Vibrazioni e r m a bordo

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1 Vibrazioni e rma bordo Nulle è peggio del rumore e delle vibrazioni della barca per rovinare la pace e la quiete di una giornata in mare. Ci si deve..urlare addosso anche solo per una normale conversazione, le mani si intorpidiscono per le vibrazioni trasmesse dal timone, è difficile trovare un posto dove sedersi e rilassarsi. I costruttori ed i cantieri investono tempo e denaro cercando di smorzare o attutire i rumori, silenziare il motore, insonorizzare le cabine, talvolta con risultati modesti. Prima di tutto, cos è una vibrazione? La vibrazione è un'ampiezza di oscillazione, relativamente piccola, intorno ad un punto d'appoggio, dove il suo valore è zero. Le vibrazioni di uno scafo, oltre a creare disagio per quelle parti ed oggetti della nave che si muovono con un'alta frequenza, sono causa di rumore altrettanto fastidioso per il comfort a bordo. Le vibrazioni a bordo di una nave possono essere quelle proprie dello scafo quelle prodotte dalle eliche, dai motori, dai gruppi elettronici e da tutti gli impianti che hanno motori con masse rotanti o alternative. Le principali per entità sono quelle dello scafo, eliche e motori propulsivi. In questo articolo saranno trattate le vibrazioni indotte dalle eliche ed i loro assi, insieme al gruppo motoreinvertitore. I rumori e le vibrazioni che possono presentarsi durante la navigazione a varie velocità possono infatti avere molteplici cause, in ordine di importanza: Linea d asse (asse elica): se l albero di trasmissione non è perfettamente allineato al motore oppure se nonostante un corretto allineamento il motore risultasse particolarmente incline alle vibrazioni, queste vibrazioni o quelle insorgenti dal de-allineamento raggiungono le strutture dello scafo attraverso i supporti dell albero di trasmissione.

2 Una possibile soluzione di ripiego, in questi casi, può essere dall installazione di un elemento di accoppiamento tra il gruppo motore-invertitore e asse elica, che realizzi lo stesso effetto antivibrante generato dai supporti motore smorzanti. L allineamento dell asse elica (in realtà si tratta della posizione del gruppo motore-invertitore rispetto all asse dell elica) è uno degli aspetti costruttivi e di manutenzione che sono allo stesso tempo affrontati con grande impegno e scarsa conoscenza delle conseguenze di un lavoro non eseguito a regola d arte: Elica Rapida usura dei cuscinetti della trasmissione-invertitore I sintomi possono essere il rumore dell invertitore, sia in folle che in marcia perdite di olio dalla flangia di uscita dell invertitore Cedimento dell invertitore, causato dalle tensioni e dai carichi crescenti indotti sulla carcassa e sui cuscinetti Asse elica deformato (storto) dopo un lungo periodo di funzionamento con allineamento errato (può danneggiare progressivamente il sistema di trasmissione, i supporti del motore e lo stesso scafo). Perdita del precarico della baderna, con conseguente infiltrazione di acqua Rotazione eccentrica dell asse elica che provoca l usura e/o il cedimento dei supporti dell asse elica Usura e/o allentamento dei bulloni delle staffe di supporto di motore e invertitore, che peggiorano l allineamento già compromesso e aumentano rumore e vibrazioni di tutto il sistema. Vibrazioni indotte dalla forma dell elica Possono essere causate da passo dell elica, inclinazione delle pale e forma della sezione delle pale. Se le vibrazioni sono prodotte dall'elica, per evitare il prodursi delle vibrazioni o almeno ridurre queste entro limiti tollerabili, spesso si è dimostrato efficace influire sulla loro frequenza ed ampiezza variando il numero delle pale e talora anche modificandone il disegno (frazione totale di passo, distribuzione della superficie, variazione del passo lungo la pala, inclinazione e forma della generatrice, forma del contorno della pala, scelta dei profili della pala, ecc.). Erosione, corrosione dell elica Materiali abrasivi, oggetti sommersi (cime in tessuto) possono erodere le pale, riducendo il diametro dell elica e la sua efficienza. L elica può vibrare. Cavitazione E una causa fondamentale delle vibrazioni, del rumore e dei danni maggiori all elica. La cavitazione può essere indotta dall elica stessa (caratteristiche costruttive proprie) o dall imbarcazione (posizione dell elica rispetto allo scafo, appendici della chiglia che alterano il flusso d acqua che investe l elica, ecc.) La presenza della carena induce una sensibile distorsione del flusso incidente che nelle carene bielica è particolarmente accentuata a ridosso dei braccetti portaelica e della linea d'assi Risonanza Alcune eliche possono andare in risonanza a certe velocità di rotazione tra la minima e la massima velocità di funzionamento. Sovraccarico del motore La fumosità eccessiva del motore in navigazione (associata a rumore e vibrazioni) è un sintomo del sovraccarico al motore causato da una scelta imperfetta dell elica (passo, diametro, numero di pale, peso). Sincronia delle eliche (imbarcazioni bi-motore) Talvolta i motori (a parità di giri) non riescono ad erogare la potenza perché le due eliche (in genere controrotanti) non hanno le stesse caratteristiche costruttive (passo, diametro): vibrazione, rumore e fumosità degli scarichi sono i sintomi più frequenti.

