presso le Vasche americane.     

- Formula di HUGHES

- Formula di GRANVILLE

 Come si può constatare dalle formule precedenti il coefficiente CF è funzione del numero di Reynolds  

Dove                                              

 

V = velocità della nave

 

 

LWL = lunghezza al galleggiamento della nave

 

   

v = coefficiente di viscosità cinematica     


Il numero di Reynolds, definito come il rapporto tra le forze d’inerzia e le forze viscose, è un parametro adimensionale che esprime la condizione di “similitudine dinamica” in flussi interessati solamente alla viscosità.

2)  La resistenza d’onda e la resistenza di forma sono comunemente chiamate globalmente resistenza residua o d’onda. Una nave che si muove nell’acqua crea una formazione

ondosa che la accompagna (Figura 5). Se la velocità con cui la nave avanza è costante, la formazione ondosa si conserva inalterata. La presenza di questa formazione genera una resistenza nel moto della nave che si chiama resistenza d’onda. In fase di progetto, una volta trovati i coefficienti idrodinamici validi per il progetto esecutivo, si utilizzano le carene sistematiche, come quelle del Taylor, per valutare la resistenza d’onda. Nella fase del progetto esecutivo è opportuno provare il modello della carena scelta in una Vasca Sperimentale.

Quando la resistenza d’attrito supera la resistenza d’onda? O al contrario quando la resistenza d’onda predomina sulla resistenza d’attrito?

Nella seconda parte verrà esplicitata la resistenza d’onda e i vari criteri di progettazione.

Angelo Sinisi