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AD OGNI BARCA
LA SUA ELICA

È possibile valutare in modo non teorico ma sperimentale se un'elica è giusta per una barca. Esistono metodi semplici ma efficaci che possono essere adottati dal diportista per migliorare le prestazioni a motore. Vediamo come per le barche a vela

Articolo di
Antonio Bido

Pubblicato su Nautica 417 di gennaio 1997

Eliche

IL PASSO GIUSTO

Eliche La maggior parte dei diportisti usa la barca a vela d' estate, quando solitamente di vento ce n'é poco o, quando ce n'è, non si sa per quale oscuro destino, quasi sempre arriva dritto dritto sul muso. Ormai, dopo 20 anni di crociere estive in barca a vela, con 20.000 miglia percorse attraverso il Mediterraneo, mi sono reso conto che il rapporto tra miglia percorse a vela e quelle a motore è almeno di 1 a 2. Questo significa che se abbiamo percorso 1000 miglia sicuramente ne avremo fatte, e nel migliore dei casi, 500 a motore.

Questo preambolo per sottolineare come, anche su di una barca a vela, sia importante avere un motore affidabile e di potenza adeguata e soprattutto come un' elica «giusta» sia fondamentale per permetterci di sfruttare appieno la potenza erogata dal nostro motore e garantirne al contempo una più lunga durata.

Molti velisti non si sono mai posti il problema del passo e del diametro dell'elica. Pochi ad esempio sanno quanti giri prende il loro motore a vuoto e quanti ne dovrebbe prendere sotto carico.

Bisogna dire che l'argomento «elica» è piuttosto complesso e i pochi testi che lo trattano sono molto tecnici (quindi non alla portata di tutti) e comunque non risolvono fino in fondo il problema. Infatti si può dire che non esiste una regola teorica universale applicabile a priori a qualsiasi imbarcazione: troppi sono i fattori che influiscono sulla determinazione dell'elica «giusta», come potenza del motore, numero di giri all'elica, dimensioni e peso dello scafo, disegno della carena ecc.

Lasciando quindi da parte sofisticate teorie «ingegneristiche», in questo articolo cercherò di aiutarvi a trovare l'elica giusta per la vostra barca, affrontando l'argomento sotto il profilo strettamente pratico del «fai da te».

Esistono svariati tipi di eliche e la terminologia per descrivere le caratteristiche e le prestazioni di un' elica è molto colorita: orecchietta, inclinazione piatta, inclinazione progressiva, pale arrotondate, contorno, forma obliqua ecc. Questi dati li lasciamo però al costruttore.

A noi interessano solo due dati fondamentali: diametro e passo.

Eliche Diametro: è il diametro di un ipotetico cerchio che unisce le estremità delle pale. La scelta del diametro è determinata principalmente dal numero di giri dell'elica e dalla quantità di potenza disponibile all'elica. Il diametro generalmente aumenta con l'aumentare delle dimensioni dell'imbarcazione.

Eliche Passo: è la distanza che un'elica percorrerebbe in un giro completo se potesse muoversi in un solido morbido, come una vite nel legno. Se, ad esempio, un 'elica, dopo aver compiuto un giro completo all'interno di un solido morbido, avanza di 100 mm, significa che ha un passo di 100 mm.

Per semplificare al massimo dividerei a questo punto le eliche in tre categorie:

  • eliche a pale fisse
  • eliche a pale abbattibili
  • eliche a passo variabile
Eliche a pale fisse: hanno le pale saldate al mozzo e il passo viene deciso in fabbrica in fase di costruzione. Queste eliche sono certamente più robuste delle altre, poiché non hanno la possibilità di prendere «giochi» tra le varie parti dell'elica. Per contro, oltre ad avere una perdita di rendimento in retromarcia di circa il 50%, sono poco indicate su di una barca a vela per la resistenza idrodinamica che offrono, influendo in modo sensibile sulla velocità nelle andature a vela.

Eliche a pale abbattibili: hanno le pale che si chiudono automaticamente con la spinta idrodinamica esercitata dalla velocità della barca quando procede a vela e a motore spento. Offrono pochissima resistenza, ma manovrano male in retromarcia.