3 Motore: per quanto evoluti possano essere i motori moderni (sistema di alimentazione, controllo e gestione elettronica con microprocessori, materiali speciali e leghe metalliche per contenere il peso, ecc.), non è possibile eliminare completamente una serie di vibrazioni fisiologiche (le vibrazioni torsionali) tipiche dei motori a combustione. Un motore a due o tre cilindri è afflitto da vibrazioni (sopratutto torsionali) quasi impossibili da eliminare o smorzare completamente, se non utilizzando giunti elastici e supporti elastici relativamente costosi. Ma spesso si usano materiali così soffici che il sistema motore-invertitore si muove talmente da compromettere l allineamento con l asse elica. Un motore a quattro o più cilindri è sicuramente preferibile, proprio per le caratteristiche costruttive che offrono un funzionamento più regolare e rotondo. Per attenuare quanto più possibile la trasmissione delle vibrazioni dal motore allo scafo, si adottano speciali isolatori (in gomma) su cui poggiare il propulsore, in modo che essi riescano a smorzare il moto vibratorio prima che questo raggiunga il telaio e si propaghi alle altre parti strutturali e non dello scafo. Oggigiorno sono stati sviluppati alcuni elementi di smorzamento molto efficienti, che si basano sulle proprietà anisotrope di alcuni materiali, simili a gelatine molto dense. Invertitore Nella maggior parte delle applicazioni, gli invertitori sono sovradimensionati (per le ovvie esigenze di sicurezza e affidabilità). Oscillazioni e movimenti del gruppo motore-invertitore non dovrebbero essere visibili: se il gruppo si muove o vibra, si è di fronte ad un problema di supporti e prima o poi si verificheranno dei danni. Se la parte superiore del gruppo oscilla avanti e indietro o di lato, le sollecitazioni si concentrano nel collegamento tra la flangia di uscita dell invertitore e l asse elica! Vibrazioni, rumore o, peggio, cedimento della trasmissione possono dipendere da tre cause: Supporti motore e invertitore allentati, usurati o insufficienti permettono al gruppo motoreinvertitore di muoversi, perdendo così l allineamento rispetto all asse elica. Ne consegue un sovraccarico dei cuscinetti dell invertitore Scarsa manutenzione dei supporti dell asse elica (in particolare quelli in sala macchine, malamente lubrificati): quando l usura è eccessiva, l asse/albero dell elica si muove liberamente, danneggiando l invertitore.

