CAPITOLO XXXI LA DEFINIZIONE DELLA FORMA DELLA NAVE: IL CORPO CILINDRICO ED I CORPI STELLATI DI POPPA E DI PRUA

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1 722 APITOO XXXI A DEFINIZIONE DEA FORMA DEA NAVE: I ORPO IINDRIO ED I ORPI STEATI DI POPPA E DI PRUA 1 - Introduzione. Definiti i valori da assegnare alle dimensioni principali della nave ( PP, B e D), nonché all immersione di progetto T ed al coefficiente di finezza totale di carena B, tali da realizzate sia il volume complessivo della nave (affinché risponda ai requisiti imposti) sia il volume di carena di progetto (in grado di sostenere la nave di peso =γ ), acquisite sufficienti indicazioni su altre caratteristiche, grandezze e coefficienti, stabilito se la nave sarà a propulsione monoelica o bielica, il progettista potrà procedere ad assegnare la più opportuna forma alla nave, ed in particolare, alla carena. Tale operazione dovrà essere intrapresa il più presto possibile (affinché il lavoro di progettazione possa continuare su presupposti molto più affidabili), ma, comunque, solo quando le grandezze prima dette siano state sottoposte alle opportune verifiche (in relazione alla portata lorda, alla velocità, ai volumi necessari alle diverse funzioni, alla stazza, al bordo libero, alla stabilità, ecc.) in modo da garantire un soddisfacente compromesso tra tutti i principali aspetti tecnici che riguardano le prestazioni e la sicurezza della nave. Tale soddisfacente compromesso deve garantire anche che il progetto sia economicamente conveniente per il cantiere (costruzione) e per l armatore (esercizio della nave). a definizione della forma della nave, concretizzatasi nella elaborazione del disegno detto piano di costruzione, è di fondamentale importanza per: assumere un complesso di dati che consentono di approfondire la valutazione delle diverse categorie di pesi costituenti la nave e la sua portata lorda, di valutare la posizione del baricentro della nave vacante e quella di altre condizioni di carico, di iniziare su basi meno vaghe l analisi dei costi e dei tempi di costruzione, assumere un complesso di dati che consentono di approfondire l effettiva entità e collocazione dei diversi volumi destinati alla differenti funzioni, poter eseguire calcoli idrostatici dai quali verificare l assetto e la stabilità della nave integra nelle principali condizioni di carico, poter procedere ad un primo studio della compartimentazione della nave, poter realizzare un modello della carena nel caso in cui si ritenga necessario procedere a prove in vasca per ottimizzare la carena e/o misurare la resistenza

2 723 al moto, determinare i coefficienti della propulsione, studiare la tenuta al mare e le caratteristiche di governo. a forma della nave e, quindi, il piano di costruzione, deve essere tale da realizzare: il dislocamento richiesto all immersione di progetto, il volume necessario per il carico pagante (portata netta), il volume necessario per i consumabili, lo spazio necessario per l apparato motore, la superficie necessaria per i diversi ponti per consentire la sistemazione di tutto quanto necessario alla nave, una posizione longitudinale del centro di carena all immersione di progetto tale che in relazione al dislocamento della nave vacante ed alla ubicazione longitudinale del suo baricentro nonché alla portata lorda ed al suo baricentro si realizzi un assetto soddisfacente, linee idonee a minimizzare la resistenza al moto, a consentire una collocazione del propulsore che minimizzi le vibrazioni indotte alla scafo, a migliorare le prestazioni del propulsore, forme tali da semplificare la geometria degli elementi strutturali costituenti lo scafo evitando discontinuità che possono incidere negativamente sulla robustezza della trave nave o di alcune parti dello scafo ed evitando ove possibile superfici a doppia o singola curvatura (per contenere i costi ed i tempi di costruzione), forme tali da migliorare il comportamento della nave in navigazione in mare ondoso, forme tali da garantire buone qualità di governo (manovrabilità, tenuta della rotta, arresto, ecc.), forme tali da garantire indici di stabilità idonei nelle diverse condizioni di carico per le quali la nave dovrà operare, assicurare all opera morta ed alle sovrastrutture in particolare per le navi per passeggeri forme eleganti ed esteticamente piacevoli. 2 a rappresentazione della forma di una nave: il piano di costruzione. ome è noto, la forma della nave (ed in particolare della carena) è definita da un disegno che è detto piano di costruzione (lines plan) proprio perché rappresenta il disegno fondamentale per la progettazione e la realizzazione della nave. a nave viene riferita ad una terna di assi ortogonali con origine nel piede (0 K) della perpendicolare al mezzo (PP M ), asse X orizzontale e coincidente con la linea di base (cioè coincidente con la linea di costruzione, se la nave è senza differenza d immersione di progetto) ed orientato verso prua, asse Y orizzontale

3 724 ed orientato verso il lato sinistro della nave, asse Z (coincidente con la perpendicolare al mezzo) verticale ed orientato verso l alto. a detta terna definisce pertanto tre piani principali: il piano orizzontale XY (base plane) che è, quindi, parallelo al galleggiamento di progetto, il piano trasversale YZ (vertical transverse plane) che è, quindi, normale al piano di simmetria della nave, il piano longitudinale XZ (principal plane) che è il piano diametrale della nave ed è, quindi, piano di simmetria della nave. Il piano di costruzione rappresenta la superficie fuori ossatura (entro fasciame) nelle navi a scafo metallico e fuori fasciame per le navi a scafo in legno o in plastica rinforzata con fibre di vetro. Il piano di costruzione presenta le linee di intersezione della detta superficie con tre famiglie di piani ciascuna caratterizzata dal parallelismo con uno dei tre piani principali (XY, YZ e XZ). Sul piano orizzontale (coincidente con il piano XY o parallelo a questo) si proiettano ortogonalmente le linee che rappresentano le intersezioni della superficie della nave con la famiglia di piani paralleli al piano XY e dividenti, di norma, l immersione al mezzo in 10 parti uguali 1. Il numero (superiore a 10) di tali piani è tale da interessare sia la carena che l opera morta. Poiché la nave è simmetrica, le dette linee intersezione sono simmetriche per cui sul piano orizzontale vengono tracciate le semisezioni. e linee intersezioni relative alla carena sono dette linee d acqua o linee d aqua vere, quelle relative all opera morta sono dette linee d acqua false o ausiliarie. e linee d acqua vengono numerate con numeri arabi progressivi (partendo da 0) dal basso verso l alto. Una delle linee d acqua (di solito la 10) è quella relativa al galleggiamento di progetto. Spesso vengono considerati uno o più pani ausiliari, intermedi ai piani principali della famiglia, in modo da intersecare la superficie della carena nella zona del fondo, se la nave ha forme molto stellate, o nella zona del ginocchio. Tali piani, e quindi le relative sezioni, vengono individuati con riferimento al piano principale immediatamente inferiore (ad esempio il piano ausiliario equidistante tra i piani 1 e 2 viene indicato con 1 ½). a figura che contiene le linee d acqua (e le tracce dei piani paralleli ai coordinati XZ ed YZ) è detta l orizzontale del piano di costruzione (waterlines plan) o semplicemente orizzontale. Su un piano trasversale (coincidente con il piano YZ o parallelo a questo) si proiettano ortogonalmente le linee che rappresentano le intersezioni della superficie della nave (escluso il ponte) con la famiglia di piani paralleli al 1 Se la nave è piccola e/o di forme semplici o se si è in una fase iniziale del lavoro, il numero di piani intersecanti la carena può essere inferiore a 11 (dividenti l immersione di progetto in 10 parti uguali).

