Fisica. Per eccellenza è la scienza che si occupa dello dei fenomeni naturali

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1 Fisica dal latino Physica che a sua volta deriva dal greco ύ ς [physis], Ovvero "natura" Per eccellenza è la scienza che si occupa dello dei fenomeni naturali

2 La Fisica in barca Prof. Andrea Mura Dipartimento di Fisica Università di Cagliari

3 Grandezze Fisiche Velocità Forza La Fisica stabilisce leggi che legano tra loro le grandezze fisiche II Legge di Newton A raverso esse si può capire e prevede il comportamento sistemi fisici ( come le barche ad esempio)

4 Molte grandezze fisiche dipendono dalla loro intensità, direzione e verso: Spostamento Velocità Forza Pressione Altre solo dal numero che ne esprime l intensità(modulo): Energia Temperatura Volume

5 Le grandezze fisiche che dipendono dalla intensità, direzione e verso si comportano come i Ve ori (frecce) a b

6 Le grandezze fisiche che dipendono dalla intensità, direzione e verso si comportano come i Ve ori (frecce) a b

7 Le grandezze fisiche che dipendono dalla intensità, direzione e verso si comportano come i Ve ori (frecce) a b c=a+b Metodo Testa-Coda o del Parallelogramma

8 Le grandezze fisiche che dipendono dalla intensità, direzione e verso si comportano come i Ve ori (frecce) a c=a+b Metodo Testa-Coda o del Parallelogramma b

9 Barca trainata dalla riva F 1 F 2

10 Barca trainata dalla riva F 1 F 2

11 Barca trainata dalla riva F 1 F 2 Direzione del moto F T =F 1 +F 2

12 La barca a vela: Il suo mondo Fisico Aria (fluido 1) ρ Aria =1Kg/m 3 Le barche a vela sono proge ate per poter sfru are al meglio la Fisica che governa i due fluidi in cui essa opera Acqua (fluido ρ 2) Acqua =1000Kg/m 3

13 La barca a vela: Il suo mondo Fisico Aria (fluido 1) ρ Aria =1Kg/m 3 Acqua (fluido ρ 2) Acqua =1000Kg/m 3 Parti principali: 1 - randa 2 - fiocco 3 - spinnaker 4 - scafo 5 - deriva 6 - timone 7 - skeg 8 - albero 9 - crocette 10 - sartie 11 - scotta della randa 12 - boma 13 - albero 14 - tangone 15 - paterazzo 16 - strallo 17 - vang

14 Alcuni dei principali fenomeni fisici coinvolti nella Vita da Barca Galleggiamento, salvagenti Propulsione velica e stabilità di ro a Spinta di Archimed Portanza Armamento, ormeggio Comunicazioni; VHF, GPS, AIS, RADAR, ecoscandaglio Stumentazione, generatori eolici Computers, energie rinnovabili Tensioni Onde meccaniche e ele romagnetiche Ele romagnetism Energia e sua quantizzazione

15 Spinta di Archimede Consente di o enere: Galleggiabilità Stabilità La spinta di Archimede dipende dalla densità dei corpi rispe o alla densità del fluido in cui sono immersi Come e perche?

16 Spinta di Archimede: Galleggiamento Serbatoio d acqua in quiete Massa= m Volume=V Spinta Equilibratice Peso L equilibrio dell elemento di fluido impone che in modulo sia: Spinta Equilibratrice=Peso= mg mg = ρ Acqua Vg ρ= m/v =densità Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dall alto verso in basso pari al peso del fluido spostato Archimede di Siracusa: 200 A.C. circa

17 Spinta di Archimede: Galleggiamento ρ Legno = 0.75 Kg/Litro ρ Acqua =1Kg/Litro ρ Ferro =7.9Kg/Litro ρ Legno Volume=V ρ Acqua Volume=V ρ Acqua Volume=V A parità di volume poichè ρ Legno <ρ Acqua Il peso del cube o di legno è inferiore al peso del cube o d acqua GALLEGGIA ρ Ferro Volume=V A parità di volume poichè ρ Ferro >ρ Acqua Il peso del cube o di ferro è superiore al peso del cube o d acqua AFFONDA