Eliche a passo variabile: hanno le pale orientabili tramite ingranaggi interni o esterni, e questo permette di modificare il passo a piacere. Inoltre offrono pochissima resistenza idrodinamica durante la navigazione a vela, in quanto le pale si posizionano in «bandiera».

Sicuramente l'elica a passo variabile è quella più versatile in quanto, permettendoci di variare il passo a nostro piacimento, ci consente di trovare quello più idoneo alle nostre esigenze.

Poiché la maggioranza delle barche a vela sono dotate ormai di eliche a passo variabile, diamo per scontato che il diametro scelto dal cantiere sia quello giusto e vediamo come trovare da noi il passo migliore.

La maggior parte dei costruttori di eliche e di motori sostiene che l'elica è «giusta» quando il motore perde, sotto carico, tra il 5% e il 10% dei giri massimi. Se, ad esempio, un motore prende 3600 giri a vuoto, dovrebbe perdere circa 200 giri sotto carico in condizioni di mare calmo, assenza di vento, carena pulita, barca leggera ecc., e 360 con mare mosso, carena sporca e vento contrario.

Se perde più giri vuol dire che l'elica è troppo «carica» e fa lavorare il motore sottosforzo, se ne prende di più, l'elica è troppo «scarica» e non sfruttiamo appieno la potenza del motore.

Al contrario qualcuno sostiene che si deve aumentare di molto il passo dell'elica in modo tale che la velocità di crociera venga raggiunta ad un basso regime di giri. Facciamo un esempio: ammettiamo che per raggiungere una velocità di crociera di 6 nodi con un determinato passo il motore debba marciare a 2800 giri, aumentando adeguatamente il passo (a parità ovviamente di diametro) ne basterebbero 2000 per raggiungere la stessa velocità. Il motore gira meno, le vibrazioni all'asse sono minori, è meno rumoroso, e, sempre secondo questa teoria, dura di più.

Qual è la strada giusta da percorrere?

Eliche La teoria del passo elevato e del basso numero di giri, anche se sembra essere a prima vista stimolante, è da scartare. Infatti il motore che lavora sotto sforzo, anche se il regime di giri è basso, in realtà si danneggia di più di un motore che lavora ad un numero di giri elevato, ma senza fatica, in quanto si determina un carico enorme sui pistoni, sull'albero e sui cuscinetti. Lo stress meccanico è molto elevato e può comportare battito in testa, grippaggio dei pistoni e altri danni al motore.

Per fare un esempio, facendo girare un motore con un' elica troppo «caricata», ci metteremmo in una situazione molto simile a quella di un automobilista che percorre una ripida salita di montagna in quinta, anziché in terza o in seconda. Il motore si surriscalda, la velocità non aumenta, anche se pigiamo a fondo sull'acceleratore, il motore non riesce a sviluppare la potenza necessaria per proseguire la salita, il consumo sale vertiginosamente.

La teoria più diffusa, quella che il motore deve perdere sotto carico tra il 5% e il 10% dei giri massimi, anche se non affatica il motore, sicuramente affatica le nostre orecchie e gli organi della trasmissione. Inoltre l'elica, girando più velocemente, trasmette più vibrazioni all'asse, e la boccola, assieme ad altre parti in movimento, viene sottoposta ad un maggior logorio.

L'ideale è, quindi, secondo la mia esperienza, trovare un giusto compromesso tra le due teorie tramite delle prove pratiche.

La prima cosa da fare è sapere a quanti giri il motore raggiunge la potenza dichiarata dalla casa costruttrice. Questo dato lo trovate sul libretto d' istruzioni.

Ammettiamo che il motore raggiunga la potenza massima a 3600 giri.

Eliche A questo punto controllate (dopo averlo scaldato un pò) quanti giri prende in folle con la manetta al massimo. Se il motore raggiunge i 3700/3750 giri tutto o.k., altrimenti dovete «tarare» il vostro contagiri su questo numero di giri (in folle infatti il motore deve prendere circa il 3-4% di giri in più rispetto ai giri massimi dichiarati dalla casa, perché il costruttore generalmente tiene conto del carico dell'invertitore. Nel caso di dubbio informatevi presso il rivenditore).