4 Elica sovradimensionata (diametro, passo o entrambi). Consultare le tabelle/diagrammi di carico del produttore di eliche e verificare se la coppia trasmessa è compatibile con la coppia che la trasmissioneinvertitore può sopportare. Scarsa manutenzione La manutenzione stagionale (invernale) è un appuntamento che si deve rispettare: l integrità della trasmissione (e la sicurezza in mare) dipendono da una serie di controlli e di interventi: o Motore: sostituzione olio, filtri, verifica e pulizia dell impianto di raffreddamento e dello scambiatore di calore (sostituire gli anodi di zinco!), verifica e serraggio dei supporti motore o Invertitore: sostituzione olio, filtri, verifica e pulizia dell impianto di raffreddamento e dello scambiatore di calore (sostituire gli anodi di zinco!), controllo e regolazione dei comandi di marcia, verifica e serraggio dei supporti o Asse elica: verifica e lubrificazione dei cuscinetti reggispinta, verifica cuscinetti e boccole in gomma, verifica e serraggio baderna o Gruppo motore-invertitore-asse elica: verifica dell allineamento o Elica: verifica, pulizia, controllo del serraggio del dado di bloccaggio La domanda più comune è come mai, diversamente dalle applicazioni industriali e del settore automotive, i sistemi di trasmissione delle imbarcazioni non restano allineati indefinitamente e debbano essere periodicamente controllati e allineati. E opinione diffusa che barche e yacht siano strutture rigide: non è così. Il fatto è che le barche si deformano e flettono in tutte le direzioni, anche se, a occhio nudo, tali movimenti sono assolutamente impercettibili. Ciò è particolarmente evidente nelle imbarcazioni di vetroresina o materiali come PVC: si tratta di resine termosensibili, quindi influenzate anche da fattori ambientali come la temperatura. Questo avviene sia nelle fasi di alaggio, varo e rimessaggio su invaso o anche solo in funzione dell età dell imbarcazione e per effetto della gravità (che ha una forte influenza sul peso della barca e del suo equipaggiamento). Ridurre rumore e vibrazioni Come abbiamo visto, gran parte del rumore e delle vibrazioni in barca hanno origine dal motore, dall elica e dall asse elica. Un allineamento imperfetto, per varie ragioni, è la causa più frequente di tali sintomi. Una regola generale, per l allineamento dell asse elica, è che più grande è l imbarcazione, maggiori saranno diametro e lunghezza dell asse elica e più difficile ed impegnativo sarà procedere con una corretta installazione: ogni errore viene amplificato dalla lunghezza dell asse (un asse centrato sul cuscinetto di supporto può essere disallineato di parecchi centimetri già con un errore di uno o due gradi, quando si presenta alla flangia di uscita del gruppo motore-invertitore). Questo è uno dei fattori da considerare di fronte a rotture o cedimenti del sistema. Una conferma dell influenza di diametro e lunghezza dell asse elica è la modesta incidenza di danni e problemi in imbarcazioni di dimensioni contenute (inferiori a 10 metri), dove assi elica di 2-3 metri di lunghezza e supporti motore non particolarmente costosi danno meno problemi di assi elica da 4-5 metri installati in imbarcazioni da 12 o più metri di lunghezza. A questo punto è evidente che il diametro e la massa di asse elica ed elica, insieme alla coppia trasmessa, giocano un ruolo crescente al crescere della loro entità: tutti gli assi elica, ruotando, tendono ad autoallinearsi, ma gli assi elica di dimensioni minori, grazie alla maggiore elasticità, si adattano meglio. Gli assi di grosse dimensioni, più rigidi, flettono con maggiore difficoltà e trasmettono l energia (vibrazioni torsionali del motore o dell elica) ad altri elementi del sistema: supporti asse, cuscinetti reggispinta, invertitore e supporti motore.

5 Nella maggior parte delle installazioni, si cerca di utilizzare supporti del motore quanto più possibile rigidi per sostenere le sollecitazioni del motore (peso) e dell asse elica e permettere un allineamento rapido ed estremamente accurato: purtroppo i supporti rigidi assorbono solo in parte il rumore e le vibrazioni: lo scafo vibra è opinione diffusa che motore-invertitore e asse elica debbano essere allineati con la precisione di centesimi di millimetro ma non è proprio così. In effetti si riesce ad accoppiare i vari elementi del gruppo propulsivo con una elevatissima precisione (i moderni strumenti ed attrezzi di misura permettono di ottenere risultati eccellenti). Ma si tratta di una precisione che si ottiene limitatatamente all accoppiamento delle flangie, non certo ottenibile per tutto il sistema motore-invertitore-asse elica. Di fatto questo insieme di componenti è libero di muoversi, adattarsi e allinearsi alle varie sollecitazioni e deformazioni. Perché? Il motore è montato su supporti elastici L asse elica è tenuto in guida da boccole di gomma Quindi né il motore-invertitore né l asse elica sono tenuti rigidamente al loro posto e tutta la precisione e cura investita nell accoppiare flangie e mancioni entro pochi millesimi di millimetro a motore spento e con barca sull invaso servono a poco: è virtualmente impossibile allineare correttamente e definitivamente l asse elica i supporti del motore (in funzione) si adattano in funzione della coppia erogata e della spinta dell elica: il motore cambia di posizione continuamente l asse elica tende ad autoallinearsi in funzione della velocità a cui ruota, delle reazioni dello scafo e della spinta dell elica Come controllare se il vostro sistema di trasmissione è sufficientemente allineato La prima cosa (e la più facile) da fare è controllare l efficienza dei supporti (elastici) del motore: in genere sono simili a quelli delle figure: Si tratta di una base, fissata alla chiglia, con un bullone verticale annegato nella gomma. Se il supporto è stato installato correttamente, il bullone dovrebbe essere perfettamente verticale. Eventuali inclinazioni sono il sintomo di un cedimento o spostamento che va corretto. Per capire se i supporti sono adeguatamente precaricati si può fare una semplice prova: 1. Avviare il motore (o un motore alla volta) e accertarsi che l invertitore sia in folle 2. Innestare la marcia e accelerare fino ad 1/3 di acceleratore 3. Mettere in folle 4. Innestare la marcia opposta fino ad 1/3 di acceleratore

