Le forme della carena tonda - ottava parte

Come abbiamo potuto notare nella precedente settima parte dell’articolo il bulbo è un elemento importante della carena. Ma anche per i bulbi, che riescono ad ottenere percentuali di guadagno sulla resistenza d’onda, esiste sempre una velocità critica che separa la zona di velocità in cui il bulbo è utile da quella in cui il bulbo è dannoso. Questa velocità critica, pur essendo in relazione con le dimensioni del bulbo, dipende fortemente anche da altri parametri, primo fra i quali la posizione longitudinale.

La posizione longitudinale del bulbo definisce la fase dell’interferenza mentre il volume determina l’ampiezza del suo sistema d’onda. I bulbi di diametro maggiore, a parità d’immersione, presentano le percentuali di guadagno più elevato alle alte velocità, ma hanno anche percentuali di perdita altrettanto elevate alle velocità basse. I bulbi di minori dimensioni presentano guadagni e perdite meno pronunciati. Inoltre si dimostra fondamentale lo studio della posizione longitudinale più opportuna.

L’influenza del bulbo sul coefficiente di resistenza d’attrito \(C_F\) é sempre negativa a causa dell’aumento di superficie bagnata. Di questo aumento è opportuno tenerne conto durante il progetto della carena con bulbo, utilizzando formule approssimate ricavate dallo studio di forme di bulbi già sperimentati. Se sono note le dimensioni principali del bulbo è possibile approssimare l’aumento di superficie con la seguente formula:

Il problema del bulbo è quello di pura interferenza tra il sistema d’onda proprio della nave con il sistema d’onda proprio del bulbo. Uno spostamento verticale, dal basso verso l’alto, del baricentro del bulbo aumenta l’effetto benefico d’interferenza sino a un valore massimo. Continuando detto spostamento l’effetto diminuisce sino a diventare negativo a causa dell’aumento di resistenza del corpo del bulbo ormai emergente. Le linee d’acqua che delimitano il bulbo verso prora devono avere un profilo idrodinamico ben avviato, per evitare la separazione dei filetti fluidi. Questo disavviamento può incidere con un aumento della resistenza fino al 10%.

Il bulbo è normalmente studiato per una determinata velocità di progetto. Far viaggiare una nave con bulbo a velocità diverse dalla velocità di progetto può provocare un aumento della resistenza d’onda. Il bulbo può essere anche utilizzato come artificio progettuale per avanzare la posizione del centro di carena o per consentire un migliore avviamento delle linee d’acqua a prua nelle carene tozze. Infatti, per navi caratterizzate da forme molto piene, quali le petroliere, alcune onde di prora molto pronunciate provocano il distacco della massa d’acqua che sta sulla cresta e creano quella che è chiamata resistenza delle onde frangenti. 

Il bulbo non influenza negativamente nessuno dei moti della nave, anzi influenza positivamente il moto di beccheggio in relazione alle sue elevate caratteristiche di smorzamento che, conseguentemente, riducono le accelerazioni a prua. Infatti, un bulbo ben progettato per le navi che frequentano zone di mare particolarmente agitate, quali ad esempio i pescherecci, è adatto a minimizzare i problemi derivanti dalle azioni di slamming.

Sebbene alcuni effetti sfavorevoli siano possibili, i bulbi in genere non influenzano la manovrabilità e la stabilità di rotta di una nave, anzi la zona di avviamento tra bulbo e carena è un posto ideale per la sistemazione di un’elica trasversale di manovra (Figura 32). La decisione favorevole o contraria all’adozione del bulbo dipende dall’analisi dei costi e dei benefici. Tuttavia una carena con una forma idrodinamica buona con modesta formazione ondosa non richiede la presenza del bulbo, mentre questa è necessaria alla presenza di una notevole formazione ondosa dovuta anche al cattivo avviamento delle forme.

Una linea importante per la realizzazione di un buon progetto è quella del “bordo libero”. Si definisce “Bordo Libero” di una nave la distanza verticale che intercorre tra una linea orizzontale, tracciata a metà lunghezza della nave, in corrispondenza dell’intersezione della murata con il fasciame del ponte integro e stagno più elevato, munito di chiusure stagne, chiamato “Ponte di Bordo Libero”, e la linea di galleggiamento corrispondente al massimo carico, chiamata “linea di massimo carico”.

Infatti, a una nave, che naviga a basse velocità d’avanzo, se avviene che la formazione ondosa superi la linea del bordo libero, si avrà quasi certamente un imbarco d’acqua, ma con una navigazione a velocità più alte una prora ben disegnata può spingere l’acqua lontano dalla nave. Il superamento del bordo libero non deve perciò comportare necessariamente un imbarco d’acqua, sebbene l’imbarco d’acqua debba sempre essere preceduto da un superamento del bordo libero. Un imbarco d’acqua è di solito il risultato di un superamento di bordo libero all’estrema prora, mentre il superamento del bordo libero in qualsiasi altro punto non implica necessariamente imbarco d’acqua, salvo che esso non sia accompagnato anche da un superamento di bordo libero all’estrema prora. Quindi, un bordo libero sufficientemente alto è la migliore garanzia per limitare l’imbarco d’acqua sul ponte.

Avendo presente quanto detto, realizzato il piano di costruzione, dobbiamo calcolare gli elementi geometrici delle carene diritte, come descritto nella sesta parte dell’articolo precedente “La ricerca e lo sviluppo delle forme della carena”, verificare tutti i volumi necessari per l’allestimento, definire la linea d’assi con la relativa posizione dell’apparato motore, stabilire le varie casse per i depositi liquidi e tutto l’allestimento.

A questo punto dobbiamo verificare  l’esponente di carico e la relativa posizione del baricentro e l’assetto longitudinale. Se quest’ultimo non è orizzontale, cioè l’immersione di prora non è uguale a quella di poppa e non è possibile modificare la pozione longitudinale \(X_G\) del baricentro della nave, dobbiamo modificare la posizione longitudinale del centro di carena  \(X_C\) . Come possiamo notare dalla  Figura 37, dobbiamo modificare la curva  originale delle aree delle sezioni trasversali nella nuova curva tratteggiata in modo da non modificare il volume di carena, ma spostare il centro di carena \(C\) affinché la nave abbia un assetto orizzontale. Altro elemento essenziale da verificare è la stabilità. Come noto, la stabilità iniziale trasversale dipende dal  valore dell’altezza metacentrica (\(r-a\))  (Figura 38).

Il raggio metacentrico trasversale \(r\) è legato al momento d’inerzia trasversale della figura di galleggiamento, poiché \(r=I_X / \nabla\), mentre  a  è la distanza fra il centro di carena \(C\) e il centro di gravità \(G\). Quindi, la stabilità di forma dipende strettamente da \(r\) in quanto legata alla forma dell’area di galleggiamento, la stabilità di peso  a  è legata non solo alla posizione verticale del centro di gravità, ma anche al coefficiente di finezza \(C_X\) che, quanto più piccolo sarà, tanto maggiore sarà l’ordinata \(Z_C\), poiché la forma delle sezioni trasversali della carena si avvicineranno sempre di più ad un triangolo  (Figura 39).

Rimane comunque la considerazione fondamentale che il progetto navale, a cominciare dalla scelta della carena e dalle primissime previsioni di potenza, non è soltanto uno studio rigorosamente matematico determinato e definitivo, ma  costituisce in realtà quanto di più libero e aperto possa desiderare una mente creativa.

Angelo Sinisi