CHIGLIE BASCULANTI

26 June 2008
CHIGLIE BASCULANTI
Già alla fine del XIX secolo, alcuni dei mastri d’ascia più illuminati avevano provato a realizzare piccoli yacht da regata con zavorra mobile da spostarsi a babordo o a tribordo a seconda delle mura alle quali ci si trovava a navigare. Una soluzione che aumentava la capacità raddrizzante e quindi le prestazioni. I panetti di piombo, dotati di una maniglia in legno, venivano spostati a mano dai marinai, un lavoro che doveva essere lungo, faticoso e pericoloso, che and...

Introduzione

Già alla fine del XIX secolo, alcuni dei mastri d’ascia più illuminati avevano provato a realizzare piccoli yacht da regata con zavorra mobile da spostarsi a babordo o a tribordo a seconda delle mura alle quali ci si trovava a navigare. Una soluzione che aumentava la capacità raddrizzante e quindi le prestazioni. I panetti di piombo, dotati di una maniglia in legno, venivano spostati a mano dai marinai, un lavoro che doveva essere lungo, faticoso e pericoloso, che andava ripetuto ad ogni virata. Quando lo yacht sbandava in maniera eccessiva la zavorra si spostava da sola rischiando di sfondare il fasciame o di far ribaltare la barca. Negli anni la zavorra è passata dalla sentina alla deriva e dalla deriva a grosse torpedini appese all’estremità di ali sempre più sottili. Le moderne barche da regata contengono nella torpedine oltre il 40 per cento del loro intero dislocamento e nei più recenti Coppa America arrivano a superare l’80 per cento. Spostare sopravento una simile quantità di zavorra significa incrementare la potenza di una barca in modo decisamente importante. Le prime applicazioni di chiglia basculante sono state sui Minitransat, i piccoli mostri che attraversano l’Atlantico e che fanno della “potenza” una necessità per planare, poi è stata la volta degli Open 60, che qualche problemino di messa a punto in più l’hanno avuto a causa delle grandi sollecitazioni strutturali e delle forti velocità innescate da queste barche. Oggi, a distanza di molto tempo, la chiglia basculante, pur se utilizzata da un numero di barche sempre maggiore e non solo da regata, rimane una tecnologia costosa sia dal punto di vista economico che tecnologico e, in termini assoluti, è divenuta una necessità per tutti i monoscafi che vogliono raggiungere prestazioni elevate. Nonostante lo scetticismo che ancora ruota intorno all’affidabilità e alla robustezza di questo tipo di rimpianto, anche chi profondamente contrario alla canting keel, come l’armatore di Alfa Romeo Neville Crichton, è dovuto ricorrere a questo artifizio per la sua nuova barca: «…voglio vincere, qualsiasi cosa io possa credere giusta o sbagliata di una tecnologia che è permessa dal regolamento e che rappresenta la differenza fra vincere e perdere, poco importa: io non posso far altro che usare questa tecnologia». Qualcuno ci ha provato anche su barche non proprio destinate alla regata, è il caso di Juno, uno dei primissimi yacht ad avere la funzione di deriva svincolata da quella di zavorra, voluto da Sandro Buzzi con progetto di Britton Chance. Come poi il Wally Tiketitan. Sono barche in cui la superficie di deriva necessaria di bolina è ottenuta con lame aggiuntive, perché ovviamente quella di sostegno della zavorra non è più in grado di assolvere completamente alla funzione di superficie laterale. Questa variazione del piano di deriva pone a sua volta qualche questione, ma migliora la versatilità complessiva del sistema: il centro di deriva può essere avanzato di bolina e arretrato al lasco, come ben sperimentato dagli open 60 e dai Vor 70. L’applicazione del sistema a chiglia basculante è, in effetti, un argomento sempre meno controverso, che sta trovando una sua reale collocazione nella tipologia di barche nelle quali viene impiegato. Già molti maxi montano questo tipo di sistema con risultati ottimi per quanto concerne le performance e sempre migliori per quanto riguarda l’affidabilità, anche se casi eclatanti non mancano, come quello di Skandia nella Sydney Hobart del 2004 e come gli angoscianti e continui problemi fatti registrare dai Vor 70, che hanno avuto come apice l’abbandono di Movistar nell’Atlantico. Del resto, gli Open 60 hanno ormai la chiglia basculante da diverse generazioni e, oltre ad una provata affidabilità, hanno dimostrato una longevità sorprendente. Vanno tenute presenti comunque le forti differenze di carico, e quindi di struttura, tra un maxi di trenta metri e un più normale diciotto metri da condurre in solitario.