4 725 piano YZ e dividenti, di norma, la lunghezza tra le perpendicolari in 20 parti uguali 2. Poiché la nave è simmetrica, le dette linee intersezione sono simmetriche, per cui, sul piano trasversale vengono tracciate a destra dell asse di simmetria le semisezioni che vanno dalla sezione a PP /2 fino a quella contenente la PP AV, mentre vengono tracciate a sinistra dell asse di simmetria le semisezioni che vanno dalla sezione a PP /2 fino a quella contenente la PP AD. Ne risulta che solo la sezione coincidente con il piano XY è rappresentata per intero. e dette linee intersezione sono chiamate ordinate e vengono numerate con numeri arabi progressivi partendo dalla sezione corrispondente alla perpendicolare addietro (ordinata 0) 3. Di solito vengono considerati alcuni piani ausiliari; tali piani sono intermedi ai piani principali della famiglia o ubicati oltre le perpendicolari avanti ed addietro, in modo da intersecare la superficie della nave nelle zone di estrema prua e poppa, che presentano notevoli curvature. I detti piani ausiliari sono distanziati dai principali o tra loro di una lunghezza che è metà dell intervallo tra i piani principali; tali piani ausiliari e, quindi, le relative sezioni, vengono numerati con riferimento alle sezioni principali [ad esempio le due sezioni ausiliarie immediatamente a poppavia della perpendicolare addietro (sezione 0) vengono individuate con i numeri ½ e 1, quella tra le sezioni 1 e 2 con ½, quella immediatamente a proravia della sezione corrispondente alla perpendicolare avanti (sezione 20) con 20 ½]. a figura che contiene le ordinate (e le tracce dei piani paralleli ai coordinati XZ ed XY) è detta il trasversale del piano di costruzione (body plan) o semplicemente trasversale. Una della ordinate (quella indicata con 10, se i piani principali sono 20) è la sezione a metà nave. Su un piano longitudinale (coincidente con il piano XZ o parallelo a questo) si proiettano ortogonalmente le linee che rappresentano le intersezioni della superficie della nave (escluso il ponte) con la famiglia di piani paralleli al piano XZ e dividenti, di norma, la semilarghezza massima in 5 parti uguali 4. e tracce dei piani e le relative sezioni vengono numerati progressivamente - dal piano diametrale (il numero 0 viene omesso) al piano più vicino alla murata (V) - con caratteri romani. e dette linee intersezione sono chiamate longitudinali. a figura che contiene le longitudinali (e le tracce dei piani paralleli ai coordinati YZ ed XY) è detta il longitudinale del piano di costruzione o semplicemente 2 Se la nave è piccola sono sufficienti anche 11 piani trasversali (dividenti la carena in 10 parti uguali). 3 Tale convenzione viene adottata, di norma, in tutti i Paesi Europei (Regno Unito escluso), in Giappone e orea, mentre la numerazione che ha inizio dalla perpendicolare avanti viene adottata, di norma, negli USA e, spesso, nel Regno Unito ed in Australia. 4 Si fa riferimento alla semilarghezza, in quanto, essendo la nave simmetrica, tracciate le intersezioni della superficie dello scafo con il piano diametrale e con i piani a destra di questo, queste ultime intersezioni coincidono con quelle relative con gli omologhi piani a sinistra del piano diametrale.

5 726 longitudinale (sheer plan). Una di tali longitudinali (di norma non numerata) è il profilo longitudinale della nave. Il numero dei piani principali ed ausiliari di ciascuna famiglia può variare in relazione alla grandezza (in particolare lunghezza ed altezza) ed alla forma della nave, nonché al grado di precisione che si vuole dare al disegno ed alla scala adottata per lo stesso. ome già detto, trattandosi di proiezioni ortogonali si ha che: il piano orizzontale conterrà, oltre alle linee d acqua, segmenti di retta (orizzontali e verticali) corrispondenti alle proiezioni delle ordinate e delle longitudinali, il piano trasversale conterrà, oltre alle ordinate, segmenti di retta (orizzontali e verticali) corrispondenti alle proiezioni delle linee d acqua e delle longitudinali, il piano longitudinale conterrà, oltre alle longitudinali, segmenti di retta (orizzontali e verticali) corrispondenti alle proiezioni delle linee d acqua e delle ordinate. Per definire completamente la forma della nave è necessario completare le dette tre figure (ottenute dalle proiezioni di sezioni piane) con alcune linee particolari, quali: proiezione dell orlo a murata del ponte principale, proiezione dell orlo a murata del ponte del cassero (se esistente), proiezione dell orlo a murata di eventuali altri ponti e/o copertini, proiezione di eventuali linee di discontinuità. a forma di un qualunque corpo chiuso ed avviato (cioè la sua superficie esterna) è univocamente definita dalla conoscenza delle linee d intersezione dello stesso con una famiglia di piani (con una precisione tanto maggiore quanto più elevato è il numero dei piani) tutti paralleli tra loro. Per una nave, si preferisce ricorre a tre famiglie di piani per i seguenti motivi: per meglio definire talune parti, quali le estremità poppiera e prodiera, il ginocchio, eventuali discontinuità, casseri, ecc. in fase di stesura del piano di costruzione è possibile, verificando la congruenza di ciascun disegno (l orizzontale, il trasversale ed il longitudinale del piano di costruzione), accorgersi di imperfezioni o errori ed eliminarli (tale operazione è detta bilanciamento 5 del piano di costruzione), 5 Ad esempio, al punto A, sul piano longitudinale, corrispondente all intersezione di una longitudinale con la traccia di una sezione deve corrispondere un punto, sul piano trasversale, ubicato sulla traccia di quella sezione ed alla stessa quota del punto A (bilanciamento orizzontale); al punto B T, sul piano longitudinale, corrispondente all intersezione di una longitudinale con la traccia di una linea d acqua deve corrispondere un punto, sul piano

6 727 nelle diverse fasi del progetto si possono facilmente ottenere figure piane rappresentanti il contorno di ponti o di sezioni trasversali molto utili per la elaborazione dei piani generali, dei piani dei ferri, ecc. Spesso il piano di costruzione viene completato disegnandovi il profilo del timone, l elica, l aletta di rollio. Anche per facilitare la stesura del piano di costruzione ed il suo bilanciamento, alle diverse parti che lo compongono si dà, di solito e per convenzione, la seguente disposizione: in alto, a sinistra, il trasversale riportante a sinistra della traccia del piano diametrale, le semiordinate presenti a poppavia della sezione maestra e a destra le semiordinate presenti a proravia della sezione maestra, in alto, a destra, il longitudinale, in modo da avere in comune con il disegno precedente (trasversale) la traccia del galleggiamento di progetto; il profilo della nave viene disegnato con la prua a destra; in basso, a destra, l orizzontale, in modo da avere in comune con il disegno precedente (longitudinale) le tracce delle perpendicolari addietro ed avanti; il disegno viene tracciato al disopra della linea orizzontale rappresentante la traccia del piano diametrale, in basso, a sinistra, cioè sotto il trasversale ed a sinistra dell orizzontale, vengono riportate scritte necessarie per individuare il disegno (cantiere, tipo e dimensioni principali della nave, scala, data di elaborazione, ecc.). Nella figura 1 si riporta solo la parte sinistra (per motivi di spazio) di un piano di costruzione relativo ad una piccola nave (peschereccio avente: W =29.13 m, PP =28.20 m, B=9.04 m, D=5.25 m, T=3.81 m, B =0.476). Nelle figure 2 e 3, invece, sono riportati i piani di costruzione, di due diverse navi, nei quali sono stati sovrapporti i disegni detti: trasversale, longitudinale ed orizzontale. A volte vengono considerati piani sussidiari aventi o lo stesso angolo di inclinazione e quota diversa della loro intersezione con il piano di simmetria della nave o stessa quota ed angolo di inclinazione diverso rispetto al piano di simmetria della nave. Tali piani intersecano la superficie della carena in zone caratterizzate da maggiori curvature. e intersezioni di tali piani con la superficie della carena sono dette forme e vendono riportate nel 4 quadrante (piano orizzontale o delle linee d acqua) al disotto della traccia del piano di simmetria della carena. orizzontale, ubicato sulla traccia di quella longitudinale ed alla stessa distanza del punto B T dalla stessa perpendicolare (bilanciamento verticale).