Ovviamente questo vale per un motore in buono stato e con filtro della nafta pulito e iniettori efficienti. Un motore, ad esempio, che abbia perso compressione, non raggiungerà certo i giri massimi dichiarati dalla casa.

Una volta che siamo sicuri della «veridicità» del nostro contagiri, possiamo passare finalmente alle prove pratiche che ci permettono, tra l'altro, di scoprire se, ed eventualmente a quanti giri, il nostro motore lavora sotto sforzo.

Uscire con il mare calmo e poco vento. Non issare alcuna vela. Aumentare il numero di giri di 200 in 200, tenendo una rotta costante rispetto al vento. Ad ogni aumento del numero dei giri annotare l'aumento di velocità. Per misurare la velocità servirsi esclusivamente del log e non del GPS, perché troppo incostante su questo parametro. Vedrete che la velocità aumenterà costantemente e regolarmente ad ogni aumento di 200 giri. Contemporaneamente tenete d'occhio lo scarico del motore e verificate che il colore dell'acqua dello scarico e dei fumi sia sempre lo stesso.

Quando ad un aumento di 200 giri la velocità non aumenterà più con la stessa progressione (ad esempio invece che 1/2 nodo ogni 200 giri scenderà a 1/4 di nodo o non aumenterà per niente, a patto ovviamente che non sia stata raggiunta la velocità critica di carena) da quel momento in poi il motore inizierà a lavorare sotto sforzo. La conferma viene anche dalla quantità dei fumi emessi e dal colore dell'acqua di scarico. Infatti, man mano che lo sforzo cresce, aumentano la quantità, la densità e il colore del fumo e anche l'acqua di scarico diventa via via più scura, fino ad uscire (nei casi in cui il passo è eccessivo) nera. La barca a questo punto, anche aumentando i giri, non prenderà maggiore velocità, una parte del gasolio sarà incombusto e i consumi aumenteranno inutilmente.

Fare la stessa prova con mare mosso e vento ed annotare i dati.

Una volta effettuate queste prove, sarà abbastanza semplice sapere se il passo della vostra elica è giusto o va aumentato o diminuito.

Controlliamo nuovamente il libretto d' istruzioni del motore dove dovrebbero essere riportati i cavalli (o i kW) che il motore sviluppa ad un certo numero di giri e il rapporto cavalli/giri al minuto. Cerchiamo il miglior rapporto potenza/ giri.

Ammettiamo che il nostro motore eroghi la potenza massima a 3600 giri e che la potenza aumenti costantemente di 2 cavalli (o 1471 Watt) ogni 500 giri fino a 2800 giri, per aumentare poi di 1 cavallo e mezzo fino ai 3200 giri e di un cavallo fino ai 3600. Il miglior rapporto cavalli/giri al minuto è quindi, in questo caso, a 2800 giri.

A questo punto, tenendo conto che il regime di crociera ideale è circa al 20% di giri in meno di quelli che il motore prende al massimo sotto carico, più ci avviciniamo a questo dato e più il passo della nostra elica sarà giusto.

Se ad esempio il nostro motore esprime la sua massima efficienza a 2800 giri e raggiunge sotto carico, al massimo del gas, i 3500 giri con mare calmo e i 3300 con mare mosso, vuol dire che il passo della nostra elica è giusto (infatti il 20% di 3500 dà 2800). Sempre che dalla nostra prova abbiamo verificato che fino a 2800 giri il motore non lavori sotto sforzo. Altrimenti il passo va diminuito.

Eliche Ho condotto delle prove con il mio Panda 31 (imbarcazione a vela di 9.60 m dotata di un'elica Max Prop del diametro di 38 cm. e di un motore entrobordo diesel Buk da 24 HP a 3600 giri/minuto con migliore rapporto potenza/giri tra i 2400 e i 2600 giri/minuto. Rapporto di riduzione dell'invertitore 21/2:1. Carena della barca pulita. Le prove sono state da me effettuate prima su una base misurata, con l'aiuto del meccanico della Buk Gianni Magurno, successivamente si sono svolte nell'arco di due anni durante le mie crociere estive, compiendo più di 2000 miglia. Ho avuto modo quindi di valutare molto attentamente vantaggi e svantaggi di ogni soluzione nelle diverse condizioni di mare e vento.