6 ed osservate, nelle fasi 2 e 4, se i supporti fanno qualche movimento: movimenti superiori a 3-4 mm sono la conferma che questi non controllano con efficienza i movimenti del motore. Allo stesso modo si può osservare se l asse elica si muove o flette: è accettabile una flessione di 2-3 millimetri con motore al minimo e in marcia, ma se l oscillazione rimane anche oltre 1200 giri/min circa, può esserci un problema (supporti asse elica usurati). Come allineare il vostro asse elica Il modo di dire è improprio: in effetti il lavoro consiste nell allineare motore e invertitore rispetto all asse elica. Il disallineamento è causato dal gruppo motore-invertitore disassato sia lateralmente che in senso verticale rispetto all asse elica Lo spostamento del gruppo motore-invertitore dipende da vari fattori, che abbiamo esaminato nelle pagine precedenti: cedimento dei supporti del motore l'estrema variazione di carico della barca che genera una flessione dello scafo quando la barca viene spostata dalla posizione di ricovero invernale a terra, per essere messa in acqua (problema simile anche per le barche nuove di cantiere ): lo scafo sostenuto sull invaso è soggetto a forze e reazioni diverse da quando è in acqua, con ulteriori flessioni ed adattamenti della sua struttura Intervenire sull allineamento si rivela spesso un esercizio difficile: i costruttori di barche lasciano spesso uno spazio ridotto per poter intervenire sull'accoppiamento tra il mancione (flangia) dell'asse porta elica e il platorello (flangia di uscita) dell'invertitore-riduttore. Questo è il motivo per cui viene tralasciata sovente la manutenzione di questi organi meccanici. Un buon allineamento dell asse elica evita vibrazioni e rumorosità e assicura una lunga durata della baderna e del braccio dell asse elica (verificare il corretto allineamento, allentando il collegamento tra invertitore e asse, è una delle manutenzioni più importanti da fare durante l'inverno).

7 Tipi o forme di non allineamento Il gruppo motore-motore può essere spostato, rispetto alla posizione ottimale in linea, destro sinistra (guardando da) e poi alto basso (guardando di fianco) o in una combinazione di due casi. In breve, tutto si gioca sull accoppiamento (allineamento) tra le flangie di uscita dell invertitore e dell asse elica. Come procedere: un metodo semplice per imbarcazioni con motori di piccola potenza 1) Identificare le viti di collegamento tra flangia di uscita e flangia dell asse elica (si deve avere la possibilità di far scorrere avanti e indietro l asse elica) 2) dotarsi di chiavi fisse della giusta misura per dado e bullone (consigliabile un abbondante applicazione di prodotti che facilitando l allentamento delle viti 3) dotarsi di uno spessimetro (lo stesso che si usa per controllare la distanza tra gli elettrodi delle candele per motori) con linguette da 0,1-0,2 mm 4) dotarsi di una mazzetta o un martello abbastanza pesante Prima di accingersi ad effettuare le verifiche descritte si deve aver bene chiaro in mente che questo tipo "manutenzione" è una operazione molto delicata, che è opportuno affidare a tecnici specializzati o meccanici navali con conoscenze e capacità diverse dal meccanico riparatore di motori. NOTA: E assolutamente sconsigliabile fare questo intervento in motorizzazioni con motore, cardano e invertitore v-drive, per la difficoltà che richiede. Se decidete di tentare, armatevi di molta pazienza. 1) Il primo passo consiste nell allentare e sfilare le viti di collegamento tra flangia di uscita dell invertitore e dell asse elica. Prima di farlo, è importante e necessario posizionare dei blocchetti di legno sotto l asse elica, per tenerlo appoggiato e allineato quanto più possibile (mentre lo si farà scorrere avanti e indietro). 2) allentare e sfilare le viti di collegamento tra flangia di uscita dell invertitore e dell asse elica 3) spingere l asse elica in modo da allontanarlo dalla flangia dell invertitore. 4) attenzione: l asse elica è libero di muoversi e, se è molto lungo e pesante, potrebbe appoggiarsi alla chiglia. Usare dei blocchetti di legno per tenerlo appoggiato e allineato quanto più possibile (mentre lo si farà scorrere avanti e indietro) 5) se le due parti, motore-invertitore e asse, libere dal vincolo dei bulloni hanno le rispettive flangie che non combaciano alla perfezione, siamo in presenza di un disallineamento