7 728 Fig. 1 Figure 2 e 3

8 729 a scala del disegno può essere diversa a seconda delle dimensioni della nave e della fase di progetto; è opportuno scegliere, tra le seguenti, la scala più opportuna: 1:25, 1:50, 1:100 e 1:200. Il piano di costruzione così elaborato consente di ricavare un tabulato delle semilarghezze, nonché le coordinate di una serie di punti atti a definire i profili di poppa e di prua; tali dati costituiscono dati di ingresso per programmi specifici per personal computer di media potenza, che consentono di effettuare calcoli di idrostatica, di previsione della resistenza al moto, ecc. utili nelle fasi del progetto per l offerta e per il contratto. Una volta certi che il piano di costruzione elaborato sia quello definitivo, oggi, [fatta eccezione per alcuni cantieri specializzati in imbarcazioni di piccole dimensioni (piccoli pescherecci, piccole unità da diporto, piccole unità da lavoro, ecc.)], si procede alla rielaborazione del piano di costruzione, utilizzando macchine per il disegno automatico (macchine per il disegno a controllo numerico) che utilizzano programmi specifici (AD, computer aided drawing). a rielaborazione riguarda soprattutto il trasversale che viene disegnato su plotter (attualmente, quello più grande in uso presso la Fincantieri ha dimensioni 2.60 x 3.70 metri) che consente di elaborare - assieme o separatamente [la metà di destra (parte a proravia della sezione maestra) e quella di sinistra (parte a poppavia)] - il trasversale anche in scala 1:10 con un errore massimo di 1mm e con un numero di ordinate grande a piacere. 3 - Diagramma delle aree delle sezioni immerse. Il progetto di una carena di assegnate dimensioni [lunghezza massima (coincidente sempre con la lunghezza al galleggiamento di progetto se la nave è senza bulbo prodiero), lunghezza tra le perpendicolari, larghezza massima ed immersione al galleggiamento di progetto] ha lo scopo di definire la forma più idonea della stessa in relazione alla più idonea distribuzione, in senso longitudinale, del volume di carena. a distribuzione del volume di carena al galleggiamento di progetto in senso longitudinale, cioè della direzione dell asse X della nave, può essere rappresentato da un diagramma al quale si dà il nome di diagramma delle aree delle sezioni immerse o di curva di pienezza. E evidente, quindi, che il disegno detto piano di costruzione trova integrazione nel diagramma delle aree delle sezioni immerse. Il diagramma delle aree delle sezioni immerse ha per ascisse l asse x e per ordinate l area delle sezioni immerse. In tale diagramma sull asse delle scisse x viene staccato un segmento che, in scala, rappresenta la lunghezza tra le

9 730 perpendicolari PP della nave. In analogia con il piano di costruzione, nel diagramma delle aree il segmento di lunghezza PP viene suddiviso in 20 parti uguali ed i punti di divisione numerati da 0 a 20 (vedi figura 4). alcolata per ogni sezione del piano di costruzione l area fino alla quota che rappresenta l immersione di progetto, la si riporta, in scala, in corrispondenza del punto che rappresenta l ubicazione della sezione stessa lungo la PP. a curva che racchiude tutti i segmenti rappresentativi delle aree delle sezioni è detta curva di pienezza ed il diagramma così costruito è il diagramma delle aree delle sezioni immerse. Fig. 4 Detta A x l ordinata generica del diagramma in corrispondenza dell ascissa generica x ed a cavallo del segmento infinitesimo dx, si ha: PP A dx = (1) x 0 per cui l area del diagramma delle aree delle sezioni immerse rappresenta il volume di carena al galleggiamento di progetto. Il rapporto tra l area sottesa dal diagramma delle aree (è il volume di carena ) ed il rettangolo che circoscrive detta area (A M PP ) è il coefficiente prismatico longitudinale di carena: P = (a) A PP M

10 731 A volte, il diagramma delle aree si prolunga a sinistra della sezione 0 ed a destra dell ultima sezione (nell esempio che si sta facendo, la 20), impegnando, quindi, un segmento maggiore di PP e pari alla lunghezza al galleggiamento di progetto W. Il diagramma delle aree delle sezioni immerse può essere presentato in una opportuna scala, ossia dividendo i valori delle aree (area generica A X ) per quello massimo (area della sezione A M, di solito ubicata a 0.5 PP ), e l ascissa di ciascuna sezione (distanza generica x) per la lunghezza tra le perpendicolari PP. In tale modo i valori delle ordinate saranno comprese tra 0 ed 1 e tutto il diagramma avrà lunghezza pari ad 1. In tale caso, l area del diagramma fornisce il valore del coefficiente prismatico longitudinale di carena P, essendo A 1 1 X dx 1 = A X dx P A 0 M PP A M = = (b) PP A 0 M PP ascissa del centro dell area del diagramma rappresenta la distanza del centro B di carena di volume (nel primo caso) o il rapporto tra la detta ascissa ed PP (nel secondo caso). Sia il piano di costruzione che il diagramma delle aree delle sezioni immerse evidenziano che la carena è costituita da due parti aventi in comune la sezione ubicata a metà lunghezza PP : un corpo di entrata (di lunghezza F ) ed uno di uscita (di lunghezza A ) o, se esiste una parte centrale cilindrica, da tre parti: un corpo stellato di entrata (di lunghezza E ), un corpo cilindrico (di lunghezza P ) ed uno stellato di uscita (di lunghezza R ). 4 oefficienti di finezza, lunghezze e volumi della carena. ome è noto, caratterizzano la carena alcuni rapporti adimensionali detti coefficienti di finezza, tra i quali i più importanti sono: coefficiente di finezza della sezione maestra, coefficiente di finezza della figura di galleggiamento, coefficiente di finezza totale di carena, coefficiente di finezza prismatico longitudinale di carena, coefficiente di finezza prismatico verticale di carena, Il coefficiente di finezza della sezione maestra è: A M M = (2) B T M M

11 732 dove A M è l area della sezione maestra immersa, B M è larghezza fuori ossatura della figura di galleggiamento di progetto alla sezione a metà della lunghezza tra le perpendicolari, mentre T M è l immersione media (distanza tra il piano di galleggiamento e la linea di sottochiglia misurata sulla perpendicolare al mezzo). Il coefficiente di finezza della figura di galleggiamento è: A W W = (3) W BX dove A W è l area della figura di galleggiamento di progetto, W è la lunghezza al galleggiamento di progetto e B X è la larghezza massima al galleggiamento di progetto. Il coefficiente di finezza totale di carena è: B = (4 a) W BX TM nella quale è il volume di carena relativo al galleggiamento di progetto. A volte, in luogo della lunghezza al galleggiamento di progetto W viene usata la lunghezza tra le perpendicolari PP B = (4 b) B T PP X M Il coefficiente di finezza prismatico longitudinale di carena è: P = (5 a) A M W o anche, molto spesso: P = (5 b) A M PP In pratica, il coefficiente di finezza prismatico di carena esprime il rapporto tra il volume di carena ed il volume del prisma ottenuto traslando per tutta la lunghezza la sezione maestra immersa di area A M. Il coefficiente di finezza prismatico verticale di carena è indicato con il simbolo PV ed è definito dal rapporto: PV = (6) A W TM In pratica, il coefficiente di finezza prismatico verticale di carena esprime il rapporto tra il volume di carena ed il volume del prisma ottenuto traslando per tutta l immersione T M la figura di galleggiamento di area A W. Ne scaturisce che il coefficiente di finezza prismatico longitudinale P (sarebbe più giusto indicarlo con P ) è un indice della distribuzione dei volumi lungo l asse X ed è, quindi, strettamente legato al diagramma delle aree delle sezioni immerse.

12 733 Dalle definizioni date risultano le seguenti relazioni (per brevità si omettono i pedici): per cui risulta anche: B B A M = = = B T A B T P M (7) M = = B T A T P PV M W W A W = B PV W (8) B = (9) M B = (10) W B = (11) P B = (12) PV Prima di procedere all elaborazione del piano di costruzione è opportuno che il progettista proceda ad un ulteriore e definitivo approfondimento di talune scelte fatte considerando la carena non solo nel suo insieme, ma anche nelle sue diverse parti. In una nave (meglio, in una carena) e, quindi, in un diagramma delle aree delle sezioni immerse, si distinguono - vedi figura 4 - le seguenti lunghezze e volumi: A - lunghezza del corpo poppiero (After body), dalla perpendicolare addietro a quella al mezzo, A - volume del corpo poppiero, volume della parte di carena a poppavia della sezione a metà nave, F - lunghezza del corpo prodiero (Fore body), dalla perpendicolare al mezzo a quella avanti, F - volume del corpo prodiero, volume della parte di carena a proravia della P sezione a metà nave, - lunghezza del corpo cilindrico (Parallel middle body), tratto del diagramma caratterizzato dal valore costante (e massimo) dell area delle sezioni [corrispondente, nel piano di costruzione, al tratto di lunghezza nave caratterizzato dall essere tutte le sezioni uguali per forma (e, quindi, di pari area)], P - volume del corpo cilindrico, caratterizzato dal valore costante (e massimo) dell area delle sezioni, R - lunghezza del corpo poppiero stellato (Run body), dalla perpendicolare

