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Benvenuti nella sezione speciale “BAM 35 Anni”. Vi stiamo presentando gli articoli “cult” tratti dall’archivio di Barche a Motore, a partire dal 1990. Un viaggio nel tempo tra storie introvabili oggi, anche nel grande mare di internet! Un tuffo nel mondo dei momenti epici della nautica a motore. Ecco una delle storie che ci ha appassionato di più.
Da Barche a Motore 1997, n. 1, febbraio, pag. 36-40.
Stellatura, diedro, redan e V profonda. In queste pagine vi sveliamo tutti i segreti delle carene plananti, le più usate nella nautica da diporto moderna. Senza formule matematiche ma con semplici esempi capirete il significato di forme e scalini, per navigare sempre in sicurezza.
Non c’è bisogno di fare ricorso a inchieste sofisticate o statistiche scrupolose; basterà sfogliare una qualsiasi rivista nautica, fare una passeggiata in un marina, o più semplicemente guardarsi intorno quando si va per mare: sarà subito evidente che la stragrande maggioranza delle imbarcazioni a motore ha una carena planante. In effetti il concetto di tecnologia è intimamente collegato alla velocità, che diventa quindi un’esigenza inderogabile della nostra epoca; velocità non esclusivamente connessa ai mezzi di trasporto ma anche a un sistema di vita e di lavoro sempre più coadiuvato da mezzi tecnologici tesi ad accelerare i ritmi e ridurre i tempi morti (computer, fax, internet ecc.). Oltre alle considerazioni di carattere pratico, esiste un aspetto edonistico della faccenda: la velocità in fondo piace, ci attrae e diventa appunto uno stile di vita contemporaneo; è quindi proprio questa “voglia di correre” ad accomunare imbarcazioni tanto differenti come il piccolo fuoribordo, il cabinato o addirittura il “gozzo veloce”, tutte dotate di carena planante. La progettazione di questo tipo di carene è ancora una volta legata a esperienze e convincimenti di ogni singolo progettista, ma si può certamente esporre la teoria di base che spiega i meccanismi della planata.
Una principale distinzione tra le differenti categorie di “veicoli” marini può essere fatta in base alla natura della forza che sostiene il peso del mezzo alla velocità di progetto. Le imbarcazioni a dislocamento usufruiscono di una spinta idrostatica di galleggiamento che segue la nota legge di Archimede; le prestazioni di questo genere di opera viva sono generalmente limitate al raggiungimento della cosiddetta velocità critica, collegata principalmente alla lunghezza al galleggiamento: ed è proprio da questo punto in poi che, per raggiungere velocità più elevate, bisogna ricorrere, nella stragrande maggioranza dei casi, a forme di carena parzialmente o totalmente plananti. Come vedremo, esiste una grande varietà di opere vive plananti, tutte caratterizzate però da forme di poppa relativamente piatte e portanti, con specchio immerso, che consentono allo scafo di superare la velocità critica; una volta in planata, la barca è parzialmente sostenuta dalla forza idrodinamica esercitata dall’acqua sulla carena. All’aumentare della velocità l’imbarcazione tende a elevarsi verticalmente, diminuendo sempre più il volume immerso e di conseguenza, la componente residua di spinta idrostatica. Si può tentare un’analogia, con tutte le approssimazioni del caso, tra un’imbarcazione che procede da una condizione di dislocamento puro a quella di planata e un aereo in fase di decollo (Fig. 1).
Tanto l’imbarcazione in dislocamento, quanto l’aereo che avanza sul proprio carrello, sono sostenuti da forze di tipo statico, senza alcuna componente dinamica. All’ aumentare della velocità, una parte sempre maggiore del peso dell’aereo viene assorbita dalla portanza aerodinamica del sistema alare, ma una certa percentuale del peso totale è ancora scaricata sul carrello; siamo cioè in una situazione di supporto “misto”, una parte dinamico (quello generato dal sistema alare) e una parte statico (quello fornito dal carrello): possiamo paragonare questa condizione alla prima fase di planata dell’imbarcazione, quando la scia si è già staccata dallo specchio, ma lo scafo ha ancora una parte rilevante del proprio volume di carena immerso e continua quindi a usufruire di una componente di sostentamento di tipo idrostatico. Quando infine l’aereo si stacca dalla pista, tutto il suo peso è sostenuto dalla portanza aerodinamica del sistema alare: l’imbarcazione, analogamente, sarà in una condizione di piena planata, con gran parte del suo peso sostenuto dalla portanza idrodinamica della carena. In realtà questa situazione non è strettamente equivalente in quanto l’imbarcazione, al contrario dell’aereo, continua a usufruire, seppur in minima parte, di una spinta di natura statica, generata da quella porzione di carena che rimane comunque immersa; d’altronde è logico che vi debbano essere delle differenze, poiché mentre l’aereo è immerso in un solo fluido, l’aria, l’imbarcazione continua comunque a operare sull’interfaccia acqua-aria. Possiamo riassumere le principali caratteristiche delle imbarcazioni plananti nei seguenti punti:
– Velocità elevata.