Massimo raddrizzamento

Massimo raddrizzamento La risultante delle azioni aerodinamiche che agiscono sulle vele si può scindere in due componenti, una longitudinale in direzione del moto, che è la forza propulsiva, e una in direzione trasversale al moto, quella che dà vita al momento sbandante. Il momento sbandante è contrastato da un momento raddrizzante, combinazione delle azioni generate da una zavorra e da una forma geometrica della carena che sposta sottovento il centro di galleggiamento trasversale all’aumentare dell’inclinazione. In una barca che naviga a regime, momento sbandante e momento raddrizzante sono in equilibrio, equilibrio che si raggiunge grazie al fatto che, all’aumentare dello sbandamento, l’efficienza del piano velico diminuisce (diminuisce quindi anche la forza sbandante), mentre generalmente aumenta il momento raddrizzante. Maggiore è il momento raddrizzante, maggiore è la forza aerodinamica che può generare il piano velico a pari condizioni di navigazione: di fatto, la stabilità laterale è uno dei fattori che più profondamente influenzano le prestazioni di una imbarcazione a vela. L’aumento del raddrizzamento si può ottenere sia cercando forme di carena particolarmente larghe, sia aumentando e abbassando la quantità di zavorra. La prima soluzione consente una costruzione leggera e tale da garantire angoli di sbandamento contenuti, ma paga una forte asimmetria nelle andature a scafo sbandato, tali da aumentare la resistenza all’avanzamento soprattutto nelle andature di bolina. La seconda consente di realizzare carene più strette e performanti nelle andature controvento, ma richiede una aumento del dislocamento e quindi un forte aumento della resistenza all’avanzamento. La soluzione di utilizzare della zavorra ad acqua in serbatoi laterali riempiti solo dal lato sopravento, permette di ottenere un elevato raddrizzamento già a piccoli angoli di sbandamento con un miglioramento delle performance del piano velico, ma comporta un incremento del dislocamento proporzionale all’aumento del raddrizzamento. Uno yacht che sbanda poco è in grado di sfruttare in maniera più efficace le potenzialità del proprio piano velico. Allo stesso modo, il sistema a chiglia basculante aumenta il momento raddrizzante soprattutto ai piccoli angoli di sbandamento, spostando la zavorra sopravento, senza richiedere l’imbarco di pesi ulteriori e permettendo forme di carena meno vincolate alle necessità della stabilità di forma e maggiormente indirizzate all’efficienza idrodinamica. Del resto, sistemi analoghi sono quelli impiegati sulle derive e in modo più esasperato sugli skiff, dove l’equipaggio sposta il proprio peso sopravento per raddrizzare la barca; anche nei grandi yacht, in regata si sposta sopravento tutto quanto possibile, dalle vele ai viveri. L’impiego della chiglia basculante, oltre a garantire un aumento sostanzioso delle performance, consente di navigare con lo scafo meno sbandato, al limite senza sbandamento, con un aumento della vivibilità a bordo non certo trascurabile. Di fatto, pur se a beneficiare delle chiglie basculanti sono nella maggior parte dei casi barche da regata, ci sono alcuni cantieri e progettisti che impiegano la canting keel anche su imbarcazioni per la crociera veloce, dove l’aumento del raddrizzamento è asservito, prima ancora che alla ricerca delle prestazioni,alla possibilità di tenere lo scafo orizzontale a favore di maggior comfort in navigazione.

Problemi e pregi

Problemi e pregi Basculare una chiglia zavorrata significa introdurre carichi notevoli sulle strutture della barca, carichi che dipendono dalla movimentazione della chiglia stessa e dall’aumento del raddrizzamento, ovvero carichi introdotti dal piano velico e, in generale, dal rig. Spostare sopravento di qualche decina di gradi una deriva profonda e zavorrata con diverse tonnellate, significa dover fornire ai pistoni idraulici che la movimentano, e che lavorano con una leva molto sfavorevole, una potenza stremamente alta. Dai primi Minitransat che ruotavano la loro piccola chiglia con un sistema di paranchi, si è passati oggi a estremi come quelli di Mari Cha IV, il ketch di 140 piedi che basculla di 40° per lato una chiglia profonda 6.5 metri acui è appeso un bulbo di 10 tonnellate. Il suo unico martinetto idraulico lavora a trazione e compressione generando una forza di decine di tonnellate, introducendo nella struttura carichi molto violenti che si ripercuotono in maniera diretta su tutta la zona limitrofa dello scafo. Basti pensare a cos’è accaduto ai Vor 70, i cui equipaggi hanno lottato per tenere a galla barche che, oltre alle avarie dell’impianto, hanno subìto importanti e delaminazioni nelle zone intorno alla struttura della canting keel. Non è poi da trascurare il fatto che la chiglia ruota intorno ad un perno attraverso il quale passa la gran parte degli sforzi a cui è soggetta la barca in navigazione, carichi che crescono enormemente quando si considerano le accelerazioni inerziali dovute al moto ondoso. Se già il dimensionamento della scassa è causa di complessi calcoli strutturali, la valutazione delle condizioni reali di utilizzo è la vera problematica che devono affrontare i progettisti e gli strutturisti: non è infatti scontato definire in quali situazioni navigherà la barca e, soprattutto, come si comporterà a livello di beccheggio rollio e imbardata nel passaggio fra le onde, caratteristiche non conoscibili a priori, poiché dipendono dalle qualità geometriche e inerziali dell’intera barca in relazione al moto ondoso specifico e alla velocità di navigazione. L’inclinazione sopravento della chiglia, oltre a consentire un aumento del raddrizzamento, diminuisce l’efficienza del piano di deriva riducendone la superficie utile e rendendo necessario l’impiego di una o due ali che possono essere retrattili, fisse o mobili attorno al loro asse. Ali retrattili, o foils, vengono immerse in acqua quando la chiglia è ruotata sopravento; sono doppie nel caso si impieghino profili asimmetrici. Diviene sempre più attuale, soprattutto sulle barche grosse, la disposizione di un’ala prodiera a incidenza variabile che assolve la funzione di secondo timone. Un aspetto negativo legato alla canting keel è l’aumento del numero di meccanismi imbarcati per i quali è necessaria un’attenta manutenzione. Per quanto possa essere ben fatta una canting keel sarà sempre più delicata di una soluzione e chiglia fissa: bisognerà quindi stare molto accorti sia a non toccare il fondale sia nella gestione della movimentazione con mare formato o nelle manovre più veloci. Nonostante l’impiego di plc dedicati, e quindi di software che gestiscono il basculamento in condizioni di uso normale e in situazioni di emergenza, rappresenti uno dei grossi passi avanti nello sviluppo della tecnologia della chiglia basculante, la gestione della navigazione diviene inevitabilmente più complessa, di conseguenza la competenza di chi governa deve essere maggiore.

