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SUPERYACHT #494
Giugno 2003

Articolo estratto dalla nostra omonima rivista trimestrale dedicata alle imbarcazioni più grandi e lussuose con fotografie, schede tecniche, articoli didattici, ultime notizie e novità dal mercato


Sommario

Annuario
della nautica


Impressioni
di navigazione


Barche usate

Boatshow

Video Nautica

Articolo di
Angelo Sinisi


LA CARENA PLANANTE

Negli articoli precedenti abbiamo visto i limiti delle carene dislocanti a superare certe velocità, perciò per avere delle velocità relative elevate, è necessario usare le carene plananti. Il continuo miglioramento delle caratteristiche dei motori, l'intensificarsi delle esperienze, degli studi e dei rapidi progressi, non si può dire che abbiano risolto tutti i problemi inerenti agli scafi plananti, ma certamente hanno consentito di trovare migliori soluzioni per unità non solo di piccolo dislocamento, ma anche per il grande, che fino a poco tempo fa era una speranza. Infatti, oggi scafi parzialmente plananti di grandi dimensioni sono utilizzati per il trasporto veloce in mare. Uno scafo planante è uno scafo che, in moto, trova il suo principale sostegno nella reazione dinamica dell'acqua.

Figura 5
Scia e fondo bagnato
di una carena planante,
velocità di 34 nodi in mare mosso

Essenzialmente, esso scivola o sfiora la superficie del mare e ciò lo distingue da un normale scafo, che, viceversa, galleggia solamente e si apre la rotta nell'acqua (Figura n° 5). L'azione di una superficie planante è simile a quella di un cuneo forzato al di sotto di un peso allo scopo di alzarlo. Una superficie planante inclina il suo piano forzando l'acqua in basso, e questa forza crea un campo di pressione che fa aumentare il livello dell'acqua ai lati della superficie stessa. Quindi è la spinta dinamica che ad alta velocità sostiene quasi l'intero peso delle barche plananti.

Da quanto premesso è possibile sommariamente dire che i fattori in gioco sono: peso, velocità, spinta dinamica e statica, angolo di assetto longitudinale, superficie bagnata e resistenza al moto (Figura n° 3). Tutti questi fattori sono estremamente interdipendenti tra loro, e l'angolo d'assetto a sua volta dipende dalla posizione relativa, in senso longitudinale, del centro di gravità e del centro di pressione dinamica. Da quanto detto, si desume che il progetto di una unità planante richiede uno studio più accurato e difficoltoso di quello necessario per il progetto di una nave a dislocamento. Il cambiamento d'assetto in corsa assume la veste di uno dei parametri più importanti del progetto, e la necessità di prevedere esattamente il peso dell'imbarcazione e la posizione del suo baricentro costituiscono una delle maggiori difficoltà (Figura n° 2). Alcune delle differenze sostanziali tra gli elementi di progetto di uno scafo planante e quelli di una nave dislocante sono:

la spinta statica della carena, in una barca a dislocamento, sostiene tutto il peso, mentre in uno scafo planante detta spinta sostiene solo da 1/3 a 1/13 del peso della barca. Il resto è sostenuto dalla spinta dinamica. La forma di carena di una nave a dislocamento interessa la resistenza al moto della nave stessa e le sue qualità manovriere e di tenuta al mare. Nel caso degli scafi plananti si ha una esaltazione di questa influenza. La forma del fondo influisce sulla possibilità di planata, sul comportamento dell'unità durante la planata, sul beccheggio, sul "galoppare", sulla tenuta al mare, sulla stabilità di rotta e sull'angolo di sbandamento in virata. la resistenza dell'aria per una unità a dislocamento rappresenta una piccola parte della resistenza totale. Per una unità planante, molto veloce, detta resistenza costituisce invece un fattore molto importante e talvolta è accompagnata da notevoli forze verticali. Il progetto della carena di uno scafo planante costituisce dunque non solo un problema notevolmente diverso da quello di una nave a dislocamento, ma anche un problema più intricato e complesso data la interdipendenza e la interazione dei più importanti fattori che lo governano. In nessun'altra branca del progetto navale esiste una così profonda, mutua dipendenza dei vari fattori. Un aumento del 10% nel peso di un'unità a dislocamento significa che quest'ultima s'immerge un poco di più, naviga ad una velocità più ridotta ma conserva circa le stesse forme di carena ed il suo comportamento rimane essenzialmente lo stesso. Il medesimo aumento di peso in uno scafo planante può impedire a quest'ultimo di planare e/o modificare le sue caratteristiche di stabilità dinamica e quindi di tenuta al mare.