– Potenza elevata in relazione al peso.
– Autonomia relativamente bassa e quindi consumi rilevanti.
– Tenuta di mare inferiore a quella delle carene dislocanti.
– Navigazione poco confortevole in caso di mare mosso.
– Sensibilità alle variazioni di carico.
– Struttura sofisticata in quanto si è alla ricerca della leggerezza dello scafo.
– Pescaggio contenuto.
Se ne ricava un ritratto, che a una prima analisi risulta piuttosto pessimistico e sembra quasi che si voglia descrivere tutte le imbarcazioni plananti come sofisticati giocattoli, capaci solo di correre e bruciare grosse quantità di carburante. Niente di tutto ciò: i punti sopra elencati vogliono solo enfatizzare che la principale caratteristica delle carene plananti è quella di essere in grado di raggiungere velocità relativamente elevate, ma che chiaramente vi è un prezzo da pagare. Va sottolineato che il compito dei progettisti è proprio quello di cercare, di volta in volta, il giusto compromesso tra tutti i requisiti funzionali del progetto. Facciamo un esempio: nel progettare un’imbarcazione da competizione l’obiettivo principale sarà quello della velocità; potenze e consumi elevati, scarsa abitabilità e strutture sofisticate e costose, saranno un prezzo che si è disposti a pagare. Il progetto di un’imbarcazione da diporto, al contrario, sarà pronto a sacrificare in parte le prestazioni velocistiche del mezzo per garantire un’abitabilità adeguata, consumi energetici accettabili, una struttura e delle componenti meccaniche che risultino sufficientemente economiche per la produzione in serie, e un comfort di navigazione che renda il prodotto appetibile al pubblico a cui è rivolto. Le imbarcazioni planati maggiormente diffuse nel diporto sono del tipo monocarena, cioè a scafo singolo; sebbene esistano diversi tipi di multiscafo planante, essi sono generalmente impiegati in applicazioni speciali come il trasporto passeggeri, le competizioni sportive e i mezzi da lavoro.
Gli scafi plananti sono riconoscibili a prima vista per le loro forme di carena spigolate che, alle velocità in questione, favoriscono il distacco dell’acqua in corrispondenza dello spigolo (collegamento murata-carena), riducendo la superficie bagnata e di conseguenza, la resistenza all’avanzamento. Per meglio comprendere questo concetto, bisogna analizzare la natura della resistenza che frena questo tipo di carene. Abbiamo già visto come all’aumentare della velocità diminuisca il volume di carena immerso; ne consegue una riduzione del moto ondoso generato e quindi della resistenza d’onda (che è invece di primaria importanza nelle carene dislocanti). La principale fonte di resistenza diventa quindi l’attrito generato dallo scorrimento dell’acqua lungo la carena. Per limitare questo freno e migliorare l’efficienza della carena, si tenta di ridurre la superficie di contatto, favorendo appunto il distacco del flusso d’acqua dal fondo. Le carene plananti dovrebbero essere disegnate attorno a una serie di coefficienti numerici che ne definiscono le principali caratteristiche; tuttavia, ai classici coefficienti dell’architettura navale, si affianca un elemento di fondamentale importanza: la stellatura del fondo (detta anche diedro o levata dei madieri, in inglese “deadrise”) allo specchio di poppa (Fig. 2).
