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Le carene ibride, seconda parte: le varie zone regimi di velocità

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Le carene ibride: la carena semidislocante e semiplanante
Le carene ibride: la carena semidislocante e semiplanante

Dopo aver parlato nella prima parte dei parametri che caratterizzano da un punto di vista idrodinamico una imbarcazione, in questa parte parleremo dei vari regimi di velocità delle stesse.

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Figura 2: zone regimi di velocità
Figura 2: zone regimi di velocità

Nella Figura 2 secondo il numero di Froude o del quoziente di Taylor di una carena si possono identificare tre zone caratteristiche con un comportamento diverso.

1) Zona regime dislocante ove \(F{_n} \leq 0,4\) oppure \(T{_q} \leq 1,35\).

E’ il campo delle navi a carena tonda dislocanti. In questa zona l’imbarcazione ha un comportamento totalmente dislocante, avanza con formazione di onde divergenti e trasversali (Figura 3) e quindi la sua resistenza è principalmente costituita dai tipi di resistenza classici (onda o residua, attrito, etc.).

2) Zona regime alta velocità ove \(0,4 \leq F{_n} \leq 0,9\) oppure \(1,35 \leq T{_q} \leq 3,0\)

In questo campo, indipendentemente dalla forma di carena adottata, nasce ed aumenta all’aumentare del valore di \(F{_n}\) , una forza idrodinamica sul fondo dell’imbarcazione, la cui componente verticale tende a farla uscire fuori dall’acqua compensando in parte il suo peso. In questa zona le resistenze al moto tendono a passare gradualmente da quelle classiche, prima citate, proprie di un sostentamento idrostatico, a quelle proprie di un sostentamento idrodinamico. Si ha una riduzione della superficie bagnata, dovuta sia all’innalzamento della carena, sia all’angolo di assetto assunto con sollevamento della prora, da cui consegue una riduzione della resistenza di attrito.

Figura 3: schizzo di W. Froude del treno di onde caratteristiche di prova (Principles of Naval Architecture)
Figura 3: schizzo di W. Froude del treno di onde caratteristiche di prova (Principles of Naval Architecture)

Inoltre si verifica l’insorgere di un nuovo tipo di resistenza, definito resistenza “indotta”, dovuta al fatto che la carena, a causa del moto relativo tra l’acqua e le superfici che presentano un angolo rispetto al flusso, è soggetta a una piccola forza verticale (portanza).

Quindi la portanza è una forza generata dal campo di pressioni che si formano sulla superficie portante. Questa forza è la resistenza indotta. Inoltre nella zona di poppa della nave si ha un allargamento dello strato limite con turbolenza che crea resistenza (Figura 4).

Figura 4: Disegno schematico dello strato limite
Figura 4: Disegno schematico dello strato limite

Quindi la resistenza indotta è una resistenza di pressione e di turbolenza, che dipendono rispettivamente dal numero di Froude e dal numero di Reynolds. Perciò, anche la resistenza indotta, come la resistenza di attrito, dipende tra l’altro dall’angolo di assetto, ma varia con l’assetto in modo opposto alla resistenza di attrito. In questo caso sono di grande utilità i flaps o variatori di assetto che, quando ben usati, consentono di avere in modo continuo, alle varie andature, l’assetto di compromesso ideale fra le resistenze indotta e di attrito.

Figura 11: Grafico dell'andamento della Resistenza d'onda Rr in cui si evidenziano le posizioni dei cavi e delle creste
Figura 11: Grafico dell'andamento della Resistenza d'onda Rr in cui si evidenziano le posizioni dei cavi e delle creste

In questa zona operano le imbarcazioni cosiddette semidislocanti e semiplananti. Inoltre nelle carene semidislocanti, come in quelle dislocanti, è importante che a poppa vi sia una cresta d’onda e non un cavo (Figura 11).

Figura 1: scia e fondo bagnato di una carena planante (Niels E. Sorensen)
Figura 1: scia e fondo bagnato di una carena planante (Niels E. Sorensen)

3) Zona regime planante ove \(F{_n} \geq 0,9\) oppure \(T{_q} \geq 3,0\)

In questa zona le imbarcazioni planano, cioè escono completamente fuori dall’acqua (Figura 1).

Appare evidente come le condizioni di contorno esistenti nei diversi campi di velocità relative in cui l’imbarcazione è chiamata ad operare, siano determinanti per la scelta della più corretta forma di carena. I valori del numero di Froude \(F{_n}\) e del quoziente di Taylor \(T{_q}\) , usati nella Figura 2, sono indicativi; mediante accorgimenti particolari è possibile variare aumentando o diminuendo i suddetti valori. Due parametri molto importanti per tale scopo sono i rapporti \(L{_W}{_L} / B{_W}{_L}\)\(\nabla / {L{_W}{_L}}^3\) . Questi parametri caratterizzano rispettivamente la snellezza della carena e la distribuzione del volume sulla lunghezza.

Valori alti di \(L{_W}{_L} / B{_W}{_L}\) favoriscono andature a \(F{_n} \) relativamente bassi, mentre valori bassi di \(L{_W}{_L} / B{_W}{_L}\) tenderanno a favorire una rapida uscita dello scafo dall’acqua. Un basso valore di \(\nabla / {L{_W}{_L}}^3\) è sempre vantaggioso se inteso come una riduzione di dislocamento a parità di lunghezza, ma è anche vantaggioso, per \(F{_n}\) relativamente bassi, se inteso come un aumento di lunghezza a parità di dislocamento.

Quali sono i coefficienti idrodinamici caratteristici delle carena semidislocanti? Nella prossima parte dell’articolo parleremo dei suddetti coefficienti.

Angelo Sinisi

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