8 Se le due flangie risultano sfalsate destra-sinistra dovremo agire sulla base dei supporti antivibranti del motore. Si dovrà spostare il motore dopo aver allentato i tirafondi o i bulloni di bloccaggio dei silent block allo scafo: per far ciò si deve utilizzare la mazzetta con cui colpire la parte bassa del supporto motore. A questo punto riavvicinare le flangie e verificare l'accoppiamento, con l'ausilio dello spessimetro (lo stesso che si utilizza per misurare le candele): un allineamento ottimale non consente l'introduzione di alcun spessore tra le due superfici Se le due flangie si toccano solo sotto o solo sopra, in altre parole c'è aria tra le facce delle flangie (le facce non sono parallele), sarà necessario alzare il motore: davanti nella prima ipotesi dietro nella seconda. Per sollevare il motore utilizzeremo la regolazione del livello dei supporti antivibranti: i silent block su cui poggia il motore hanno due dadi che contengono i supporti motore, allentando quello basso il motore scende, avvitandolo sale. Il dado superiore si utilizza per bloccare il motore nella posizione datagli da quello inferiore, per evitare che a causa delle vibrazioni o del moto ondoso possa uscire dalla sua sede. Sia quando si usa la mazzetta che quando si lavora sui silent block occorre procedere per piccoli passi, avere pazienza e non accontentarsi. Se le regolazioni sono state fatte con la dovuta attenzione, le superfici delle flangie di accoppiamento, avvicinandole, dovranno essere quasi complanari. Lo spessimetro si utilizza quando a occhio le due flangie sembrano baciarsi perfettamente.

9 Lo si deve infilare tra le due superfici in più punti possibili: ripetendo e alternando il controllo con lo spessimetro con l aggiustamento dei supporti motore, si deve ottenere una tolleranza massima nell'ordine del decimo di millimetro (0,1 mm). Quando utilizzate il martello per la simmetria laterale dovrete aver allentato tutti i supporti dai cosciali di bloccaggio del motore, in caso contrario questo non si muoverà. Lo stesso è valido per la riposizionatura verticale: per far scendere il motore a poppa ed eliminare la luce tra le flangie, nella loro parte alta, sarà indispensabile allentare i dadi alti dei supporti antivibranti posteriori. A questo punto si può spingere la flangia dell asse elica definitivamente contro la flangia di uscita dell invertitore e quindi serrare i bulloni dei supporti elastici controllare ancora una volta con lo spessimetro eventuali differenze sulla circonferenza della flangia se è tutto in ordine, fissare flangia e contro-flangia con i bulloni, serrando con cura ciascun dado (a croce, come si fa quando si monta il cerchione dell auto). Un motore ben allineato rende confortevole la navigazione, consente di stringere poco il premitreccia, fa lavorare bene l'invertitore e aumenta le prestazioni A cura del Servizio Tecnico Aftermarket Twin Disc srl

