Il sensibile Equilibrio

Una barca ben bilanciata è il sogno di ogni velista: più veloce, più sicura. Le barche sono cambiate nel tempo. Un articolo tecnico per comprendere come fare. Fra gli aspetti progettuali più complicati che uno yacht designer si trova a dover risolvere, c’è sicuramente quello di centrare la barca, cioè posizionare in maniera adeguata piano velico e piano di deriva. Una barca ben equilibrata è una barca che non affatica l’equipaggio e garantisce buone prestazioni in un range di condizioni molto ampio. In effetti, dal corretto centraggio dipendono fortemente le qualità nautiche di una barca a vela, come la capacità boliniera, la facilità e il divertimento di conduzione, la stabilità di rotta, la reattività in manovra e la capacità di navigare sovrainvelati. Di fatto, sono diversi gli elementi che intervengono a rendere complicata la corretta disposizione di appendici e piano velico. Negli ultimi anni, questo campo dell’architettura navale ha goduto di un importante sviluppo grazie anche alla disponibilità di calcolatori in grado di far girare pesanti software di fluidodinamica numerica. Un esempio eclatante delle nuove possibilità raggiungibili è il Ghost, un fast cruiser di 122 piedi, 717 metri quadrati di vele e 120 tonnellate di dislocamento, che è talmente ben centrato e così accuratamente studiato nella disposizione delle superfici da non richiedere l’ interposizioni di sistemi di servoassistenza fra le due ruote e la pala del timone: questo megayacht si lascia condurre in punta di dita anche ad elevate velocità e a scafo sbandato. Per contro, non sono rari i casi in cui il bilanciamento si dimostra palesemente errato, con la conseguenza che, in certe condizioni, la barca richiede un impegno gravoso a chi sta al timone, fino a divenire addirittura ingovernabile se non si ricorre a ridurre una delle vele o a sventarla. Il centraggio delle superfici rappresenta un fattore che caratterizza fortemente la tipologia e il carattere di una barca a vela, anche se risulta difficile definire a priori e in maniera generalizzata uno standard che dia in maniera univoca ilcorretto centraggio della barca. Resta il fatto che una barca ben bilanciata che corre in una data direzione non naviga con un angolo di calettamento del timone nullo; il timone contribuisce al lavoro della deriva: se una barca è poggiera il timone dovrà contrastare questa tendenza generando una forza opposta a quella della deriva, con il risultato di aumentare il carico di lavoro della deriva e quindi, a parità di forme delle appendici, lo scarroccio. Viceversa, in una barca orziera il timone contribuisce al lavoro della deriva nel ricercare la forza trasversale che si oppone a quella sbandante del piano velico. Inoltre, una barca che tende automaticamente a mettere la prua al vento può vantare un fattore di sicurezza non trascurabile, poiché nella manovra di orzata si scaricano le vele riducendo il rischio di un eccessivo sbandamento. Per questi motivi, di solito si considera che buona barca non dovrebbe mai essere poggiera. Esiste quindi una giusta condizione nella quale è utile che la barca sia orziera, ma se si deve eccedere nell’angolo di incidenza della pala del timone, oltre a introdurre forti resistenze all’avanzamento che possono vanificare l’utilità di un minor scarroccio, si rischia di far stallare il profilo del timone, con la conseguenza di perdere il controllo dell’ imbarcazione che parte inevitabilmente in straorzata. Allo stesso modo la tendenza orziera di una barca aiuta il timoniere ad una conduzione più facile, poiché tutte le variazioni di pressione che entrano in gioco sulle vele vengono percepite sulla barra o sulla ruota come un aumento o una riduzione della forza richiesta per mantenere la rotta. Condizione necessaria per poter garantire un buon centraggio è quella di conoscere sia dove agisce la risultante delle forze aerodinamiche sulle vele, sia dove agisce la risultante delle forze idrodinamiche generate dalle appendici e dalla parte immersa della carena nelle varie andature e ai diversi angoli di sbandamento. Esistono delle eccezioni, come sempre. Ci sono barche disegnate per navigare in poppa sotto timone automatico (è il caso degli Open oceanici), dove si privilegia sostanzialmente questa condizione al resto usando chiglie piccole e arretrate, tanto che si impiegano derive mobili per ripristinare una corretta superficie di deriva per la bolina. Al timone si ha la strana sensazione di doverle “spingere” all’orza. Questo è talvolta un effetto indotto dalle ridotte superfici di deriva delle barche da regata, dove ovviamente si cerca di ridurre al massimo per migliorare la scorrevolezza. In generale questo non è un problema delle barche di serie anche se negli ultimi anni si sono visti notevoli progressi nell’uso di appendici “evolute” che migliorano la conduzione.

