La fisica della vela. comprendere i meccanismi, migliorare le prestazioni e...divertirsi!!! Laura Romanò Dipartimento di Fisica Università di Parma

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1 La fisica della vela comprendere i meccanismi, migliorare le prestazioni e...divertirsi!!! Laura Romanò Dipartimento di Fisica Università di Parma

2 Il gioco della simmetria Dal punto di vista fisico, la barca a vela è un sistema a contatto con due fluidi : aria e acqua viscosità h air = Nsec/m 2 h water = Nsec/m 2 Simmetria : La fisica è la stessa Per governare la barca è necessario che l aria e l acqua abbiano una velocità differente e si muovano di moto relativo l uno all altro

3 le forze in barca a vela Quando un corpo si muove in un fluido subisce una forza la cui direzione in generale non è nella direzione del moto e dipende dalla forma del corpo e dall angolo tra fluido e corpo 2 fluidi 2 forze Aerodinamica sulle vele Idrodinamica sullo scafo F A F H F A Per navigare a velocità costante: F H F A =-F H Quale è l origine delle due forze? Quale è la loro direzione?

4 Forza = Resistenza + Portanza Piccolo esperimento automobilistico: cartoncino fuori dal finestrino direzione aria direzione automobile RESISTENZA: Parallela alla direzione dell aria PORTANZA FORZA AERODINAMICA RESISTENZA PORTANZA: Perpendicolare alla direzione dell aria

5 Forza = Resistenza + Portanza Vento apparente prua P A F A Mondo dell aria R A la barca scarroccia P H R H F H Asse di simmetria Mondo dell acqua La deriva è parallela alla acqua; Non si genera nessuna forza

6 Resistenza o Portanza? Navigando con il vento in poppa Forza aerodinamica =Resistenza Portanza =0 F A = R A Navigando controvento La portanza gioca un ruolo fondamentale nella navigazione controvento P A F A R A

7 Resistenza o il prezzo da pagare per potersi muovere Attrito tra le molecole dello scafo delle vele acqua aria Scia o forma che si genera a poppa della barca dietro alla vela (non si vede) Onda a prua e a poppa dovuto al moto dello scafo Indotta dalla portanza Scarroccio e sbandamento

8 Resistenza di attrito 2013 Interazione tra le molecole della superficie dello scafo e delle vele e un piccolissimo strato di fluido a contatto con la superficie A causa della viscosità: oggetto scia Laminare: Strati di fluido paralleli Zona piccola Turbolento: Moto disordinato con vortici

9 Resistenza di attrito S= Dimensione dei granelli di sabbia lunghezza Esempio: Lunghezza al gall.= 8m V=7 nodi S Dimensione granelli =8mm S =10-4 Vernice: spruzzo pennello rugosità: 5mm 20mm S= V~5.5 nodi V=7 nodi

10 Nel flusso laminare le particelle sono più lente, meno energetiche flusso si separa prima e la scia è più grande Pescara Resistenza di Scia scia o di forma Oggetto in moto in un fluido non viscoso La pressione è uguale ovunque Oggetto in moto in un fluido Si forma una scia e la pressione ai due lati dell oggetto è diversa Tra l alta pressione e la bassa si stabilisce una forza: Resistenza Laminare o turbolento?

11 Laminare o turbolento? Laminare Bassa r. di attrito Alta r. di scia Turbolento Alta r. di attrito Bassa r. di scia Risposta: dipende dalla forma! Corpi tozzi (palline da golf, albero) Corpi affusolati Aumento r. di attrito < diminuzione r. di scia Turbolento Aumento r. di attrito > diminuzione r. di scia Laminare

12 Resistenza d onda La barca muovendosi genera un moto ondoso a poppa e a prua Le onde trasportano energia che è tanto maggiore quando più l onda è alta Dove prendono questa energia? Dal moto della barca La lunghezza dell onda dipende dalla velocità della barca resistenza d onda 2 Quando diventa uguale alla lunghezza della barca, questa cade nella depressione. In queste condizioni, è impossibile superare l onda V 2 g V V V c c c (m/s) 1,25 ( knots) 2,4 ( Knots) 1,34 L(m) L(m) L(f )

13 Resistenza di sbandamento Sbandamento : 2 effetti Aumenta la superficie bagnata Modifica la formazione ondosa resistenza di attrito resistenza d onda