10 Coa è una vibrazione? La vibrazione è un'ampiezza di oscillazione, relativamente piccola, intorno ad un punto d'appoggio dove il suo valore è zero. Le vibrazioni di uno scafo, oltre a creare disagio per quelle parti ed oggetti della nave che si muovono con un'alta frequenza, sono causa di rumore altrettanto negativo per il comfort a bordo. Le vibrazioni a bordo di una nave possono essere quelle proprie dello scafo quelle prodotte dalle eliche, dai motori, dai gruppi elettronici e da tutti gli impianti che hanno motori con masse rotanti o alternative. Le principali per entità sono quelle dello scafo, eliche e motori propulsivi. In questo articolo saranno trattate le vibrazioni dello scafo e dell'elica. Lo scafo di una nave può considerarsi nel suo complesso come un corpo elastico dotato di numerose frequenze proprie che dipendono dalle sue dimensioni e dalla distribuzione delle sue masse e dei carichi. Inoltre lo scafo, come tutti i corpi elastici, può compiere oscillazioni forzate di carattere periodico se sollecitato da azioni di tipo pulsante. Le vibrazioni della trave-nave, come quelle di una qualsiasi trave, possono essere quindi libere o naturali e forzate: sono libere o naturali quando la trave è eccitata da una forza e lasciata libera nel suo moto, sono forzate quando alla trave è applicata una forza variabile nel tempo. Nel primo caso la trave, una volta lasciata libera si mette a vibrare con una frequenza detta "prima frequenza propria". L'ampiezza della vibrazione, che è il valore dello spostamento dell'oscillazione (Figura 1), risulta modesta, compatibilmente con l'intensità della causa eccitante, se la trave viene fatta vibrare con una frequenza diversa da quella propria; viceversa se la frequenza eccitante coincide con la frequenza propria di vibrazione della trave- scafo si ha la condizione di "risonanza". 1 In conseguenza del fenomeno della risonanza, che appunto si verifica quando una delle frequenze di vibrazione dello scafo coincide o è molto vicina alla frequenza di una qualsiasi azione pulsante che si scarichi sulle strutture resistenti della nave, l'ampiezza (Figura 1) delle vibrazioni forzate viene esaltata. Di conseguenza lo scafo è sottoposto a moti vibratori talvolta di sensibile entità e quindi molesti. Infatti, se i giri dell'elica sono molto vicini alla frequenza propria di vibrazione dello scafo e l'elica stessa non è perfettamente bilanciata dinamicamente, nascono delle oscillazioni che, anche se non elevate in valore assoluto, possono far vibrare lo scafo con sensibile entità.

11 Le oscillazioni di maggiore ampiezza si rilevano di solito nel piano longitudinale e quelle che più interessano lo scafo sono: 1. vibrazioni flessionali verticali che avvengono nel piano longitudinale di simmetria 2. vibrazioni flessionali orizzontali o trasversali che avvengono in un piano normale al piano longitudinale di simmetria. Le cause che eccitano il moto vibratorio dello scafo, e quindi provocano la condizione di risonanza, sono l'elica con la relativa linea d'asse, i moti di rollio- beccheggio, i motori termici alternativi di propulsione. Il calcolo delle frequenze, che sono il numero di cicli di vibrazione (Figura 1) eseguite nell'unità di tempo (che è l'inverso del periodo di vibrazione), in Hertz (Hz) delle su menzionate cause eccitanti sono: La frequenza trasmessa dall'elica allo scafo dove: n = numero delle pale N = numero giri al primo dell'asse portaelica La frequenza trasmessa dalla linea assi La frequenza data dal moto ondoso, in qualsiasi senso, il cui semiperiodo e risulta pari a La frequenza data dai motori alternativi di propulsione dove: NC = numero dei cilindri NM = numero dei giri al minuto primo dell'asse del motore termico K = numero dei tempi. Come sopra illustrato, uno scafo presenta per ogni senso di vibrazione più frequenze proprie di risonanza e a ogni frequenza propria corrisponde un modo o grado di vibrare dello scafo.