13 734 addietro alla prima sezione del corpo cilindrico, R - volume del corpo poppiero stellato, volume della parte di carena a poppavia del corpo cilindrico, E - lunghezza del corpo prodiero stellato (Entrance body), dalla ultima sezione del corpo cilindrico alla perpendicolare avanti, E - volume del corpo prodiero stellato, volume della parte di carena a proravia del corpo cilindrico. I coefficienti di finezza prima ricordati riguardano la carena nel suo complesso. Nel progetto della carena hanno importanza anche i seguenti coefficienti: A coefficiente prismatico del corpo poppiero PA = (13) A coefficiente prismatico del corpo prodiero coefficiente prismatico del corpo poppiero stellato A M F PF = (14) F A M R PR = (15) R A M P coefficiente prismatico del corpo cilindrico PP = = 1 (16) A coefficiente prismatico del corpo prodiero stellato coefficiente totale del corpo poppiero coefficiente totale del corpo prodiero coefficiente totale del corpo poppiero stellato coefficiente totale del corpo cilindrico coefficiente totale del corpo prodiero stellato P M E PE = (17) E A M BA BF BR BP BE A = (18) BT A F = (19) B T F R = (20) BT R P = (21) BT P E = (22) BT E Per una nave senza corpo cilindrico è: A = R = F = E = PP /2 Per cui, dividendo per PP, ed indicando con λ i relativi rapporti, si ottiene: λ A =λ R =λ F =λ E =1/2

14 735 In generale, sempre per una nave senza corpo cilindrico, è con per cui si ha: A F A = R e F = E = A + F = R + E la quale ricordando le (5b),(13), (14), (15) e (16) dà luogo a: PP A M P PP A M = PA + 2 PF PP A 2 M e, quindi: Analogamente si ha: PP A M P PP A M = PR + 2 P PE PP A 2 PA + PF PR + PE = = (23) 2 2 M B BA + BF BR + BE = = (24) 2 2 ome già detto, il baricentro dell area del diagramma delle sezioni immerse è il centro di carena B al galleggiamento di progetto. Sempre per una nave senza corpo cilindrico, l ascissa x B del centro di carena rispetto alla perpendicolare addietro - detti x A ed x F le distanza dalla stessa perpendicolare dei centri dei volumi del corpo poppiero A e di quello prodiero F - si può ottenere, applicando il teorema di Varignon: dalla quale si ricava: x B x = + x A A F F (25) x B A x 2 PA M PP A PF M PP F PA A PF F = = (26) P + A A M PP x x + 2 P x Per una nave con corpo cilindrico risulta essere: e PP = R + P + E (27)

15 736 Dalla (27) si ricava: = R + P + E (28) = P (29) R P E = λ R + λ + λe PP PP PP Dalla (28) - per le (5b), (15), (16) e (17) si ha: e, quindi, ed infine: Analogamente è: P PP A M = PR R A M + PP P A M + PE E A M P = PR λ R + PP λ P + PE λ E P = PR λ R + λ P + PE λ E (30) B = BR λ R + BP λ P + BE λ E (31) ascissa del centro di carena - detti x R, x P ed x E le distanza dalla PP AD dei centri dei volumi, rispettivamente, del corpo poppiero stellato, del corpo cilindrico e di quello prodiero stellato è dato da: e, quindi: R x R + p x p + E x E x B = (32) x x λ + x λ + PR R R P p PE E E B = (33) P x λ a lunghezza del corpo prodiero stellato E si può stimare facendo ricorso alla seguente formula: 2 E = V (34 a) nella quale la velocità di esercizio è in nodi e la lunghezza in metri, o alla formula equivalente: 2 = 6.3F (34 b) Alsen consiglia di usare la (34 a), ma con il coefficiente E Per quanto riguarda la lunghezza del corpo poppiero stellato R si può usare la formula di Baker: R = 4.08 A M (35) o quella di Alsen: n PP

16 737 BT R = 3.2 (36) B Per navi da carico monoelica e senza bulbo prodiero le lunghezze adimensionalizzate dei corpi stellati di poppa λ R e di prua λ E e del corpo cilindrico λ P possono essere determinate con le seguenti formule: E 3 2 λ E = = B B B (37) PP R 3 2 λ R = = B B B (38) PP P 3 2 λ P = = B B B (39) PP che sono state diagrammate in figura 5. Il grafico di figura 6, ricavato dalle formule (37) e (38), fornisce il rapporto λ E /λ R in funzione di B. FIG. 5

17 738 λ E /λ R IN FUNZIONE DI B. FIG a forma della poppa E evidente che il corpo stellato di poppa è quella parte della nave (ed in particolare della carena) che ha un ruolo fondamentale per molti aspetti (soprattutto di natura idrodinamica) ed almeno pari a quello del corpo stellato di prua. Ne scaturisce che le caratteristiche e la forma del corpo stellato di poppa devono ricevere particolare cura da parte del progettista. Il progettista nello studiare la forma del corpo stellato poppiero deve soddisfare diverse esigenze tra le quali sono di fondamentale importanza le seguenti:

18 realizzare una forma che minimizzi la resistenza al moto creando un flusso regolare che eviti il distacco della vena fluida e generi una scia accettabile; 2. realizzare una forma che assicuri un buon flusso d acqua al propulsore, in modo da migliorarne l efficienza propulsiva; 3. realizzare forme di poppa tali che il propulsore possa essere alloggiato realizzando distanze dallo scafo le più ampie possibili, in modo che non vengano indotte vibrazioni allo scafo ed alla linea d assi; 4. realizzare una buona collocazione del timone sia rispetto al propulsore che allo scafo, in modo da assicurare un efficiente flusso allo stesso e realizzare buone qualità di manovrabilità e di stabilità di rotta; 5. produrre forme tali da facilitare la realizzazione di quelle particolari strutture destinate a supportare l albero portaelica ed il timone, nonché ad assicurare uno spazio idoneo ad alloggiare l apparato di governo del timone e ad eseguire la manutenzione dello stesso; 6. realizzare forme che semplifichino (per quanto possibile) il complesso delle strutture del corpo stellato di poppa in modo da contenere i costi ed i tempi di costruzione della nave; 7. realizzare un volume del corpo tale da contribuire in modo adeguato alle esigenze del carico e/o del particolare servizio cui la nave è destinata ed assicurare una notevole riserva di spinta; 8. realizzare una zona di ponte a poppa tale - per larghezza e per forma - da consentire una razionale collocazione di tutto quanto necessario per l ormeggio ed il tonneggio; 9. realizzare una forma dell opera morta - in particolare per talune navi da passeggeri - che ne migliori l estetica. Poiché il corpo stellato di poppa è composto da due parti, una immersa e l altra emersa, è evidente che la forma di ciascuna parte deve soddisfare esigenze diverse. Quelle di cui ai punti da 1 a 4 riguardano esclusivamente la parte immersa, quelle di cui ai punti da 7 a 9 riguardano esclusivamente la parte emersa, mentre quelle di cui ai punti 5 e 6 riguardano entrambe le parti. e esigenze relative alla parte immersa, in generale, vengono soddisfatte con forme molto sottili e bene avviate; quelle relative alla parte emersa, con forme piene, squadrate e larghe. Ne scaturisce che le due parti avranno forme molto diverse tra loro, ma tali da costituire un tutt uno armonico e razionale, senza presentare discontinuità nella zona del galleggiamento di progetto (frontiera delle due parti). E evidente che, per ciascuna parte (immersa ed emersa) del corpo stellato di poppa, le esigenze dette non possono essere soddisfatte tutte in modo assoluto, per cui è necessario optare per un intelligente compromesso che, a seconda dei casi, ne privilegi alcune rispetto ad altre, ed un ulteriore compromesso dovrà armonizzare tra loro le due parti.

19 740 Per alcuni tipi di navi la forma della poppa deve essere particolarmente studiata anche in relazione a specifiche esigenze connesse alle particolari caratteristiche del carico (è il caso, ad esempio delle navi ro-ro per la presenza del portellone poppiero). Parte emersa del corpo stellato di poppa. Fino a pochi anni prima della II Guerra Mondiale, la quasi totalità delle navi, mercantili e militari, era dotata di una forma poppiera dell opera morta detta a poppa mercantile o ellittica. Successivamente, detta forma è stata adottata sempre meno anche se, ancora oggi, alcune navi mercantili la adottano. I piani di costruzione di cui alle figure 1, 2 e 3 presentano tutti forma poppiera dell opera morta a poppa mercantile o ellittica. Osservando le false linee d acqua (cioè quelle relative all opera morta) si osserva che esse hanno forma ellittica. a volta di poppa è molto slanciata ed ha, sul piano diametrale, un profilo poco incurvato o addirittura rettilineo. ol passare degli anni, la poppa ellittica o mercantile si andò evolvendo. Nella figura 7 è riportata una poppa ellittica o mercantile nella quale la volta di poppa (quasi rettilinea) presenta uno spigolo (detto spigolo del bindone) prodotto dal divenire decisamente rettilinee e POPPA EITTIA O MERANTIE FIG. 7