Forze e centraggio Quando una barca a vela naviga in una determinata direzione, tutte le forze laterali e longitudinali a cui è sottoposta sono mediamente in equilibrio e la barca è mediamente bilanciata. Queste forze sono generate principalmente dal piano velico e dall’opera viva della barca stessa. In tutto questo, la deriva ha lo scopo di formare una forza di uguale direzione e intensità della forza sbandante generata dal piano velico, ma con verso opposto. Le risultanti delle forze aerodinamiche e idrodinamiche che agiscono sul piano velico e sul piano di deriva hanno dei punti di applicazione caratteristici, la cui distanza in direzione verticale caratterizza il momento sbandante, mentreaedistanza in direzione longitudinale caratterizza il centraggio. A grandi linee si può dire che spostando avanti il centro aerodinamico del piano velico rispetto al centro di applicazione delle forze dell’opera viva, la barca diviene meno orziera o più poggiera, mentre spostandolo indietro la barca diviene meno poggiera o più orziera. In realtà, ci sono diversi altri fattori che influenzano il centraggio della barca, primo fra tutti lo sbandamento. Quando una barca naviga sbandata il centro di applicazione della forza propulsiva generata dal piano velico si sposta sottovento, mentre quello della forza di resistenza generata dalla deriva va a trovarsi sopravento. Più lo sbandamento è accentuato, maggiore è la distanza trasversale fra i due centri di applicazione delle risultanti e maggiore è l’intensità del momento a orzare: più una barca sbanda maggiore è la sua tendenza orziera. Quest’ultimo effetto è più evidente per imbarcazioni che hanno appendici molto profonde o un piano velico con un centro aerodinamico molto alto, come nel caso di un rig allungato o di una randa molto allunata. Allo stesso modo, una carena che quando sbanda lascia un’impronta in acqua molto asimmetrica dà vita ad un momento, più spesso a orzare che a poggiare, che introduce una nuova variabile nel centraggio delle superfici della barca. Il centraggio coinvolge quindi non solo il posizionamento longitudinale del piano velico nei confronti dell’opera viva, ma anche diverse caratteristiche geometriche e inerziali del rig e dell’intera barca a vela. Inoltre, la distanza longitudinale fra centro di applicazione delle forze aerodinamiche e il centro di applicazione delle forze idrodinamiche, non è fissa e varia in funzione di diversi parametri, come lo sbandamento e la regolazione delle vele. Non va poi trascurata l’efficienza del sistema di timoneria che deve garantire il controllo sulla direzione non solo a barca dritta, ma anche a barca sbandata. Lo sforzo che un timoniere deve fare per mantenere la rotta, può essere ridotto spostando lungo la corda della pala l’asse di rotazione, ma se la barca è poco bilanciata continuerà a richiedere correzioni e interventi che stancheranno presto il timoniere.

Applicazione delle Forze Nella definizione della posizione del centro di applicazione delle forze che agiscono sulla parte immersa dello scafo, ci si deve scontrare con problemi abbastanza complessi, principalmente legati agli effetti idrodinamici che caratterizzano determinate forme geometriche in movimento nell’acqua e che non sono sempre prevedibili a priori. In sostanza, si cerca un centro di resistenza laterale “CRL” caratteristico dell’opera viva di una barca a vela in cui si possono riassumere tutte le forze idrodinamiche che agiscono su tutta la parte immersa della barca. Sono diverse le teorie sufficientemente attendibili che consentono una valutazione abbastanza veloce della posizione del CRL in uno scafo completo di appendici; si tratta di metodi che mettono in relazione il centro idrodinamico con quello geometrico delle forme in esame (appendici comprese) appoggiandosi a casistiche legate a determinate configurazioni di carena testate in vasca navale. Per esempio, nel caso di scafi a chiglia lunga con timone integrato nella deriva l’unico metodo disponibile per un progettista per trovare a priori un CRL è quello di utilizzare il centro geometrico del profilo laterale dell’ opera viva della barca e relazionarlo, in base a valutazioni empiriche, al centro velico della barca: si tratta di una metodologia centenaria che può vantare una libreria ricchissima di casistica a cui far riferimento. Nel caso di imbarcazioni a deriva allungata e ben separata dalla pala del timone si possono utilizzare metodologie molto semplificate, ma in grado di fornire risultati abbastanza realistici. L’altro aspetto necessario ad una valutazione del centraggio della barca è legato alla definizione del centro velico, cioè del centro di applicazione delle forze aerodinamiche. La posizione di centro aerodinamico CA varia in funzione di come sono regolate le vele: per esempio, quando si naviga al gran lasco e il vento apparente arriva sulle vele con un’incidenza di 90 gradi, il flusso della superficie sottovento della vela è completamente separato e la forza aerodinamica ha una risultante che agisce in corrispondenza del centro