18 Spinta di Archimede: Galleggiamento Ma allora dobbiamo necessariamente costruire le barche in materiali con densità minore di quella dell acqua? No perché con la stessa quantità di materiale e compatibilmente con la sua resistenza meccanica, possiamo costruire ogge i con forme e volumi differenti! Proviamo a costruire una protobarca con un metro cubo di ferro?

19 Spinta di Archimede: Galleggiamento 1m 1m 1m 140 lastre 1mx1m da 7.15 mm di spessore Ummh... Più che una barca mi sembra una za era 1m Ma una cosa è certa: La sua massa e uguale a quella del metro cubo di ferro di partenza (7900Kg) La sua superficie di base e di 100 m 2 L altezza delle sue pareti e di 1 m

20 Spinta di Archimede: Galleggiamento S Per i più curiosi. S=ρ Acqua V x g=p=m Cubo g P Posta in acqua la nostra protobarca si immerge nel liquido per 7.9 cm Profondità alla quale la spinta di Archimede eguaglia il peso della protobarca! La protobarca GALLEGGIA!!! ρ Acqua V x = ρ Acqua A base y x = m Cubo y x = m Cubo /(ρ Acqua A base )=7900Kg/[(1000kg/m 3 )x100 m 2 ]=7.9 x 10-2 m=7.9 cm

21 Spinta di Archimede: Galleggiamento 1m Se ospitiamo a bordo 40 ragazzi di 60 kg ciascuno (7900kg+2400kg=10300kg di massa totale) il bordo immerso passa da 7.9 cm a soli 10,3 cm! O ima riserva di galleggiabilità!

22 Spinta di Archimede: Galleggiamento S=ρ Acqua V op.viva g P=mg

23 Spinta di Archimede: Stabilità Sezione trasversale: Barca diri a S Effe o della gravità Baricentro Effe o della Spinta di Archimede Centro di Carena P S i

24 Spinta di Archimede: Stabilità Sezione trasversale: Barca diri a S Effe o Complessivo P

25 Spinta di Archimede: Stabilità Sezione trasversale: Barca sbandata S Centro di Carena Baricentro S Centro di Carena Baricentro P P Momento Raddrizzante BARCA STABILE!

26 Spinta di Archimede: Stabilità Stabilità di peso Stabilità di forma S Centro di Carena S Baricentro Zavorra P BARCA STABILE! P BARCA STABILE!

27 Spinta di Archimede: Stabilità Longitudinale S Baricentro P Coppia Raddrizzante S Centro di Spinta Baricentro P

28 Vento Apparente v Vento Se la barca naviga con una certa velocità, oltre al vento reale, sulla barca sentiremo una vento addizionale con velocità opposta a quella della barca -v Barca v Barca v Vento Situazione sulla barca v Apparente Triangolo delle velocita

29 Vento Apparente Il vento apparente è semp più a prua del vento reale v Vento -v Barca v Barca v Vento v Apparente Triangolo delle velocita

30 Portanza Portanza e Propulsione Velica

31 Portanza F F P= A Pressione Nei fluidi la pressione è sempre perpendicolare alla superficie su cui agisce F = PA

32 Portanza Se P 2 =P 1 P 1 P 2 ΔP=P 2 -P 1 =0 Se P 2 >P 1 ΔP=P 2 -P 1 >0 ΔP In condizioni dinamiche ΔP=Portanza P 1 P 2 Sulla superficie A si manifesta un forza ne a F= A ΔP

33 Portanza: Facciamo un piccolo esperimento? Velocità del aria alta Velocità del aria bassa Cosa abbiamo osservato?

34 Portanza: Legge di Bernoulli ΔP vento vela A causa della forma della vela la velocità dell aria aumenta nel lato concavo provocando una diminuzione della pressione Sulla vela si manifesta una forza,dovuta alla portanza, da sfru are opportunamente!

