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Lo scafo con carena a geometria variabile - seconda parte

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Lo scafo con carena a geometria variable - seconda parte
Lo scafo con carena a geometria variable - seconda parte

Per uno scafo planante il calcolo della resistenza d’attrito \(R_F\) è uguale a quello che viene eseguito per le navi dislocanti. Contrariamente a quanto avviene per le navi a dislocamento, la resistenza d’attrito \(R_F\) alle velocità di planata, avendo valore più elevato rispetto alla resistenza residua \(R_R\) , diviene, quanto più alta è la velocità, il componente predominante della resistenza totale. Infatti, questo spiega il perché deve essere fatto il possibile per renderla più piccola e il perché si usano i pattini (Figura 4), e talvolta si ricorra allo scafo a gradino (Figura 5),  per mezzo dei quali si riduce la superficie bagnata, creando anche uno strato di turbolenza di aria e acqua che funge da lubrificante per il fondo.

Figura 6: scia e fondo bagnato di una carena planante
Figura 6: scia e fondo bagnato di una carena planante

Questo fenomeno di turbolenza di aria e acqua si nota con chiarezza nella Foto della Figura 6. Nella Figura 5 si evince come la superficie bagnata della carena B (con gradino) sia uguale a 37 ft2 minore di quella della carena  A, uguale a 164 ft2. Per cui il rapporto tra la resistenza totale \(R_T\) e il dislocamento (uguale nelle due carene) nella carena  B  è \(R_T/\Delta=0,12\), mentre nella carena  A  è  \(R_T/\Delta=0,20\). Cioè la riduzione della resistenza \(R_T\) nella carena B è del 40%.

Figura 5: confronto tra una carena con e senza gradino
Figura 5: confronto tra una carena con e senza gradino, mettendo in evidenza la differenza dell'aria di carena bagnata, della resistenza, dell'assetto in corsa e della distribuzione della spinta

Inoltre nella Figura 5 si nota la differenza della figura bagnata del fondo senza gradino e con gradino, evidenziando il diverso assetto longitudinale e la diversa distribuzione della spinta.. 

Quindi la resistenza d’attrito: \(R_F = C_F \cdot {1 \over 2} \cdot \rho \cdot S_C \cdot V^2\)

dove

RF = resistenza di attrito;

CF = coefficiente di attrito;

ρ = densità dell'acqua di mare;

SC = superficie bagnata;

V = velocità dello scafo;

oltre ad essere direttamente proporzionale ai valori \(C_F\), \(\rho\) e \(S_C\) lo è anche al quadrato della velocità dello scafo. Cioè la resistenza d’attrito \(R_F\) aumenta rapidamente all’aumentare della velocità. Invece, come abbiamo visto nella prima parte dell’articolo, la resistenza d’onda \(R_R\) è direttamente proporzionale al dislocamento, che è un valore fisso, ed alla tangente dell’angolo di assetto in corsa \(\theta\)

\(R_R = \Delta \cdot \tan \theta\)

dove

RR = resistenza residua;

Δ = dislocamento;

θ = angolo di assetto in corsa;

Poiché l’angolo \(\theta\) aumentando la velocità diventa sempre più piccolo, si ha che la resistenza \(R_R\) diminuisce con l’aumentare della velocità.

Pertanto, per ridurre la resistenza totale \(R_T\) di un’imbarcazione veloce, si deve ridurre la resistenza di attrito \(R_F\) e, come si evince dalla formula precedente e dalla Figura 5, l’unico valore che si può variare è la superficie bagnata \(S_C\) .

Infatti, un’imbarcazione molto veloce ha un fondo con una figura geometrica bagnata più stretta di una carena simile, progettata per la bassa velocità, e quindi, oltre ad avere meno volume e di conseguenza meno peso, ha una velocità di planata più alta, dovuta a un maggior carico per centimetro quadrato sul fondo. Perciò, un’imbarcazione veloce non è adatta a basse velocità di crociera.

Quindi, per ridurre la resistenza all’avanzamento di un’imbarcazione veloce , come abbiamo già detto, conviene sicuramente ridurre la resistenza di attrito, cioè la superficie bagnata. Un modo certamente più vantaggioso per ridurre tale superficie bagnata, oltre a quello di creare un gradino come nella Figura 5, è quello di  ridurre la larghezza dello spigolo, cioè la larghezza della figura geometrica bagnata dello scafo. Questo comporta anche un minor volume da poter utilizzare e di conseguenza si ha una riduzione del dislocamento dell’imbarcazione, tutto a vantaggio della velocità e meno della comodità. 

Figura 4: fondo di una carena con i pattini
Figura 4: fondo di una carena con i pattini

Tuttavia ci sono tre parametri fondamentali che limitano l’arbitraria riduzione della larghezza dello scafo allo spigolo \(B_C\) (Figura 4), e quindi anche della figura del galleggiamento:

- la stabilità statica;

- la stabilità dinamica;

- il porpoising o galoppo.

Infatti, i tre suddetti parametri sono fortemente condizionati dalla larghezza dello scafo allo spigolo \(B_C\) (Figura 4) e dalla posizione, sia verticale che longitudinale, del centro di gravità. Perciò la richiesta di realizzare una carena veloce ma larga aveva degli obiettivi in contrasto tra loro.

Nella terza parte parleremo di due carene sovrapposte. Saranno la soluzione del problema?

Angelo Sinisi

 

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