La carena a spigolo o planante - settima parte
Uno scafo planante per avere un buon comportamento a mare deve essere esente da beccheggio o dal martellamento della prora, altrimenti esso non è più uno scafo marino. Tuttavia l’aumento dell’angolo di rialzo β provoca un aumento della resistenza ed una diminuzione della portanza (Figura 20). Uno scafo planante che voglia avere buone caratteristiche generali, specie in mare mosso, deve possedere spigoli alti in particolare verso la prora.
Questo naturalmente significa che le sezioni prodiere possono e devono essere fatte più fini con ampi angoli di rialzo β. Quindi l’andamento delle pressioni sul fondo della carena varia secondo il rapporto di figura, il grado di curvatura del fondo delle sezioni trasversali e principalmente secondo l’angolo di rialzo β del fondo. Non meno importante è l’andamento delle linee longitudinali del fondo che sono condizionate dall’andamento longitudinale dello spigolo e da quello della chiglia. Perciò a poppavia si possono verificare fenomeni di depressione o portanza negativa oppure pressione o portanza positiva. Per meglio illustrare il fenomeno nella Figura 22 viene riportato lo schema della zona poppiera di uno scafo planante in corsa, con vista da poppa e di fianco.
Le linee di flusso seguono i contorni delle longitudinali e generano dopo la poppa una notevole formazione ondosa dovuta al fatto che le forme dello scafo non impartiscono alle particelle d’acqua una velocità angolare uniforme. Si noti inoltre che la scia è più bassa ai lati che non al centro. Nella sezione trasversale della Figura 22 si possono notare la zona esterna nella quale si ha una pressione positiva \(\Delta_{p2}\) e la zona interna nella quale si ha una pressione negativa \(\Delta_{p1}\). Uno scafo con forte inclinazione longitudinale positiva dello spigolo e una molto negativa della chiglia sarà più condizionato rispetto alla posizione del centro di gravità relativamente all’assetto in corsa dello scafo. Questo fenomeno avviene perché a poppavia del fondo dello scafo si creano delle forti forze verticali positive e negative, che si accentuano alle varie velocità sempre più alte dello scafo e, conseguentemente, con un forte consumo di energia cioè di potenza.
Il cambiamento d’assetto longitudinale in corsa assume la veste di uno dei parametri più importanti del progetto, e la necessità di prevedere esattamente il peso dell’imbarcazione e la posizione del suo baricentro costituiscono una delle fasi più essenziali del progetto. E’ facilmente intuibile che a una certa velocità di planata si abbia un angolo di assetto longitudinale ottimale. A mano a mano che l’angolo di assetto longitudinale diminuisce si ha un aumento sempre maggiore della superficie bagnata per cui, di conseguenza, aumenterà la resistenza, così come a mano a mano che l’angolo aumenta, oltre quello ottimale, si avrà fino ad un certo punto minore superficie bagnata ma un aumento della resistenza residua tale da far aumentare in modo considerevole la resistenza totale (Figura 23).
Il progetto della carena di uno scafo planante costituisce dunque non solo un problema notevolmente diverso da quello di una nave a dislocamento, ma anche un problema più intricato e complesso data l’interdipendenza e l’interazione dei più importanti fattori che lo governano. In nessun’altra branca del progetto navale esiste una così profonda, mutua dipendenza dei vari fattori.
Un aumento del 10% nel peso di un’unità a dislocamento significa che questa ultima s’immerge un poco di più, naviga a una velocità più ridotta ma conserva circa le stesse forme di carena e il suo comportamento rimane essenzialmente lo stesso. Il medesimo aumento di peso e la sua posizione in uno scafo planante possono impedire a questo ultimo di planare e/o modificare le sue caratteristiche di stabilità dinamica e quindi di tenuta al mare. Perciò si potrebbe verificare il paradosso di avere a che fare con problemi sempre più grandi man mano che si progettano scafi più piccoli.
A bassa velocità, o per meglio dire, prima che si raggiunga la velocità di planata, lo scafo è soggetto generalmente a forti resistenze d’onda, di vortici e a noiosi spruzzi d’acqua. Prima di raggiungere la velocità di planata la prora rimane sospesa nell’aria, la resistenza aumenta sensibilmente e, se non si ha una riserva di potenza, la barca si trova di fronte ad una barriera per la sua velocità che non potrà superare. Se, viceversa, c’è ancora potenza disponibile, lo scafo potrà superare la “gobba” della curva di resistenza (Figura 5), la sua velocità aumenterà sensibilmente e la cresta dell’onda di prora si sposterà verso poppa.
Con un’espressione indovinata molti dicono che, a questo punto, l’imbarcazione sale sulla sua onda di prora, l’angolo di assetto longitudinale diminuisce e la velocità aumenta. Questo fenomeno si può anche desumere dalla posizione verticale del centro di gravità e delle immersioni di poppa e di prora, rappresentate nella Figura 6.
La Figura 6 rende comprensibile in modo evidente quanto detto mettendo in evidenza la posizione verticale del centro di gravità, dell’immersione di prora e dell’immersione di poppa alle varie velocità, in funzione del numero di Froude \(F_n= (V/ \sqrt{g \cdot L_{WL}})\). Infatti, per \(0 < F_n < 0,5\) , date le forme di una carena planante, si formano degli effetti di depressione che affossano nell’acqua l’imbarcazione. Dopo \(F_n = 0,5\) l’imbarcazione si appoppa per effetto della spinta dinamica raggiungendo la massima immersione della poppa. Aumentando la velocità e raggiunto il punto \(F_n ≂ 1,3\) si ha il massimo angolo di assetto in corsa ed è il punto in cui, avendo riserva di potenza, si supera la gobba di resistenza e l’imbarcazione, aumentando la velocità, riduce sempre di più l’angolo di assetto in corsa fino a raggiungere un equilibrio dinamico per \(F_n ≂ 2,1\). Così lo scafo aumenta sensibilmente la velocità senza richiedere un ulteriore aumento di potenza; si dice che è stata raggiunta la velocità di planata che, certamente, non è la massima velocità raggiungibile. Un’imbarcazione è in planata quando l’acqua è a contatto con il fondo solamente all’interno degli spigoli ed ha i fianchi asciutti.
Per essere dotato di buone qualità nautiche uno scafo planante deve cominciare a planare ad una velocità molto minore di quella di crociera in modo tale che esso possa conservare per mare le sue qualità di planata. Se uno scafo per una causa qualsiasi scende sotto la velocità di planata, esso deve poterla riguadagnare con un modesto aumento di potenza e quindi di velocità. Questo fattore è uno dei più importanti. Mentre, quanto maggiore è la distanza fra la massima velocità e la velocità di planata, tanto migliore sarà il comportamento dell’imbarcazione, perché l’aumento di resistenza dovuto all’aumento della sporcizia di carena, al mare mosso, ad un eventuale supplemento di carico, al vento contrario, non sarà tale da impedire la planata. Quindi, quando si acquista un’imbarcazione è importante conoscere la velocità massima e la velocità di planata alla condizione di pieno carico massimo.
La distribuzione dei pesi a bordo di una imbarcazione quanto incidono sulle masse d’inerzia e di conseguenza sul comportamento in mare dello scafo? Argomento che sarà sviluppato nella prossima ultima parte dell’articolo.