Un esempio concreto

Raddrizzamento e carichi del Rig Un confronto fra le due curve di raddrizzamento ricavate per la barca con chiglia fissa e quella con chiglia basculante dà un’idea di quali siano gli effetti diretti apportati da una soluzione a canting keel. E’ immediato notare quanto il raddrizzamento della versione della barca con canting keel sia più elevato e traslato verso sinistra: con chiglia basculata a 40° sopravento e angolo di sbandamento nullo si ottiene un valore del raddrizzamento che la versione con chiglia fissa ottiene solamente una volta sbandata di ben 20°. Quando la barca con chiglia basculata sbanda di 14°, quella con chiglia fissa genera lo stesso raddrizzamento a ben 47°, decisamente molti, tali da costringere l’equipaggio a ridurre le vele o a lascare la randa. Per contro, si nota che il massimo angolo di stabilità positiva nel caso di barca con chiglia basculata di 40 gradi è di soli 136 gradi, mentre quello della barca a chiglia fissa è di ben 163 gradi. La prima conseguenza è che la maggior potenza garantita dalla soluzione a canting keel introduce ulteriori carichi sul rig, che quindi dovrà essere adeguatamente dimensionato. Utilizzando i metodi esposti sul numero di aprile 2006 di Vela e Motore, si ricava che, a parità di intensità del vento e di andatura, le lande della versione a con canting keel devono sopportare un carico maggiorato del 30% rispetto a quello della versione a chiglia fissa; allo stesso modo, strallo di prua e volanti dovranno essere dimensionati per un carico di rottura che cresce del 65%. Valori importanti, che danno un’idea della crescita esponenziale delle sollecitazioni a cui si trova sottoposta tutta la barca. E’ quindi evidente che una barca con canting keel deve essere progettata in modo specifico e che deve, quindi, avere strutture adeguatamente dimensionate e quindi più pesanti di quelle dedicate ad una barca con chiglia fissa. Le prestazioni Un confronto fra le prestazioni ottenibili dalle due barche mette in evidenza il sostanzioso aumento di velocità a tutte le andature e in tutti i regimi di vento. Queste curve sono indicative e ricavate da un programma di predizione delle velocità sulle geometrie della barca presa come esempio e valutata nelle due diverse configurazioni. La simulazione prevede l’uso di un gioco di vele che comprende randa genoa a bassa sovrapposizione e grande gennaker in testa d’albero. Le curve rosse si riferiscono alla versione dotata di canting keel e con chiglia basculata quanto serve a massimizzare le performance caso per caso. La curva blu si riferisce alla barca allestita con deriva fissa. Si nota come con nove nodi di vento e al gran lasco le prestazioni delle due barche tendano a sovrapporsi, questo a causa del fatto che la barca a deriva basculante è costretta a ridurre l’angolo di inclinazione della deriva fino a portarla in posizione verticale a causa del poco vento e quindi della poca pressione sulle vele. Le performance della barca con chiglia basculante sono mediamente superiori di circa il 10% nelle andature dalla bolina larga al lasco, mentre il divario si riduce nelle andature di bolina stretta. Le prestazioni della barca nelle due configurazioni sono decisamente elevate, si tratta infatti di un racer estremo, scelto per evidenziare le differenze fra una soluzione e l’altra. Su imbarcazioni meno spinte, in cui viene associata una canting keel ad una carena larga dall’elevato raddrizzamento di forma, l’aumento di prestazioni è meno evidente, soprattutto nelle andature di bolina.

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