Quasi tutte le carene plananti, sino alla fine degli anni ’50, erano a fondo sostanzialmente piatto, presentando una stellatura allo specchio al massimo di pochi gradi. Questa scelta derivava dagli studi effettuati su modelli di scafi di idrovolanti e dall’esperienza delle motosiluranti del I° e II° conflitto mondiale; tali ragionamenti indicavano che l’efficienza diminuiva con l’aumentare della stellatura del fondo e che quindi le carene dovevano essere piatte e portanti a poppa, pur mantenendo una “V” molto accentuata a prua per assorbire gli impatti con le onde. In realtà questo tipo di configurazione presentava parecchi inconvenienti, sia in termini di velocità massima che di tenuta di mare, comfort di navigazione e stabilità direzionale in condizioni di mare mosso. La velocità massima era limitata dal fatto che la superficie di contatto, una volta raggiunta la planata, non era ulteriormente riducibile; al contrario, le eccessive sezioni poppiere piatte, all’aumentare della velocità, tendevano a far appruare lo scafo aumentando la superficie bagnata e quindi la resistenza d’attrito. Questo assetto eccessivamente “spianato” portava a far immergere le affilate sezioni prodiere, causando gravi problemi di stabilità direzionale in condizioni di mare di poppa (questo il motivo della frequente applicazione di una pinna direzionale) (Fig. 3).
Negli anni Sessanta, alcuni progettisti e la sperimentazione nelle competizioni, hanno regalato alla nautica da diporto, e anche sportiva, le cosiddette carene a “V profonda”: si tratta di un termine molto usato (e abusato), forse non correttissimo, con il quale si indica una carena che mantiene valori elevati di stellatura del fondo sino allo specchio di poppa. Non si può evitare di indicare nell’americano Raymond Hunt e nell’italo-anglosassone Renato “Sonny” Levi, i due principali fautori e promotori di questa nuova configurazione, che ha rivoluzionato la progettazione delle carene plananti. Levi ha continuato negli anni a perfezionare quell’intuizione iniziale, rimanendo tutt’oggi l’indiscusso punto di riferimento nella progettazione di imbarcazioni monocarena (Fig. 4).
I vantaggi delle carene a V profonda rispetto a quelle a fondo piatto sono molteplici. In termini di velocità pura è intuibile che una carena stellata, all’aumentare della velocità ed elevandosi verticalmente, riuscirà a ridurre ulteriormente la superficie di contatto, grazie alla sua forma e all’ausilio dei pattini o liste di sostentamento longitudinali, che agiscono da controllori di flusso, favorendone il distacco (Fig. 5).
L’assetto alle alte velocità non è eccessivamente appruato e l’imbarcazione è stabile direzionalmente; il comfort è notevolmente migliorato e le affilate sezioni poppiere garantiscono un ammaraggio morbido anche qualora l’imbarcazione dovesse staccarsi dalla superficie, saltando da un’onda in velocità. La tenuta di mare è nettamente superiore in tutte le andature e le velocità raggiungibili sono decisamente più elevate anche in condizioni di mare poco mosso. Sebbene non esistano delle regole fisse sul valore di stellatura allo specchio, si può indicativamente dire che questo dovrebbe essere compreso tra 16 e 25/30 gradi. Più elevate sono le prestazioni del mezzo e maggiore diventa il valore di stellatura raccomandato; difticile considerare a V profonda un’opera viva con meno di 16/17 gradi allo specchio, come poche sono le imbarcazioni che presentano valori superiori a 25/26 gradi. La velocità di progetto, pur essendo il valore principale nella scelta della stellatura da adottare, non è l’unico; in alcuni casi, nell’interesse di un’entrata in planata più facile, di una minima sensibilità alle variazioni di carico o alla ricerca di maggiore stabilità trasversale alle basse velocità (per esempio su una piccola imbarcazione fuoribordo), si può decidere di appiattire il fondo leggermente di più di quanto non sarebbe normalmente raccomandabile; viceversa, un’imbarcazione con carena planante che opera regolarmente in condizioni di mare mosso, potrebbe trarre beneficio da un fondo più stellato del normale. Un altro fattore di fondamentale importanza è la larghezza allo spigolo, sempre misurata allo specchio di poppa: ricordiamo che il fondo della nostra carena planante corrisponde alle ali dell’aeroplano. Un aereo con ali troppo piccole non riuscirebbe a decollare, e una carena planante con una superficie del fondo insufficiente planerebbe poco e male (fondo sovraccarico). Da qui l’importanza della larghezza allo spigolo che, una volta stabilita la lunghezza, determina l’estensione della nostra superficie planante. Esistono dei parametri di calcolo che, conoscendo la velocità di progetto, consentono di selezionare un rapporto lunghezza/larghezza appropriato. Nelle