Ecco i risultati

Eliche Prima prova: elica posizionata a 26° corrispondente ad un passo di 350 mm. Il motore prende al massimo 2500 giri con mare calmo e 2400 con mare mosso. La barca raggiunge a stento, con il massimo del gas, i 6 nodi e mezzo. Al regime ideale di crociera di 2000 giri, la barca raggiunge, con mare calmo, la velocità di 5 nodi e mezzo. Il rumore è cupo e si sente chiaramente che il motore «sforza». Già a 2200 giri il motore fuma ed esce acqua scura dallo scarico.

Conclusioni: il passo è eccessivo. Non si sfrutta appieno la potenza del motore e infatti la velocità non cambia dai 2200 ai 2500. Al minimo l'imbarcazione è troppo veloce. Ogni volta che si inserisce la marcia l'invertitore prende un duro contraccolpo.

Seconda prova: elica posizionata a 20°, corrispondente ad un passo di 260 mm. Il motore prende al massimo 3450 giri con mare calmo e 3300 con mare mosso. La barca raggiunge al massimo del gas circa 7 nodi. Al regime ideale di crociera di 2800 giri raggiunge 6 nodi con mare calmo. C'è una buona riserva di potenza con mare mosso. Il rumore alla velocità di crociera è squillante ed eccessivo. Il motore a 3400 giri emette fumo e acqua scura.

Conclusioni: il passo è giusto secondo la teoria accreditata dai costruttori di eliche e motori. Infatti con il gas al massimo, la perdita di giri si aggira tra il 5% con mare calmo e del 10% con mare mosso. Rispetto alla prima soluzione il motore gira con meno sforzo, la barca guadagna mezzo nodo alla velocità di crociera, ma per raggiungerla servono 2800 giri, con conseguente rumore e vibrazioni eccessive. Inoltre a 2800 giri non si sfrutta il miglior rapporto potenza/giri di questo motore. Ecco quindi che si rende necessaria la terza prova.

Terza prova: elica posizionata a 22° corrispondente ad un passo di 290 mm. Il motore prende al massimo 3200 giri con mare calmo e 3000 con mare mosso. Al regime ideale di crociera di 2600 giri la barca raggiunge i 6 nodi con mare calmo. La velocità aumenta costantemente e progressivamente fino a quasi 2800 giri (a questo regime si raggiugono i 6 nodi e mezzo). Fumi e acqua scura dopo i 3000 giri.

Conclusioni: Delle tre prove, quella che mi ha convinto di più è stata la terza. Rispetto alla seconda (tralascio la prima perché senza dubbio negativa in tutti i sensi) la media della velocità di crociera è stata sempre più elevata a tutte le andature sia a motore che a vela e motore, soprattutto con mare calmo. Il maggior vantaggio si è fatto sentire anche in termini di rumorosità e vibrazioni. Con mare mosso qualche volta ho sentito la mancanza di una riserva di potenza, ma la barca si è comportata bene ugualmente in quanto non ho mai avuto l'esigenza di portare il motore oltre i 2700 giri. Inoltre, nella maggior parte dei casi in cui c' era mare mosso, o sono andato solo con le vele o, quando il vento era proprio sul muso e dovevo arrivare alla meta prima del buio, mi sono aiutato col motore per risalire il vento, facendo comunque portare anche la randa.

In conclusione, spero con questo articolo di avere fornito gli elementi necessari affinché ognuno possa trovarsi da solo il passo ideale per la propria imbarcazione, a seconda del tipo di barca e delle proprie esigenze.

Non vi resta che provare... Non spaventatevi però, non è necessario che facciate 2000 miglia! Ad ogni modo vi raccomando di effettuare le prove almeno con un pò di attenzione e soprattutto con tanta pazienza.

Buon divertimento.