TEORIA E TECNICA DELL IMBARCAZIONE A VELA. 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 1

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1 TEORIA E TECNICA DELL IMBARCAZIONE A VELA 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 1

2 1. Effetti del vento sulle vele: portanza e resistenza (DRIVE AND SIDE) (con cenni al teorema di Bernoulli, al tubo di Venturi ed alla circuitazione). 2. Effetti dell acqua sulle appendici: portanza e resistenza (DRIVE AND SIDE) (complemento) 3. Centri di pressione (velico-deriva-gravità-carena): ricerca dell equilibrio e disallineamento per condurre e manovrare (orzare, poggiare, virare, abbattere). 4. Le regolazioni base della vela: scotta, vang, cunningham e base. 5. Vento reale e vento apparente. 6. Cenni all uso della controscotta, dell archetto. 7. Regolazioni base del centro di deriva. 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 2

3 PRINCIPI DI FISICA F = M x A A = V / T a = 9,81 m/s^2 V = S / T S = T x V T = S / V

4 SPINTA IDROSTATICA O PRINCIPIO DI ARCHIMEDE 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 4

5 SPINTA IDROSTATICA O PRINCIPIO DI ARCHIMEDE «Un corpo immerso (totalmente o parzialmente) in un fluido riceve una spinta (detta forza di galleggiamento) verticale (dal basso verso l'alto) di intensità pari al peso di una massa di fluido di forma e volume uguale a quella della parte immersa del corpo. Il punto di applicazione della forza di Archimede, detto centro di spinta, si trova sulla stessa linea di gradiente della pressione su cui sarebbe il centro di massa della porzione di fluido che si troverebbe ad occupare lo spazio in realtà occupato dalla parte immersa del corpo.» È così detto in onore di Archimede di Siracusa, matematico e fisico greco, vissuto nel III secolo a.c. che lo enunciò nella sua opera Sui corpi galleggianti (nell'opera di Archimede si trattava però di un teorema, dedotto da un semplice postulato che oggi non viene quasi mai enunciato esplicitamente [1] ). Galileo Galilei nello scritto Discorso intorno alle cose che stanno in su l'acqua o che in quella si muovono (del 1612) difende il principio di Archimede contro le erronee interpretazioni degliaristotelici. Tale forza è detta "forza di Archimede" o "spinta di Archimede" o ancora "spinta idrostatica" (nonostante non riguardi solo i corpi immersi in acqua, ma in qualunque altro fluido liquido o gas). Una formulazione più semplice del principio è la seguente: La spinta si applica al baricentro della massa di fluido spostata e non al baricentro della parte del corpo immersa nel fluido ed è diretta, secondo l'equazione fondamentale dell'idrostatica, verso il piano dei carichi idrostatici (o piano a pressione relativa nulla), che nella maggioranza dei casi coincide con il pelo libero del fluido, ed è quindi diretta verso l'alto. Archimede inventò la bilancia idrostatica, utilizzata per misurare il peso specifico dei liquidi «Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del volume di fluido spostato» 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 5

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8 LA PORTANZA 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 8

9 EQUAZIONE DI BERNULLI 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 9

10 EQUAZIONE DI BERNULLI in cui: ρ è la densità del fluido. u rappresenta la velocità di deriva lungo la linea di flusso, g è il campo medio, nelle applicazioni più frequenti diventa l'accelerazione di gravità, h è la quota potenziale media della sezione, p rappresenta la pressione di tipo statico lungo la linea di flusso, 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 10