Per cui si potrebbe verificare il paradosso di avere a che fare con problemi sempre più grandi man mano che si progettano scafi più piccoli. Sono stati fatti molti studi e prove in vasca con carene aventi vari angoli di rialzo (che è l'angolo realizzato dal fondo della carena con il piano orizzontale passante per la chiglia) e vari rapporti tra la lunghezza e la larghezza di spigolo. Le varie prove eseguite nelle vasche hanno dimostrato che l'aumento di resistenza non solo è dovuto all'aumento del peso o a quello della velocità, ma in modo particolare all'angolo di rialzo del fondo e all'angolo di assetto longitudinale in corsa, che è determinato dalle rispettive posizioni del centro di spinta e del baricentro.

Figura 4

Modello 2117
Modello 2084


Velocità di 15 nodi in mare calmo


Velocità di 15 nodi in mare mosso


Velocità di 34 nodi in mare calmo


Velocità di 34 nodi in mare mosso

Si è visto che, all'aumentare dell'angolo di rialzo, aumenta la resistenza (Figura n° 1), ma migliora la tenuta al mare, anche perché si riducono sensibilmente le accelerazioni d'impatto, per cui è possibile avere, con mare mosso, una maggiore velocità rispetto ad una carena con stesse dimensioni, ma con angolo di rialzo più basso. Quindi la scelta dell'angolo di rialzo è condizionata dalla velocità e da una navigazione confortevole. Quest'ultima qualità richiede, inoltre, una cura particolare nello studio delle forme di prora che nell'impatto con l'onda, riducendo le accelerazioni, proteggono le strutture da forti sollecitazioni (Le varie immagini della Figura n° 4 evidenziano, in modo particolare, il diverso comportamento di una carena con prora penetrante Modello 2084, da una carena a V con angolo di rialzo molto basso Modello 2117).

Purtroppo le forme di scafo più idonee per la navigazione in planata mal si conciliano con quelle classiche per la navigazione in dislocamento.Quindi a bassa velocità, o per meglio dire, prima che si raggiunga la velocità di planata, lo scafo è soggetto generalmente a forti resistenze d'onda, di vortici ed a noiosi spruzzi d'acqua. Prima di raggiungere la velocità di planata la prora rimane sospesa nell'aria, la resistenza aumenta sensibilmente e, se non si dispone di una riserva di potenza, la barca si trova di fronte ad una barriera per la sua velocità che non potrà superare. Se, viceversa, c'è ancora potenza disponibile, lo scafo potrà superare la "gobba" della curva di resistenza, la sua velocità aumenterà sensibilmente e la cresta dell'onda di prora si sposterà verso poppa.

Con una espressione indovinata molti dicono che, a questo punto, l'imbarcazione sale sulla sua onda di prora, l'angolo di assetto longitudinale diminuisce e la velocità aumenta. Lo scafo aumenta sensibilmente la velocità senza richiedere ulteriore aumento di potenza; si dice che è stata raggiunta la velocità di planata che, certamente, non è la massima velocità raggiungibile.

Un'imbarcazione è in planata quando l'acqua è a contatto con il fondo solamente all'interno degli spigoli.

Quanto maggiore è la distanza fra la massima velocità e la velocità di planata, tanto migliore sarà il comportamento dell'imbarcazione, perché l'aumento di resistenza dovuto all'aumento della sporcizia di carena, al mare mosso, ad un eventuale supplemento di carico, al vento contrario, non sarà tale da impedire la planata. Quindi quando si acquista un'imbarcazione è importante conoscere la velocità massima e la velocità di planata alla condizione di pieno carico massimo.