12 I modi di vibrare sono determinati dal numero di nodi (punti di ampiezza o spostamento nullo) (Figura 2) che mostra la curva che rappresenta la linea elastica dello scafo. Per la trave libera, come è appunto lo scafo di una nave galleggiante, il primo modo di vibrare ha due nodi, il secondo ha tre nodi e così via. 2 In conclusione: alla 1^ frequenza propria corrisponde il 1 modo di vibrare (2 nodi); alla 2^ frequenza propria corrisponde il 2 modo di vibrare (3 nodi); alla 3^ frequenza propria corrisponde il 3 modo di vibrare (4 nodi); e così di seguito (Figura 2). I primi sistemi di calcolo per la previsione delle frequenze proprie di vibrazione delle navi sono state formule teorico-sperimentali. Dette formule, col passare del tempo, sono state affinate e corrette alla luce dei rilievi effettuati su un numero sempre maggiore di navi di diversi tipi. Generalmente la previsione dei modi di vibrare dello scafo si ferma al primo modo, cioè a vibrazioni di scafo con due nodi, sia in senso verticale, sia in senso trasversale. Se le vibrazioni sono prodotte dall'elica, per evitare il prodursi delle vibrazioni o almeno ridurre queste entro limiti tollerabili, spesso si è dimostrato efficace influire sulla loro frequenza ed ampiezza variando il numero delle pale e talora anche modificandone il disegno (frazione totale di passo, distribuzione della superficie, variazione del passo lungo la pala, inclinazione e forma della generatrice, forma del contorno della pala, scelta dei profili della pala, ecc.). Un'elica con un numero di pale limitato non produce alcuna vibrazione nel momento torcente trasmesso e nella spinta prodotta, sempre che essa funzioni sufficientemente immersa in una corrente fluida uniforme; le eventuali vibrazioni prodotte dall'elica sono attribuibili ad una non uniformità della corrente di scia.

13 A causa della disuniformità della scia, l'elica produce tre generi diversi d'impulsi che vengono qui di seguito esaminati in ordine d'importanza: Fluttuazioni della spinta - Le fluttuazioni della spinta agiscono senza produrre disturbo sulla nave attraverso la linea d'asse ed il cuscinetto di spinta, dato che le loro frequenze sono inferiori alla frequenza propria della linea d'asse nella direzione della spinta e lo smorzamento è piccolo. Fluttuazioni del momento torcente - Le fluttuazioni del momento torcente sono notevolmente influenzate sia dal momento d'inerzia dinamico dell'elica relativamente elevato che permette solo piccole variazioni angolari, sia dall'elasticità alla torsione della linea d'asse. Con un torsiografo si può constatare una rapida diminuzione delle variazioni angolari torsionali lungo la linea d'asse prodotte dall'elica. Le fluttuazioni del momento torcente, se arrivano fino al motore, sono trasmesse alla nave attraverso gli appoggi del motore stesso. Fluttuazioni di flessione - In seguito alla continua variazione del carico sulle pale durante la rotazione, il centro di applicazione della spinta si sposta dal centro dell'elica, quindi nascono delle sollecitazioni di flessione sull'asse portaelica, anche se piccole in confronto a quelle dovute al peso dell'elica immersa nell'acqua di mare. Queste sollecitazioni vengono trasmesse alla nave in un piano perpendicolare alla linea d'asse attraverso i cuscinetti dell'astuccio e dato che esse hanno la stessa frequenza della spinta, si sommeranno gli effetti. La conoscenza delle oscillazioni massime del momento torcente assorbito e della spinta fornita dall'elica è importante per il calcolo della robustezza della pala. Le frequenze di queste oscillazioni non dipendono dal numero delle pale, sono multiple del numero di giri e possono produrre vibrazioni nelle pale e quindi sollecitazioni aggiuntive nel materiale. Per evitare nelle navi vibrazioni prodotte dall'elica si devono tenere presenti i seguenti principali accorgimenti: Si deve cercare di ottenere una corrente di scia quanto più possibile uniforme nella zona dell'elica, affinando le linee d'acqua poppiere, adottando un grande pozzo dell'elica ed una buona distanza di questa dal dritto dell'elica e dal dritto del timone. Le frequenze delle vibrazioni dell'elica e del motore non devono coincidere od essere nel rapporto di riduzione del riduttore. La frequenza propria e le vibrazioni di parti strutturali della nave, che cadono nel campo delle frequenza dell'elica, devono essere annullate rinforzando queste parti strutturali. Oltre alle vibrazioni dello scafo possono verificarsi anche dei rumori che dall'elica si trasmettono allo scafo attraverso l'acqua e che vengono amplificati dal fasciame di questo, che entra in vibrazione. Questi rumori, che hanno una frequenza data dal prodotto di giri per il numero delle pale, sono causati da formazioni locali di cavitazione e da forti differenze di velocità di scia durante il passaggio della pala in corrispondenza del dritto o braccio portaelica. In conclusione quanto maggiori sono il numero delle pale di un'elica, poiché saranno maggiori le frequenze e minori le ampiezze vibratorie, tanto maggiore sarà la sicurezza di evitare vibrazioni allo scafo.

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