20 741 on diversa inclinazione le ordinate e le longitudinali. o spigolo del bindone era in corrispondenza della linea dell orlo a murata del ponte superiore (in particolare nelle piccole navi) o al di sotto del detto orlo (nelle grandi navi) o al di sopra (sul corso di cinta al disopra del trincarino). Nelle navi di linea per passeggeri (transatlantici) la poppa mercantile o ellittica subì una particolare trasformazione che è presentata nella figura 8. a volta di poppa ha longitudinali rettilinee e ordinate a lieve curvatura; l opera morta presenta due spigoli di bindone; a partire dal primo spigolo le linee cambiano inclinazione, oltre il secon- POPPA EITTIA O MERANTIE PER TRANSATANTII FIG. 8 do spigolo esse diventano verticali; ciò al fine di aumentare la lunghezza dell opera morta (e di conseguenza la superficie ed il volume da destinare al servizio della nave) e semplificare la costruzione. Di particolare interesse è la zona a cavallo del galleggiamento di progetto, cioè di passaggio dalla parte bassa dell opera morta alla parte alta dell opera viva, caratterizzate da esigenze molto diverse ed addirittura contrastanti. In particolare si noti come si è realizzata una lunghezza al galleggiamento maggiore grazie alla sporgenza, detta naso che, come si vedrà in seguito, migliora anche le prestazioni della parte immersa. Una particolare poppa mercantile o a volta è quella che ancora oggi viene adottata per i rimorchiatori e presentata in figura 9. Qui lo spigolo di bindone è in corrispondenza dell orlo del ponte a murata e la parte sovrastante ha

21 742 superficie rivolta verso l interno della nave, ciò per consentire il contatto del bottazzo con altra nave senza danneggiare l impavesata e per evitare l imbarco d acqua sul ponte quando il rimorchiatore è in marcia indietro in mare mosso. POPPA MERANTIE O A VOTA PER RIMORHIATORI FIG. 9 Può considerarsi come ulteriore sviluppo della poppa mercantile o ellittica quella detta a torpediniera - vedi figura 10 - ideata agli inizi del 1900 e largamente adottata fino alla II Guerra Mondiale dalle marine militari per le unità siluranti. o spigolo di bindone viene sostituito da un raccordo con piccolo raggio di curvatura, ubicato in corrispondenza del galleggiamento di progetto, tra l opera viva e quella morta. a parte superiore dell opera morta poppiera è caratterizzata da murate incurvate verso l interno mentre le false linee d acqua continuano ad essere ellittiche. a particolare configurazione della poppa ad incrociatore faceva sì che la lunghezza al galleggiamento fosse notevolmente più grande di quella tra le perpendicolari. Di concezione abbastanza diversa dalla poppa mercantile o ellittica è quella detta a canoa, così chiamata perché le false linee d acqua (cioè quelle della parte emersa) del corpo poppiero - vedi figura 11 - hanno lo stesso andamento delle linee d acqua della parte immersa e sono caratterizzate dall essere sottili, quasi rettilinee e con chiusura curva (ellittica), ma di limitata larghezza. Tale forma di poppa - ideata all inizio del 1900 per navi militari veloci bielica (fino a 38 nodi) ed adottata per circa 30 anni - non ebbe impiego nelle navi mercantili. a poppa ad incrociatore (cruise stern), detta pure poppa tonda (round stern), fu quella caratteristica per le omonime navi militari realizzate fino alla fine della II Guerra Mondiale. Già a partire da alcuni anni dopo la I Guerra Mondiale la poppa ad incrociatore fu adottata per quasi tutte le navi mercantili e ancora adesso, a volte, trova impiego. Il suo nome - vedi figura 12 - deriva dalla forma della volta che ha le longitudinali tondeggianti e proseguono con lo stesso

22 743 andamento per tutta la parte emersa. e false linee d acqua ricordano ancora quelle della poppa mercantile o ellittica, ma hanno una lieve curvatura fino al tratto di chiusura che è con forte curvatura. POPPA A TORPEDINIERA FIG. 10 POPPA A ANOA FIG. 11

23 744 POPPA AD INROIATORE TONDA FIG. 12 a poppa a specchio o quadra o tronca (transom or square stern) può essere considerata come il risultato autonomo di studi relativi a navi molto veloci o come ulteriore sviluppo della poppa ad incrociatore finalizzata soprattutto alla riduzione dei tempi e dei costi di costruzione e, per talune navi (ad esempio ro-ro), per soddisfare le particolari esigenze connesse alla movimentazione del carico (ad esempio, imbarco e sbarco di veicoli su gomma) o ancora per aumentare la superficie del ponte a poppa e facilitare il lavoro che su di esso si svolge (pescherecci per la pesca a strascico). a caratteristica peculiare di tale poppa, per quanto riguarda le navi mercantili, è che la parte terminale, detta specchio, è piana e verticale - vedi figura 13 - o piana ma inclinata verso l esterno (entrambe, quindi a coda tronca ) o con lieve curvatura in senso trasversale [verticale o inclinata verso l esterno (vedi figura 14)] o con lieve curvatura in senso verticale. Per quanto riguarda, invece, le navi militari e quelle con velocità relativa molto elevata, oltre alla parte terminale tronca e piana, si ha anche che la larghezza della parte emersa del corpo poppiero è quasi costante e spesso uguale a quella massima della nave. Una particolare poppa a specchio, detta a transom immerso è adottata in navi a sostentamento idrodinamico; essa può essere o con specchio piano (verticale o inclinato verso l esterno) o costituito da due metà piane formanti tra loro uno spigolo in corrispondenza del piano di simmetria (vedi figura 15), ma in entrambi i casi lo specchio è immerso a nave ferma o a velocità molto basse, mentre è completamente emerso a velocità di esercizio. Gli attacchi tra i fianchi ed il fondo e tra i fianchi e lo specchio sono a spigoli vivi.

24 745 POPPA A SPEHIO PIANO E VERTIAE FIG. 13 POPPA A SPEHIO ONVESSO ED ININATO FIG. 14

25 746 POPPA A SPEHIO IMMERSO ED A V FIG. 15 a poppa a specchio è ormai largamente adottata per moltissime tipologie di navi mercantili e militari. a poppa a specchio riduce i costi di costruzione (in quanto riduce o elimina le superfici a maggiore curvatura) e consente di realizzare un maggior spazio per la razionale collocazione delle apparecchiature di ormeggio e tonneggio. Per quelle navi per le quali è opportuno avere larghezze nel corpo poppiero uguali o poco più piccole di quella massima (navi da crociera, ro-ro, portacontenitori, ecc.) la poppa a specchio è soluzione obbligata. Per taluni tipi di navi, come le ro-ro, le ro-ro-container e le car-carrier, molto spesso la poppa a specchio subisce una radicale trasformazione dovuta alla presenza del portellone di imbarco-sbarco che può essere disposto anche in senso non trasversale, come mostrato nella seguente fotografia. a poppa a specchio (in parte immersa) è largamente adottata anche per i pescherecci, per i seguenti motivi: disporre di una più ampia superficie di ponte a poppa (con la conseguenza di meglio disporre le attrezzature da pesca e rendere più agibile la zona di lavoro), semplificare la geometria delle strutture (superfici piane o a semplice e lieve curvatura), aumentare notevolmente la stabilità statica trasversale e quella longitudinale 6. 6 Purtroppo, con mare di poppa e per un non piccolo campo di velocità nave rispetto alla celerità dell onda, la poppa a specchio rappresenta un elemento di pericolo, specialmente se l aumentata stabilità statica di forma (trasversale e longitudinale) è utilizzata per ridurre la stabilità di peso (innalzando il baricentro). Infatti, nel moto di beccheggio - particolarmente gravoso con mare di poppa - la forma del corpo poppiero comporta la emersione della parte estrema con drastica riduzione della figura di galleggiamento e, quindi, della stabilità trasversale e longitudinale. Tali circostanze (unitamente ad una non conoscenza da parte del personale di bordo della risposta della nave al mare mosso in particolari andatura e velocità) fanno sì che non sono infrequenti gravi sinistri.