14 Portanza o come funzionano gli aeroplani e i calci di punizione Viscosità dei fluidi 3 ingredienti Teorema di Bernoulli : se in un tubo che contiene un fluido aumenta la pressione deve diminuire la velocità Differenza di pressione genera una forza: Alta pressione Bassa pressione

15 Una spiegazione (poco corretta) Portanza Forma dell ala di un aereo: le molecole Alta velocità d aria sulla parte superiore si muovono Bassa pressione più velocemente di quelle sulla parte inferiore Alta pressione Differenza di pressione produce Bassa velocità PORTANZA Modello non corretto 1. La portanza si sviluppa anche su oggetti piatti cartoncino 2. Gli aerei possono volare anche rovesciati Ipotesi scorretta: non è detto che due molecole che si separano debbano riincontrarsi alla fine dell ala

16 Linee di flusso attorno ad una vela ben regolata Quasi tutte le linee si spostano sottovento All ingresso il punto di ristagno è sopravvento e all uscita segue la curvatura Il flusso rimane ben aderente e segue la curvatura

17 Gennaio 2013 Effetto Coanda Le molecole di acqua a contatto con la superficie dell uovo vengono bloccate a causa della viscosità. Le molecole del secondo strato di acqua, attratte dalle prime, ruotano e quelle successive ruotano un po meno così via tra uno strato e l altro. L acqua segue la curvatura della superficie Forza esercitata sull uovo dall acqua Forza esercitata sull acqua dall uovo

18 Effetto Magnus o i tiri in porta ad effetto Se ad una palla che si sposta orizzontalmente si imprime una rotazione questa deflette perchè subisce una forza: la portanza portanza LIFT traslazione rotazione rototraslazione 1922 BUCKAUuna strana imbarcazione

19 Cosa centra la palla rotante con la vela, il cartoncino, la lastra piana? Simmetria delle linee di flusso Zona critica Il flusso si separa e si forma una scia con emissione di un vortice in senso antiorario portanza Traslazione Rotazione Rototraslazione

20 Resistenza indotta La differenza di pressione tra i due lati della vela produce un passaggio d aria sotto il boma o sopra l angolo di penna (Effetto tridimensionale) Si generano vortici di estremità che costano energia spesa a danno della velocità della barca. Perché indotta, perché vortici? Dalla portanza Quando il 1 vortice se ne va, compensano la circolazione d aria Una vela alta e stretta ( con maggior allungamento) è più efficiente e risente meno dei vortici di estremità

21 Forza propulsiva e scarroccio Forza propulsiva F A Forza di scarroccio Forza propulsiva F A Forza di scarroccio F A poppavia della perp. vela F A pruavia della Perp. vela Una corretta regolazione delle vele deve puntare ad una grande forza propulsiva ed una piccola forza di scarroccio La forza aerodinamica deve essere non solo intensa, ma anche ben orientata

22 portanza Pescara I diagrammi polari delle vele C PA controvento portanti R P A A aria aria V V 2 VA 2 VA S S V V C C RA PA a 60 Vento apparente x resistenza C RA

23 Orientazione forza aerodinamica: angolo di anticipo = angolo tra perp. al boma e forza aerodinamica

24 Punti particolari del diagramma polare Massimo rapporto portanza-resistenza (punto di massima efficienza) Massima portanza (punto massimo della polare) (~29 ) Si traccia la tangente da 0,0 alla curva; il punto di contatto corrisponde all angolo di incidenza di massima efficienza (~26 )

25 Punti particolari del diagramma polare Massima forza propulsiva e piccola componente di scarroccio Bolina: 35 tra rotta e vento app. Tracciare perp alla rotta, tangente alla curva Il punto di tangenza individua l angolo di attacco che fornisce la spinta in avanti più grande e minor scarroccio:~27 Scarroccio VA rotta Forza propulsiva

26 Interazione randa-vela di prua Modello errato: Effetto Venturi! P grande P piccola V piccola V grande Dove c è il restringimento l aria aumenta la sua velocità e la pressione diminuisce la randa spinge di più

27 Interazione randa-vela di prua Invece: randa isolata Tra le due vele passa meno aria randa e fiocco Il restringimento è un piccolo disturbo

28 Arrivati in baia. spero sia stato un buon vento

h) Elementi di aerodinamica delle vele

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