Esiste un fattore che spesso è dimenticato e che riguarda proprio le piccole navi: il periodo di rollio. Una piccola imbarcazione stabile ha un periodo di rollio che si aggira tra i 2÷3 secondi. Questo significa che, per un vasto campo di condizioni di mare, il periodo proprio dell'onda sarà maggiore di quello della barca. Il periodo di un'onda di 30 metri, infatti, è di circa 4,5 secondi, il periodo di un'onda di 85 metri è di circa 7 secondi. Con mare di poppa o di prora, il periodo naturale del battello non è influenzato dal periodo dell'onda, con mare al traverso, invece, o al giardinetto, il periodo d'incontro tra quello del battello e dell'onda dipenderà anche dalla velocità della nave. Quando questo periodo d'incontro, che può essere pensato come il tempo intercorrente tra due successivi impatti d'onda, è superiore a quello proprio del battello, quest'ultimo tenderà a saltare con il periodo proprio dell'onda. Per cui, se l'imbarcazione ha lo stesso periodo dell'onda, si può avere la sincronizzazione dei periodi naturali di scafo e d'onda, quindi, si incorre in disagi molto più seri di quelli derivati da un proprio periodo corto di oscillazione, non in sincronia con quello delle onde.. Le piccole navi, quindi, si troveranno in condizioni di rollio forzato e le loro oscillazioni saranno governate dal mare piuttosto che dallo loro forma di scafo, molto più spesso delle grandi, il cui periodo naturale di rollio è di gran lunga maggiore. Per molte condizioni di mare, pertanto, la barca con r-a (indice di stabilità statica) maggiore sarà più stabilizzata che non quella con r-a minore. È importante che la stabilità, in particolare quella trasversale, venga ricercata attraverso corrette proporzioni di scafo, adeguata larghezza, e non con l'empirico correttivo della zavorra.

Il comportamento di uno scafo che plana sul mare dipende dai seguenti fattori: superficie ed inclinazione del fondo sul mare, distribuzione della pressione sulla superficie bagnata, posizione longitudinale del centro di pressione e del centro di gravità, momento d'inerzia longitudinale della figura di carena bagnata e da un certo numero di altri elementi collegati ai fattori suddetti.

Quando lo scafo è a regime si deve avere, ovviamente, l'equilibrio fra tutte le forze orizzontali, le forze verticali e i momenti sul piano longitudinale. Succede, però, che una causa perturbante, anche piccola, può modificare momentaneamente questo equilibrio. Se, per esempio, la risultante delle pressioni dinamiche agenti sul fondo passa alternativamente da una posizione a poppa ad una posizione a prora del centro di gravità, lo scafo è soggetto a beccheggio, e questo beccheggio è associato con un "sali e scendi" che può sfociare in una serie di oscillazioni cicliche, che si mantengono automaticamente, e che gli americani chiamano "porpoising". Noi potremmo dire con un termine che sembra rispecchi bene il fenomeno, che lo scafo "galoppa" o "delfina", cioè imita il modo di nuotare dei delfini.

Come il lettore avrà potuto notare, la posizione del centro di gravità è un elemento basilare nel progetto di una scafo planante, in quanto a questa posizione è legato l'intero comportamento dell'unità in mare, sia nei riguardi della resistenza al moto, sia nei riguardi delle qualità nautiche. Come noto, il centro del galleggiamento è il fulcro per cui passa l'asse di rotazione quando la barca cambia assetto a causa d'imbarco, sbarco e spostamento di pesi. Di conseguenza, l'imbarco dei pesi mobili (combustibile, acqua e materiale di consumo) deve essere effettuato in modo tale che il relativo centro di gravità cada in corrispondenza del centro di galleggiamento della zona di sovraimmersione, che si trova vicino al centro di gravità dell'imbarcazione.

Spero con quanto detto di aver dato qualche elemento in più ai diportisti per aiutarli nella scelta di un'imbarcazione.