Il progetto idrodinamico del timone: l'area del timone e la superficie di deriva

Negli articoli precedenti ho parlato della manovrabilità. In essi evidenziavo che le qualità manovriere di una nave dipendono, oltre che dalle varie caratteristiche della stessa, in modo particolare dal tipo e dalle dimensioni del timone, protagonista delle qualità evolutive e manovriere della nave. Partendo da un dato, sempre fornito dal committente (costo, manovrabilità, raggio di evoluzione, ecc.), il progettista deve ricavare i dati inerenti al timone che lo soddisfano e inoltre, una volta prefissati detti valori, deve procedere per definire quelle grandezze che influiscono, da un lato sul calcolo strutturale del timone, dall’altro sulla potenza dell’impianto che lo dovrà governare. I due quesiti del progetto del timone coinvolgono un campo dell’idrodinamica navale assai vasto, che potrebbe essere sintetizzato brevemente con l’espressione “Il progetto idrodinamico del timone”. I fattori che entrano in gioco nel problema del timone saranno sviluppati in questo articolo che realizzerò in cinque parti.

I problemi concernenti il progetto del timone sono stati affrontati parallelamente da specialisti in aerodinamica e da esperti in idrodinamica. Pertanto il progettista navale può disporre di queste ricerche da impiegare per lo sviluppo di un buon progetto. Il raggiungimento della stabilità alla rotta rettilinea con timone ad angolo di barra idrodinamico nullo \((δ_R = 0)\) può richiedere un piano di deriva troppo sviluppato a poppa con detrimento dell’abilità evolutiva, o timoni di dimensioni eccessive, pesanti e costosi, non necessari per il normale esercizio della nave. Una nave deve essere stabile in rotta e nello stesso tempo manovriera, due proprietà antitetiche e vagamente definite.

D’altra parte una instabilità troppo accentuata origina un percorso serpeggiante e richiede una continua manovra dell’organo di governo, che incide in qualche misura sulla velocità di avanzamento.

Dalla ricerca sperimentale di Hisamitsu Shiba per navi monoelica si evince che l’instabilità alla rotta aumenta con l’aumentare del coefficiente di finezza \(C_B\) della nave (Figure 1 e 2), mentre non si riduce in modo sostanziale con l’aumentare dell’area del timone (Figure 3 e 4). Infatti, dalle Figure 3 e 4 si evince che aumentando l’area del timone del 70% circa si ha una riduzione del diametro di evoluzione del 15% circa. Viceversa con l’aumentare del coefficiente di finezza \(C_B\) migliora sensibilmente l’abilità evolutiva (Figure 1 e 2).

Ciò costituisce un’ulteriore conferma che la stabilità di rotta e l’abilità evolutiva sono due termini per così dire divergenti. Uno dei dati principali e utili per il progetto del timone è il raggio di evoluzione, che condiziona l’area del timone in funzione delle caratteristiche dello scafo della nave. Per area del timone in genere s’indica l’area della parte mobile (Figura 5). In termini adimensionali l‘area è espressa in percentuale della superficie del piano di deriva, valutato come prodotto della lunghezza al galleggiamento \(L_{WL}\) per l’immersione della nave \(T\) in condizione di pieno carico.

I criteri di calcolo seguiti variano secondo le peculiari caratteristiche d’impiego della nave e delle condizioni imposte dall’armatore e vanno da circa 1/20 a circa 1/70 cioè

\({A_R \over L_{WL} \cdot T} = {1 \over 2} \div {1 \over 70}\)

dove

\(A_R\) = Area del timone proiettata

\(L_{WL}\) = Lunghezza al galleggiamento della nave

\(T\) = Immersione della nave

Esiste un valore massimo dell’area del timone oltre il quale nessun maggior guadagno si ottiene nella manovrabilità, ma solo un aumento di resistenza al moto. L’appoppamento migliora la stabilità di rotta e peggiora l’abilità evolutiva. Indicativamente l’aumento d’immersione a poppa dell’uno per cento comporta un aumento del diametro di girazione del 10%. Una volta definita l’area del timone da usare, occorre dare a quest’area una forma, delle proporzioni, delle dimensioni e una posizione per ottenere il migliore compromesso idrodinamico accettabile. Per area del timone deve intendersi la proiezione dello stesso sul proprio piano di simmetria. Anche se è veramente difficile mettere in relazione le forze e i momenti generati dal timone con le caratteristiche di manovrabilità di una nave, la conoscenza di queste grandezze è essenziale per il progettista, in quanto da esse dipendono lo spessore del timone, il diametro dell’asse e la dimensione dell’impianto necessario alla movimentazione dello stesso, cioè l’agghiaccio.

Nella seconda parte parlerò della posizione e dei vari tipi di timone.

Angelo Sinisi