26 a parte emersa del corpo poppiero può assumere forme particolari quando, per ridurre drasticamente i tempi ed i costi di costruzione, si adotta una forma costituita da un insieme di superfici piane. a prima nave con queste caratteristica fu la bulk carrier Jag Dev - realizzata nei cantieri Blohun und Voss in Amburgo e consegnata nel 1968 (vedi figura 16) alla Great Eastern Shipping di Bombay. Ovviamente anche queste navi hanno poppa a specchio. 747

27 748 FIG. 16 Questa breve rassegna delle diverse tipologie della parte emersa del corpo stellato di poppa non esaurisce il vasto insieme che le comprende, tuttavia, è stata fatta non solo per dare un idea dello sviluppo che si è avuto nel tempo, ma anche per porre in evidenza come le diverse esigenze sono state soddisfatte. Parte immersa del corpo stellato di poppa. Il progetto della parte immersa del corpo stellato di poppa ha fondamentale importanza per il soddisfacimento delle caratteristiche idrodinamiche ed idrostatiche che la nave dovrà avere. In generale il progettista dovrà porre la massima attenzione per:

28 realizzare una forma che minimizzi la resistenza al moto, creando un flusso regolare che eviti il distacco della vena fluida e generi una scia accettabile; 2. realizzare una forma che minimizzi gli effetti negativi del risucchio dell elica; 3. realizzare una forma che assicuri un buon flusso d acqua al propulsore, in modo da migliorarne l efficienza propulsiva; 4. realizzare forme di poppa tali che il propulsore possa essere alloggiato realizzando distanze dallo scafo le più ampie possibili, in modo che non vengano indotte vibrazioni allo scafo ed alla linea d assi; 5. realizzare un volume in grado di assicurare il migliore assetto alla nave; 6. realizzare una buona collocazione del timone sia rispetto al propulsore che allo scafo, in modo da assicurare un efficiente flusso allo stesso e realizzare buone qualità di manovrabilità e di stabilità di rotta. Per quanto riguarda la separazione del flusso d acqua c è da ricordare che essa non dipende solo dalla forma della poppa, ma anche dal propulsore. Il risucchio del propulsore in una nave monoelica produce il richiamo delle linee di flusso verso il disco dell elica, di conseguenza, le linee di flusso sono portate a seguire percorsi analoghi a quello delle linee della carena, riducendo e spesso evitando il distacco delle linee di flusso dalla stessa. Diversa è la situazione nelle navi bielica dove ciascuna elica richiama l acqua verso il proprio disco, per cui, i filetti fluidi sono portati ad abbandonare la traiettoria che è analoga alle linee di carena ed a convergere verso l elica che esercita il richiamo. a forma della carena può generare la separazione del flusso se presenta discontinuità o curvature molto pronunciate. e curvature in senso longitudinale (nel piano orizzontale) dovrebbero essere tali che in nessun punto di una linea d acqua la tangente ad essa formi un angolo i R con la retta longitudinale (parallela all asse X principale della nave) uguale a 15, valore che, secondo il Kempf, delimita il campo al disotto del quale non vi è separazione del flusso; secondo il Baker, raggiunto il valore i R =20 la separazione del flusso è inevitabile. e curvature in senso longitudinale (nel piano verticale) dovrebbero essere tali che in nessun punto di una longitudinale la tangente ad essa formi un angolo j R con la retta parallela all asse X superiore a 20. I detti due valori (i R e j R ) sono impossibili da realizzare ovunque per carene aventi un valore molto elevato del coefficiente di finezza B e sono difficili da realizzare in altre carene in alcune zone, in particolare dove la volta di poppa si raccorda con il dritto dell elica. Valori j R >20 non destano preoccupazioni se riguardano superfici costituenti il fondo della carena o di corpi di essa (ad es. ringrossi poppieri, detti anche bulbi). Valori molto piccoli di i R dovrebbero essere realizzati nella parte terminale delle linee d acqua a quote interessanti il disco dell elica. Ove ciò non sia possibile è consigliabile disegnare linee d acqua con angoli i R piccoli per un tratto della linea d acqua quanto più lungo è possibile ed assegnare un valore molto più grande di quello limite (i R =20 ) nella sola parte di chiusura della stessa.

29 750 E evidente che la posizione del propulsore (o dei propulsori) è di fondamentale importanza sia per gli effetti del risucchio che per assicurare al propulsore un buon flusso d acqua; inoltre, occorre garantire al propulsore un idoneo battente d acqua in ogni condizione di carico, compresa quella più gravosa che corrisponde alla nave in zavorra e con il 10% dei consumabili a bordo. esperienza consiglia che la distanza tra il galleggiamento ed il punto più alto del disco dell elica sia non inferiore a 0.10 D, essendo D il diametro dell elica. ome già detto, per navi monoelica e se l elica ha un diametro normale, cioè tale da realizzare un valore del rapporto tra diametro D ed immersione di progetto T D T 0.75 un buon flusso d acqua all elica è favorito realizzando forme del corpo stellato poppiero che assicurino linee d acqua con un angolo di chiusura piccolo e comunque non superiore a 30. In taluni casi questo può essere ottenuto solo forzando la posizione longitudinale del centro di carena verso proravia; è il caso del corpo stellato di poppa immerso di cui alla figura 10, nel quale il volume della parte estrema è minimo. Nel caso di eliche di grande diametro (inteso in senso relativo), cioè tali che D T > 0.75 è più difficile realizzare un idoneo battente d acqua ed un buon flusso al disco dell elica, per cui il progettista, molto spesso, deve adottare una delle seguenti soluzioni: A) Eliminare il calcagnolo (se è stato già previsto) ed adottare un timone sospeso. B) Se il calcagnolo non era stato previsto, far sporgere il disco dell elica oltre la linea di costruzione. Tale opzione è frequentemente realizzata per navi militari in quanto si accetta il vantaggio notevole di un elica di maggior diametro rispetto al limitato svantaggio di esporre l elica al pericolo (in verità remoto, stante, in generale, la ridotta immersione di progetto) di urto su fondali ridotti. Al contrario, tale soluzione non è accettata, di norma, dagli armatori di navi mercantili, in particolare se con elevate immersioni, temendo di poter avere limitazioni di ormeggio nei porti da frequentare e per le complicazioni derivanti durante l immissione della nave in bacino. Il progettista, però, ha il dovere di prospettare tale soluzione all armatore se il maggior valore del diametro comporta vantaggi assai consistenti. ) Per navi piccole - quali pescherecci, rimorchiatori, ecc. - la soluzione più conveniente e generalmente adottata e quella di realizzare una nave con differenza di immersione, cioè con una linea di costruzione

30 751 inclinata (vedi figura 17). Infatti, per tali navi, di limitata immersione di progetto, un aumento dell immersione poppiera non pregiudica l operatività della nave (fondali idonei sono presenti in tutti i porti). Al contrario tale soluzione non viene praticata per medie e grandi navi, non solo perché, di norma, l immersione di progetto è già grande (spesso il valore massimo è un dato di progetto), ma soprattutto perché l inclinazione della linea di costruzione rende diverse tutte le ossature (molto numerose rispetto a quelle di una piccola nave) con conseguente aumento dei tempi e dei costi di progettazione e di realizzazione. Nel caso di grandi navi con elevata velocità relativa tale soluzione dovrebbe essere presa in considerazione - se è possibile soddisfare egualmente il dato di progetto che vincola il valore massimo dell immersione - in quanto il vantaggio di migliorare notevolmente l efficienza propulsiva (con eliche di maggior diametro) potrebbe compensare gli svantaggi di tipo costruttivo. D) Adottare una poppa a tunnel, detta anche poppa integrata, in modo da convogliare l acqua verso l alto ed alimentare tutto il disco dell elica. E) Prolungare le linee di poppa in modo che giungano fin quasi al galleggiamento di progetto, così facendo si può arretrare l elica sistemandola in una sezione nella quale si abbia altezza maggiore del diametro D dell elica. Tale soluzione, di solito, migliora la resistenza al moto ed assicura un flusso regolare all elica ed al timone. Occorre però far sì che la superficie di chiusura della poppa (in particolare se è a specchio) sia immersa, ma di poco. eliminazione del calcagnolo e, quindi, l adozione di un timone sospeso, è una soluzione già da molto tempo adottata (si veda la figura 10) e che ormai rappresenta quasi la norma. PESHEREIO ON ARENA A DIFFERENZA DI IMMERSIONE FIG. 17