11 Osserviamo il perché un profilo genera portanza quando presenta un angolo di incidenza rispetto al fluido. Finché non c è tale angolo il fluido che circonda il profilo presenta un andamento della pressione identico lungo il lato superiore e lungo il lato inferiore poiché la velocità del fluido è la stessa sui due lati. In questa condizione è presente solamente una piccola resistenza dovuta alla pressione che si genera al punto di ristagno in corrispondenza del bordo di attacco. Quando viene impresso un angolo di incidenza il fluido non percorre più due percorsi identici : infatti il fluido che percorre il lato superiore del profilo segue un percorso più lungo e con una maggior curvatura di quello che percorre il fluido che lambisce il lato inferiore. Poiché in corrispondenza del bordo di uscita i filetti fluidi si devono riunire risulta che sul lato superiore il fluido ha una velocità maggiore rispetto a quello inferiore. Ciò genera uno squilibrio di pressione: infatti sul lato dove la velocità è maggiore la pressione è bassa ( depressione ) rispetto al lato in cui la velocità è minore in cui la pressione è più alta (Teorema di Bernoulli ). La somma della depressione sul lato superiore che tende a tirare il profilo verso l alto e della pressione sul lato inferiore che tende a spingerlo in alto da luogo alla portanza e ci porta a dire che il nostro profilo è più aspirato che spinto. L angolo di incidenza però non deve crescere oltre un certo limite, altrimenti si incorre nel fenomeno dello STALLO. Accade, infatti, che quando l angolo supera tale limite i filetti fluidi non riescono più a seguire il lato superiore del profilo con un moto ordinato, ma il moto degenera in una ampia scia turbolenta. Quando il profilo stalla c è un crollo della portanza e un aumento della resistenza.

12 Prima di passare agli aspetti dovuti alla tridimensionalità delle appendici vediamo rapidamente come la forma della sezione di ogni profilo influenzi le sue prestazioni. Come abbiamo detto, nella nautica si usano profili NACA simmetrici. Tra questi i più frequenti sono : -Profili a 4 cifre: per i profili simmetrici le prime due cifre sono 0 le ultime due rappresentano lo spessore (b) in percentuale della corda. -Profili a 5 cifre: il secondo dei numeri prima del trattino indica la posizione del punto di minima pressione lungo la corda, dopo il trattino la prima cifra è 0, le altre due indicano lo spessore in percentuale della corda. In primo luogo all aumentare dello spessore il profilo è in grado di lavorare con angoli di incidenza maggiori senza che avvenga un crollo della portanza. Ciò però è valido fino a uno spessore che non superi il 25% della corda. Per quanto poi riguarda la posizione dello spessore massimo questa ha il suo risvolto più importante sulla forma del bordo di attacco. La forma ideale è quella parabolica, forme più acute o più tozze generano un aumento della resistenza. Per quanto riguarda la portanza uno scostamento dalla forma parabolica porta a una diminuzione del CLmax, con un peggioramento maggiore quando la forma è più acuta. Infine ha grande rilevanza sulle prestazioni del profilo il disegno del bordo di uscita che deve essere tale da facilitare il ricongiungimento dei filetti fluidi. Per questo deve essere il più affilato possibile in modo che il fluido si stacchi nettamente dal profilo e non tenda a richiudersi sul bordo di uscita a causa della depressione.

13 EFFETTI DEL VENTO SULLE VELE 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 13

14 PIANO INCLINATO DI 45 P F R VENTO 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 14

15 Questi elementi ( deriva, timone e vele) lavorano in fluidi a densità diversa quali l acqua e l aria, ma i principi che sono alla base del loro funzionamento sono del tutto identici. Infatti, sia le appendici che lavorano in acqua che quelle che lavorano in aria, investite dal fluido con un certo angolo di incidenza, generano una forza perpendicolare alla direzione del fluido stesso ( PORTANZA ) e una forza nella direzione del fluido ( RESISTENZA ). Solitamente la resistenza è una forza che si genera sempre quando un corpo genera portanza e non è eliminabile. Lo scopo è quindi quello di studiare delle forme che generino una portanza il più possibile elevata accompagnata dalla minor resistenza possibile. Appendici I profili che meglio svolgono questo compito sono noti sotto il nome di profili NACA. Tali profili presentano un bordo di ingresso (Leading Edge) e un bordo di uscita (Trailing Edge). La linea che unisce questi due punti è la corda. Rispetto a questa il profilo può essere simmetrico o asimmetrico. Per quel che riguarda l architettura navale (tranne alcuni casi) ci riferiremo solo ai profili simmetrici in quanto le appendici della barca devono poter lavorare nello stesso modo sia ricevendo il fluido da una parte che dall altra.