35 Portanza: Centro Velico Direzione del Vento Centro Velico Componente Propulsiva Direzione del moto ( asse della barca) Forza Portante Componente di scarroccio La componente propulsiva è il motore (ecologico!) della barca

36 Portanza: Orientazione delle vele γ γ =6 Perpendicolari Angolo d a acco θ γ =2 Direzione del vento rispe o all asse della vela La componente propulsiva è maggiore per piccoli angoli d a acco Misure in camera del vento su una vela Marconi standard

37 Portanza: Allungamento e Orientazione Allungamenti diversi ma Area uguale Stessa Concavità Allungamento alto portanza migliore a piccoli angoli d a acco

38 Portanza: Orientazione delle vele θ γ Piccoli Angolo d a acco θ Direzione del vento rispe o all asse della vela Il moto dei file i di vento è laminare

39 Portanza: Orientazione delle vele θ γ Grandi Angolo d a acco θ Direzione del vento rispe o all asse della vela Il moto diventa turbolento La forza portante Andreadiminuisce Mura Cagliari 4-6 Giugno 2011

40 Portanza: Orientazione delle vele

41 Portanza: Orientazione delle vele

42 Portanza: Andature Se desideriamo avere il massimo della velocità dalla barca ogni andatura deve avere una regolazione delle vele o imale! Vento visto dalla barca

43 Portanza: Andature La portanza ci consente, con opportune andature,di stringere il vento sino ad un limite che dipende dalla costruzione della barca e dalla sua velatura Angolo Morto? Con andatura di bolina a zig zag nessuna direzione rispe o al vento è preclusa!

44 Il Timone vbarca

45 Il Timone vbarca v v v

46 Il Timone Δv? Ma qui non c è una accelerazion vbarca v 1 Δv v 2

47 Il Timone Il timone applica una forza sull acqua per deviarla vbarca F

48 Il Timone E l acqua,per reazione applica una forza uguale ed opposta sul timo vbarca -F F

49 Il Timone La barca vira a dri a! -F vbarca

50 Il Timone La barca vira a dri a! -F vbarca

51 La Deriva: resistenza allo scarroccio La deriva contrasta il movimento trasversale (scarroccio) Pur essendo fissa funziona sullo stesso principio del timone Forza dovuta alla portanza sulla deriva Componente Propulsiva Componente di scarroccio Direzione del moto Forza Portante

52 Lo Scafo:Resistenza all avanzamento Lo scafo so o l azione della componente propulsiva aumenta la sua velocità sino a quando la resistenza all avanzamento non produce una forza uguale e contraria R a Forza dovuta alla portanza sulla deriva Componente Propulsiva R a Componente di scarroccio Direzione del moto Forza Portante delle Vele

53 Lo Scafo:Velocità limite di uno scafo dislocante Una barca a dislocamento (non planante) ha una velocità limite La lunghezza d onda aumenta con la velocità La barca non riesce a superare l onda di prua Se la lunghezza al galleggiamento della barca è minore della lunghezza d onda,la barca andrà in salita se vuole superare l onda di prua

54 Lo Scafo:Velocità limite di uno scafo dislocante I calcoli ci dicono che la velocità massima teorica ( espressa in nodi) è data da: V max =2.57 L Dove L= lunghezza dello scfo al galleggiamento è espressa in metri Per uno scago di 12 m al galleggiamento risulta V max =2.57 L=8.9 nodi equivalente a 16.5 km/ h

55 Lo Scafo planante Se lo scafo è fa o in modo che esso possa planare allora la velocità della barca può essere superiore alla velocità del vento reale -v Barca v Vento Reale v Apparente

56 Grazie per la vostra a.enzione