31 752 a soluzione che consiste nel configurare in modo molto semplice a tunnel l opera viva del corpo poppiero è adottata quasi sempre in battelli fluviali caratterizzati da una immersione di progetto (pieno carico) molto piccola. In tal caso il diametro D dell elica non è grande, ma elevato è il rapporto D/T essendo piccolo T. a configurazione a tunnel, estesa per una congrua lunghezza della carena, consente di alimentare con un flusso regolare tutto il disco dell elica anche in condizione di nave non a pieno carico tale che una parte del disco dell elica si trovi al disopra della linea di galleggiamento. ome è noto, aumentare il diametro dell elica come conseguenza di una riduzione del numero di giri è una soluzione auspicata dall armatore, in quanto comporta - per navi mercantili di grande portata e bassa velocità - di adottare un motore diesel lento (da 60 a 100 giri al minuto) accoppiato direttamente all elica, con un notevole risparmio nell esercizio della nave (basso consumo e combustibile meno costoso) ed un discreto risparmio nelle spese di investimento (assenza del riduttore). Tale soluzione, che sicuramente comporta un più elevato rendimento dell elica, può presentare l inconveniente di realizzare una diminuzione del rendimento di scia, tanto che il rendimento propulsivo totale può risultare inferiore a quello di un elica di diametro minore e numero di giri maggiore. Per ovviare a tale inconveniente sono state realizzate forme poppiere dell opera viva dette a volta integrata idonee alla sistemazione di un elica di grande diametro e di forma tale da migliorare i coefficienti di scia e risucchio. Due versioni di poppa a volta integrata sono riportate delle figure 18 e 19. albero portaelica esce da un corpo di forma particolare, detto bulbo di poppa, più evidente nella poppa a volta integrata di figura 19. FIG. 18 on tale forma della poppa è possibile adottare un diametro dell elica molto grande e di poco inferiore all immersione di pieno carico della nave; infatti, anche quando il carico a bordo è inferiore alla portata lorda, la forma a tunnel produce un effetto accelerante che richiama l acqua al disopra della linea

32 753 di galleggiamento (non di pieno carico) riuscendo ad alimentare tutto il disco dell elica con un buon flusso d acqua ed ottenere una scia abbastanza uniforme. Uniformando la scia si riducono le forze fluttuanti agenti sull albero dell elica e, di conseguenza le vibrazioni indotte; convogliando il flusso si riduce notevolmente il pericolo dell insorgere della cavitazione dell elica. Tali vantaggi si conservano anche in condizioni di mare mosso da poppa o da prua, migliorando la resistenza addizionale connessa. In definitiva, il vantaggio economico per l armatore (soprattutto nell esercizio della nave) è tale da compensare il maggior costo di costruzione che la poppa a volta integrata comporta per la sua geometria non semplice. FIG. 19 adozione di un bulbo di poppa per uniformare il flusso d acqua all elica, è vantaggiosa nel caso di grandi navi mercantili monoelica ad alto valore del coefficiente di finezza totale B e con velocità relativa elevata. Infatti, per tali condizioni, il bulbo poppiero aumenta il rendimento propulsivo (grazie alla migliore distribuzione della scia) e riduce il distacco della vena fluida, anche se produce una resistenza di forma dovuta al bulbo. Nelle figure 20 sono riportate le linee isoscia di una stessa nave con poppa tradizionale e con poppa con bulbo, alla stessa velocità. Nella figura 21 è riportato il diagramma del fattore di scia w 1 V V A = in funzione dell angolo ϕ misurato alla periferia del disco dell elica (r/r=1) ed alla sezione circolare di raggio r=0.7 R, per le due condizioni dette, mentre nella figura 22 sono riportate le curve della potenza in HP in funzione della velocità in nodi per le due navi; come è posto in evidenza con una potenza di HP, la nave con bulbo poppiero raggiunge i 17.5 nodi contro i 16.9 nodi della nave senza bulbo con un incremento del 3.5%.

33 754 NAVE A POPPA TRADIZIONAE FIG. 20 NAVE A POPPA ON BUBO POPPA TRADIZIONAE POPPA ON BUBO FIG. 21

34 755 FIG. 22 Nello scegliere se adottare o meno un bulbo di poppa per una nave monoelica va tenuto presente che esso ha i seguenti effetti: effetti negativi aumenta il coefficiente di risucchio aumenta la resistenza al moto aumenta il costo di costruzione effetti positivi migliora il rendimento rotativo aumenta il rendimento dell elica dietro carena riduce il rischio di cavitazione riduce le vibrazioni indotte allo scafo riduce le sollecitazioni all albero portaelica a carena con poppa integrata, con o senza bulbo, bene si adatta alla forma della poppa a specchio dell opera morta, per cui diverse tipologie di navi adottano la poppa a volta integrata e con specchio. Quanto fino ad ora detto è con riferimento alle navi con propulsione monoelica. Nel caso di navi bielica, l avere ripartita la spinta necessaria comporta che il diametro delle due eliche è tale da realizzare D/T<0.7, con un valore del diametro e del numero di giri tali da ottimizzare il rendimento, ed in generale senza comportare difficoltà per la sistemazione delle eliche e dei timoni. a forma del corpo stellato poppiero per navi bielica deve essere tale da tenere

35 756 separati i flussi alle due eliche e da garantire ad esse un flusso regolare. e soluzioni oggi più usate sono quelle dette a twin skeg nelle quali rientrano quelle delle figure 23 e 24. SEMI-TRASVERSAE DI UN ORPO POPPIERO A TWIN SKEG FIG. 23 SEMI-TRASVERSAE DI UN ORPO POPPIERO A TWIN SKEG FIG. 24

36 757 Qualunque sia la forma del corpo stellato poppiero occorre garantire idonee distanze tra elica e carena (soprattutto per ridurre le vibrazioni indotte) e tra elica e timone (per garantire un buon flusso al timone). I registri di classificazione consigliano valori al disotto dei quali non bisogna andare. Nella tabella si riportano i valori consigliati e quelli minimi delle distanze indicate dal loyd s Register per propulsione monoelica, figura 25-a, e bielica, figura 25-b, a seconda del numero Z delle pale; detti valori sono in funzione del diametro D dell elica e del fattore K ricavabile con la formula: 2.56 B PD K= dove è la lunghezza tra le perpendicolari in metri, B è il coefficiente di finezza totale di carena e P D è la potenza al mozzo dell elica in KW. VAORI DEE DISTANZE ONSIGIATE E MINIME ATTORNO A PROPUSORE monoelica bielica Z a b c d e f K D K D 1.12 K D 0.03 K D 1.20 K D 1.20 K D K D K D 1.12 K D 0.03 K D 1.00 K D 1.00 K D K D K D 1.12 K D 0.03 K D 0.85 K D 0.85 K D K D K D 1.12 K D 0.03 K D 0.75 K D 0.75 K D Minimo valore 0.10 K D 0.15 D t R - 3 e 4 pale: 0.20 D 5 e 6 pale: 0.16 D 0.15 D a b DISTANZE ONSIGIATE E MINIME ATTORNO A PROPUSORE FIG. 25

37 758 6 a forma della prua. E evidente che il corpo stellato di prua 7 è quella parte della nave (ed in particolare della carena) che ha un ruolo fondamentale per molti aspetti (soprattutto di natura idrodinamica) ed almeno pari a quello del corpo stellato di poppa. Ne scaturisce che le caratteristiche e la forma del corpo stellato di prua devono ricevere particolare cura da parte del progettista. Il progettista, nello studiare la forma del corpo stellato prodiero, deve soddisfare diverse esigenze tra le quali sono di fondamentale importanza le seguenti: 1. realizzare una forma che minimizzi la resistenza al moto soprattutto le componenti di resistenza d onda e di forma; 2. realizzare forme che migliorino il comportamento in mare mosso; 3. realizzare una forma che consenta una idonea collocazione (se prevista) di una o più eliche trasversali di manovra; 4. realizzare forme che semplifichino (per quanto possibile) il complesso delle strutture del corpo stellato di prua in modo da contenere i costi ed i tempi di costruzione della nave; 5. realizzare una zona di ponte a prua tale - per larghezza e per forma - da consentire una razionale collocazione di tutto quanto necessario per l ormeggio ed il tonneggio; 6. realizzare per talune navi (traghetti con portellone di sbarco prodiero, rimorchiatori-spintori, ecc.) - una forma di prua adatta alle particolari esigenze del servizio 7. realizzare una forma dell opera morta - in particolare per talune navi da passeggeri - che ne migliori l estetica. Poiché il corpo stellato di prua è composto da due parti, una immersa e l altra emersa, è evidente che la forma di ciascuna parte deve soddisfare esigenze diverse. Quelle di cui ai punti da 1 a 3 riguardano esclusivamente la parte immersa, quelle di cui ai punti 5 a 7 riguardano esclusivamente la parte emersa, mentre quella di cui al punto 4 riguarda entrambe le parti. Stanti le diverse esigenze, la forma delle due parti sarà diversa, ma raccordate nella zona del galleggiamento di progetto (frontiera delle due parti) in modo da costituire un tutt uno armonico e razionale. 7 a prora - forma dotta dal latino prora derivato dal greco πρωρα, composto da προ (=avanti) - o prua è, in senso stretto, la parte avanti della nave che, nelle costruzioni moderne, è delimitata dalla paratia di collisione. Il corpo prodiero è la metà nave avanti, il corpo stellato prodiero e la parte avanti al corpo cilindrico di una nave.