16 Nel campo della fluidodinamica è di uso comune esprimere la portanza e la resistenza mediante dei coefficienti adimensionali in modo da poter conoscere il valore di queste forze al variare della velocità, della superficie laterale del corpo e del tipo di fluido con cui sono in contatto. Ecco allora che si ha : - Coefficiente di Portanza CL =P/(0,5 * ρ * V 2 * S) - Coefficiente di Resistenza CD =R/(0,5 * ρ * V 2 * S) In cui : ρ = densità del fluido V = velocità del fluido S = superficie laterale del profilo Dai grafici riportati qui di fianco è evidente l angolo a cui avviene lo stallo, dopo il quale la portanza diminuisce e la resistenza aumenta. Ad ogni profilo si possono associare grafici di questo genere costruiti mediante prove in galleria del vento

17 IL TERZO PIU EFFICACE /06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 17

18 α α α 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 18

20 EFFETTO DEL VENTO SU UNA SUPERFICIE CONCAVA il vento esercita una forza maggiore su una superficie curva rispetto ad un piano delle stesse dimensioni 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 20

21 Quando una vela viene esposta al vento lungo il suo lato sopravento si crea una pressione e lungo il suo lato sottovento una depressione 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 21

22 La depressione è tanto maggiore quanto minore è l angolo di incidenza del vento sulla vela 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 22

25 ORIENTAMENTO DELLE VELE 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 25

27 ANGOLO DI INCIDENZA 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 27

31 Linee di flusso randa

33 CENTRO DI DERIVA 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 33

34 EFFETTI DELL ACQUA SUL TIMONE 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 34

35 VENTO REALE E VENTO APPARENTE W Vapp VA A 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 35

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41 L ARCHETTO 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 41

42 Il vang MAST BOOM BLOCKS WANG CLEAT CENTREBOARD BLOCK 4 BLOCK 5 BLOCK /06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV

43 IL VANG SPINTA: + FLESSIONE PARTE BASSA ALBERO ABBASSAMENTO: + TENSIONE DELLA BALUMINA 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 43

46 PROFILO A PROFILO B 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 46

47 IL CUNNINGAM E LA BUGNA AGISCONO SUL VOLUME DELLA VELA (FORMA) SPOSTANDO IL GRASSO. 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 47

49 Le vele sono particolari superfici portanti le cui sezioni sono assimilabili a profili alari simmetrici. Si possono accomunare con i profili simmetrici perché modificando la loro forma sono in grado di ricevere il vento da ambo i lati e reagire nello stesso modo. Le difficoltà nel disegno della vela sono molteplici e dovuti al fatto che essa deve generare una forza utile al moto della barca prendendo il vento dalle più svariate direzioni. Ciò influisce per esempio sulle forme del profilo laterale, sull allungamento geometrico e sulla superficie. Vele Prendiamo ad esempio la randa. Per quel che concerne il profilo laterale la forma più semplice è rappresentata da un triangolo di altezza P e base E. Per aumentare la superficie totale, però, la balumina presenta un certo allunamento che nei disegni più recenti è diventato tale da conferire una forma ellittica alla parte alta della randa. Con questa scelta si raggiunge una miglior efficienza aerodinamica dovuta al fatto che più ci si allontana dalla superficie dell acqua e maggiore è la velocità del vento ( effetto dello strato limite ).

50 BIBLIOGRAFIA BERTRAND CHERET - Vela leggera, tecnica e sensazioni TOM WHIDDEN, MICHAEL LEVITT - L arte e la scienza delle vele BERTRAND CHERET - Le Vele LAURA ROMANO La fisica in barca a vela FIV - Manuale dell allievo FIV Manuale della vela agonistica 08/06/2016 Corso Istruttori di I Livello FIV 50