imbarcazioni da diporto dove non si è alla ricerca di prestazioni estreme, ma si richiedono buona abitabilità, stabilità all’ormeggio e relativa insensibilità alle variazioni di carico, è desiderabile avere uno scafo sufficientemente largo e capiente: in questo caso le esigenze funzionali del progetto collimano con quelle idrodinamiche dell’opera viva, che per essere efficiente dovrà avere una larghezza allo spigolo non troppo ridotta. Quando si è invece alla ricerca di prestazioni elevate, impiegando potenze notevoli su imbarcazioni leggere. bisogna ricorrere per motivi di efficienza idrodinamica a scafi molto sottili, rinunciando così a buona parte dell’abitabilità; questo tipo di imbarcazioni sarà inoltre meno stabile all’ormeggio e più sensibile alle variazioni di carico. Quanto detto dovrebbe far giungere il lettore a una considerazione di notevole importanza: l’opera viva di un imbarcazione planante va studiata in funzione di una ben determinata gamma di prestazioni; troppo spesso viene offerto lo stesso scafo in versioni che differiscono notevolmente nella potenza installata. Esistono invece limiti minimi e massimi di potenza che manterranno la velocità all’interno di una gamma prestabilita in fase di progetto: installare potenze inferiori a quelle previste potrà soio condurre a prestazioni deludenti, usura precoce degli organi meccanici e, quasi sicuramente, consumi più elevati. Analogamente, non basterà certo sovramotorizzare un qualsiasi scafo per farne un “offshore da diporto”: con tutta probabilità non si riuscirà a utilizzare la potenza in eccesso, poiché la forma dell’opera viva renderà la navigazione, oltre certe velocità, poco confortevole e anche pericolosa.
Dei pattini longitudinali abbiamo già sottolineato l’importanza nel favorire il distacco del flusso; sulla loro grandezza, numero e posizione esistono realmente tantissime opinioni differenti: ci limiteremo a dire che essi non vanno considerati come optional, ma come un elemento fondamentale per l’efficienza dell’opera viva (Fig. 6 a). Vale la pena dare uno sguardo alla funzione degli scalini trasversali (redan), che negli ultimi anni abbiamo visto apparire sulla carena di alcune imbarcazioni ad alte prestazioni. Bisogna precisare che i redan non sono un’invenzione recente: il brevetto pare risalire addirittura al 1872, a opera del reverendo Charles Ramus; le prime applicazioni note sono sugli scafi degli idrovolanti e su parecchie motovedette del I° e II° conflitto mondiale. I redan, in teoria, assolvono svariati compiti: essi dovrebbero contribuire a ridurre la superficie bagnata, favorire la lubrificazione del fondo interponendo un sottile cuscino d’aria tra scafo e acqua, stabilizzare longitudinalmente l’assetto dell’imbarcazione (più punti d’appoggio), mantenere le singole superfici plananti a un angolo d’attacco favorevole e spostare il centro di pressione idrodinamica (il punto nel quale possiamo immaginare applicata l’intera forza sostentatrice idrodinamica) verso prua. In realtà, non sempre la loro applicazione è giustificata, in quanto le velocità raggiunte non sono sufficientemente alte perché funzionino efficacemente; inoltre va considerato che questi scalini creano alcune complicazioni strutturali, ed è discutibile che essi riescano a ridurre la resistenza all’avanzamento in condizioni di mare mosso. Condizione essenziale al corretto funzionamento dei redan è che la faccia verticale sia “asciutta”; negli scafi da competizione si è in alcuni casi ricorso persino all’insufflaggio d’aria, tramite apposite bocchette, per favorire il distacco del flusso d’acqua e la lubrificazione del fondo. Tutto ciò non toglie che in determinati casi l’applicazione dei redan possa essere vantaggiosa, ma le velocità devono essere realmente elevate e il loro disegno attentamente studiato (Fig. 6 b).
Il diffondersi degli scafi a carena planante negli ultimi anni è stato in gran parte possibile grazie all’evoluzione subita dagli apparati motore e dagli organi di propulsione. I leggeri ed efficienti motori turbodiesel hanno consentito di realizzare imbarcazioni veloci, affidabili e parche nei consumi: la disponibilità di grandi potenze a pesi relativamente contenuti, ha ampliato il potenziale utilizzo delle carene plananti sugli scafi di grandi dimensioni. I sistemi propulsivi meritano poi un capitolo a parte, sia per la varietà di soluzioni esistenti che per l’influenza che essi hanno sul rendimento finale del mezzo. Sulle carene plananti, insomma, ci sarebbe ancora tanto da scrivere: ci auguriamo però di essere almeno riusciti a chiarirne il meccanismo di funzionamento che, per la sua natura dinamica, le rende ancor più degne del nome di opera viva.
di Brunello Acampora
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