38 759 E evidente che, per ciascuna parte (immersa ed emersa) del corpo stellato di prua, le esigenze dette non possono essere soddisfatte tutte in modo assoluto, per cui è necessario optare per un intelligente compromesso che, a seconda dei casi, ne privilegi alcune rispetto ad altre, ed un ulteriore compromesso deve esistere per armonizzare tra loro le due parti. a parte emersa del corpo stellato di prua. Fino a pochi anni prima della II Guerra Mondiale, la quasi totalità delle navi, mercantili e militari, era dotata di dritto di prua che si estendeva in carena e nell opera morta. Tale estremità verticale (prua dritta) era realizzata da una trave la cui parte inferiore (piede del dritto) era opportunamente sagomata per consentire un idoneo collegamento (chiodato) con la chiglia. I corsi di fasciame dei fianchi (carena ed opera morta) venivano chiodati direttamente sul dritto. Oggi una tale forma di prua (realizzata in modo diverso per l uso della saldatura) viene usata frequentemente solo per bette di tipo convenzionale (Bt), bette autoscaricanti [BT (aut)], bettoline (Btl), chiatte (h), chiatte cisterne (h st), pontoni da carico in coperta (Ptn), pontoni da sollevamento (Ptn Soll), ecc. cioè per quelle navi caratterizzate da elevatissimi valori di B (> 0.90), fondo piatto (o quasi) e velocità molto basse (<6 nodi). Tale forma di prua detta prua a cuneo, vedi figura 26 - presenta un semiangolo di apertura che può giungere fino a 45. FIG. 26

39 760 a prua con dritto verticale, o più frequentemente quasi verticale, è adottata ancora, abbastanza comunemente, in navi fluviali, per passeggeri (vedi figura 27) o da carico. a parte emersa della prua assume, in taluni tipi di navi, forme particolari necessarie per soddisfare particolari esigenze connesse al servizio. E il caso, ad esempio, della nave multi-purpose cargo Frances Bay (foto è in figura 28). Nave River loud II dotata di prua con dritto semiverticale FIG. 27 Tranne questi casi particolari, la forma dell opera morta del corpo stellato di prua si realizza con la parte terminale slanciata e con murate più o meno svasate vedi figura 29 - in modo da ottenere volumi rapidamente crescenti all aumentare dell immersione, al fine di costituire una notevole riserva di spinta a prua per contrastare il moto di sussulto e soprattutto quello di beccheggio. Una tale forma è anche necessaria per realizzare una superficie di ponte di coperta (o di castello) sufficientemente ampia ed idonea a ricevere i diversi macchinari necessari per le operazioni di ormeggio e tonneggio (vedi figura 30).

40 761 Nel definire la svasatura delle murate del corpo stellato di prua si deve però tenere presente che se essa è molto accentuata si avrà un maggiore incremento di resistenza al moto per mare mosso. FIG. 28 FIG. 29

41 762 o slancio in avanti del profilo della prua, in particolare, contribuisce ad evitare l imbarco d acqua sul ponte in condizioni di mare ondoso. Sistemazioni di prua di quanto necessario per l ormeggio ed il tonneggio (ad un solo verricello salpa-ancora) FIG. 30 estremità del corpo stellato di prua, così come ora sommariamente descritto, presenta anche il vantaggio, nel caso in cui essa vada a collidere con il fianco di un altra nave, di impattare per prima con la sua parte slanciata in avanti contro l opera morta della nave investita. Ove non fosse presente lo slancio o lo stesso fosse molto poco accentuato, l impatto avverrebbe contro la carena causando una falla che potrebbe compromettere la sopravvivenza della nave collisa. on la prua slanciata e svasata l impatto genererà alla nave investita danni all opera morta più estesi in larghezza che non in profondità (minore penetrazione) anche a motivo del concomitante effetto del moto traslatorio trasversale e della rotazione attorno all asse longitudinale causato dall urto sulla parte più alta dell opera morta della nave collisa. Ove mai la nave investitrice

42 763 fosse dotata di bulbo o l energia d urto fosse particolarmente grande, si potrebbe produrre anche un danno in carena, ma la falla sarebbe sicuramente di dimensioni (altezza, larghezza e penetrazione) minori con la conseguenza che la nave investita avrebbe maggiori probabilità di sopravvivenza e, in caso negativo, maggiore tempo di sopravvivenza. Il progettista, di norma progetta la prua per soddisfare molte esigenze e non anche in relazione alle conseguenze di una eventuale collisione (prua slanciata-svasata e con strutture tali da collassare facilmente assorbendo la maggiore energia d urto possibile), mentre sarebbe opportuno che lo facesse. a parte immersa del corpo stellato di prua. e prime navi da carico in acciaio furono realizzate con profilo di prua verticale, cioè con prua dritta (o prua a dritto verticale). Ben presto si preferì inclinare leggermente il dritto realizzando così la prua a dritto inclinato. e navi con prua a dritto inclinato, comunque, continuavano ad avere la superficie dei fianchi del corpo stellato di prua leggermente svasata sia in carena che nell opera morta, tanto che quest ultima appariva come la semplice continuazione della carena, come mostra la figura 31; inoltre, le linee d acqua erano con un piccolo angolo di apertura ed all estremità non presentavano alcun arrotondamento, formando un evidente tagliamare ; invece, le false linee d acqua, pur avendo angolo di apertura quasi uguale a quelle della carena, presentavano l estremità arrotondata. ol passare del tempo si passò alla prua slanciata o a clipper nella quale - vedi figura 32 - il dritto di prua si inclinava maggiormente (restando rettilineo o, in alcuni casi, incurvandosi leggermente nella parte relativa all opera morta) assumendo il nome di slancio di prua, mentre le sezioni presentavano una svasatura via via crescente andando verso l alto. Anche in questo caso la superficie dei fianchi dell opera morta non era altro che la continuazione (anche se con svasatura lievemente maggiore) di quella della carena. a carena di una nave con prua slanciata ha linee d acqua con angolo di apertura tanto più piccolo quanto maggiore è la velocità, e senza raccordo (tagliamare) o con piccolissimo raccordo. Nella figura 33 è presentata la nave da crociera Gezanne 8 durante il varo avvenuto (1998) nel cantiere SMEB di Messina. a nave, progettata per navigazione fluviale e marittima, presenta una caratteristica prua slanciata ed ha le seguenti caratteristiche principali: OA =122.5 m, PP =116.9 m, B=11.2 m, 8 E stata detta nave del Giubileo in quanto impiegata subito su rotte particolari [da Avignone (città francese sul Rodano residenza papale nel XVIII secolo) a Roma (Fiumicino), toccando Arles, Monte arlo, annes, ivorno)].

43 764 D=7.1 m, D ponte alto =10.1 m, T=2.9 m, V=12.5 kn, portata=150 passeggeri in 75 cabine (di cui 4 suite e 5 royal suite). FIG. 31

44 765 FIG. 32 Una particolare prua slanciata è quella che fu largamente usata negli anni 60 del secolo trascorso e che veniva detta prua slanciata a sede d onda (vedi figura 34). Essa era caratterizzata da un incavo in senso longitudinale, su ambo i lati di prua, a avallo della linea di galleggiamento di progetto. a forma dell incavo era tale che le sezioni trasversali dell estremità prodiera presentavano una convessità abbastanza estesa al disopra del galleggiamento ed una concavità, meno estesa, al FIG. 33 disotto dello stesso. incavo produceva una figura di galleggiamento di pieno carico con l estremità molto più affinata e quindi in grado di produrre, alla velocità di esercizio, un onda di minore altezza e, quindi, una minore resistenza

45 766 d onda. a parte superiore dell incavo, di altezza pari all onda di prua generata, costituiva una guida all onda nel suo scorrere lungo il fianco della nave. In presenza di mare con moto ondoso, la detta sede d onda contribuiva a migliorare il comportamento della nave. Ovviamente una tale forma risultava non semplice a realizzare contribuendo in modo non lieve ad aumentare il costo ed il tempo di costruzione.. orpo stellato di prua con sede d onda FIG. 34 on l avvento delle grandi navi da carico, caratterizzate da elevati valori di B (>0.80) e velocità basse (<15 nodi), venne adottata di norma la prua cilindrica caratterizzata dall avere la carena con sezioni longitudinali rigorosamente verticali (prua cilindrica in senso stretto, vedi figura 35-a) o quasi verticali (prua cilindrica in senso lato, vedi figura 35-b).