geometrico della vela; nelle andature dalla bolina al traverso, invece, le vele lavorano alla stregua di ali e, quindi, senza far separare la vena fluida, con il risultato che il centro delle forze aerodinamiche si sposta verso il bordo d’ attacco della vela stessa e quindi verso prua. E’ noto poi che una più una vela è magra, più si sposta a prua il suo CA e, viceversa, più il grasso di una vela è accentuato, più il suo CA si avvicina al centro geometrico della vela. Smagrendo o ingrassando le vele si influisce quindi sul bilanciamento della barca e, di conseguenza, sulla forza con cui si deve agire sulla ruota o la barra del timone. Noti il CRL e il CA di opera viva e piano velico, si deve procedere al loro corretto posizionamento in modo tale che la barca risulti equilibrata. Posizionare in maniera adeguata il piano velico rispetto alle appendici e in generale al CRL della carena non è immediato e affrontare l’argomento in maniera completamente teorica è rischioso e complesso; con l’aiuto dell’esperienza e di test in vasca navale, sono state formulate metodologie abbastanza empiriche, ma che hanno dimostrato un buon riscontro con le aspettative. In ogni caso, tutti i metodi prevedono che il CA sia posto a prua del CRL di una certa distanza (che di solito si chiama “passo”), che dipende da come si sono valutate le posizioni dei centri aerodinamici e idrodinamici e dal tipo di barca a vela che si sta considerando. Per esempio, imbarcazioni larghe, la cui impronta in acqua a scafo sbandato diviene fortemente asimmetrica, oppure imbarcazioni a chiglia lunga o con superfici veliche molto allungate o, anche, imbarcazioni poco rigide alla tela e propense a navigare molto sbandate, sono tutte caratterizzate dalla necessità di dover prevedere un aumento della distanza fra CA e CRL rispetto a soluzioni più tradizionali. Talvolta, tanto per complicare le cose, i progettisti fanno entrare nei loro calcoli anche i volumi della barca e non solo la superficie laterale, supponendo (non a torto) che ci sia una interazione diretta nel comportamento della carena in alcune condizioni, per esempio nel passaggio sull’onda.

Bilanciamento del timone Se il timone non è adeguatamente compensato, può richiedere una eccessiva forza per essere manovrato o può richiedere una demoltiplica esagerata: patologie che riducono il piacere e la facilità di conduzione o, nei casi peggiori, pregiudicano la possibilità di mantenere una rotta voluta. Il momento trasmesso dall’asse del timone alla barra o ai frenelli è pari alla forza sviluppata dalla pala del timone moltiplicata per la distanza fra l’asse stesso e il centro di applicazione della forza idrodinamica CP. Giocando sulla distanza fra asse e CP si può quindi rendere più o meno duro il comando del timone. La posizione del centro di pressione CP su una pala del timone dipende fortemente dal suo allungamento cioè dalla relazione fra corda del profilo e lunghezza della pala. Più un timone ha una forma in pianta allungata, più il CP si avvicina al 25% della corda del profilo (vedi figura 1). E’ importante non posizionare l’asse del timone a poppa del CP poiché si finirebbe con sovracompensare la pala, innescando una condizione di forte instabilità, un po’ come quando si procede a marcia indietro a forte velocità e basta un accenno alla rotazione del timone perché questi scappi dalle mani finendo a fondo corsa. Un metodo per la valutazione del CA e del CRL Un metodo semplice per la valutazione della posizione del punto di applicazione della risultante delle forze di resistenza laterali che agiscono su tutta l’ opera viva (CRL) è quello proposto da Nomato e Tatano sullo sviluppo dei lavori di Gerritsma. Questo metodo, applicabile su imbarcazioni che hanno una deriva a pinna, valuta il CRL unicamente sulla pianta della deriva, come fosse prolungata fino alla linea di galleggiamento. Il CRL si trova sull’intersezione fra la linea orizzontale posta al 45% del pescaggio massimo (sotto al galleggiamento) con la linea che unisce il punto al 25% della corda locale della deriva alla sua estremità con quello al 25% del prolungamento della deriva sulla linea di galleggiamento. Questo semplice metodo presume che il contributo del timone e di quello della parte prodiera della carena (di solito meno arrotondata di quella poppiera e quindi più influente sulla capacità direzionale della barca) si annullino. Il centro aerodinamico CA del piano velico è valutato in maniera abbastanza empirica facendolo corrispondere al centro geometrico della vela come fosse considerata piana. In realtà, per bassi angoli di incidenza delle vele il CA è più spostato verso il bordo d’attacco della vela, inoltre, la figura 2 mostra come il rapporto fra corda e grasso della vela possa contribuire a spostare la posizione del CA della vela e, di conseguenza, il bilanciamento della barca. L’ ipotesi di posizionare il CA nel centro geometrico al fine della valutazione del centraggio dà, nella pratica, buoni riscontri a patto di ricavare il centro geometrico della vela senza considerare l’allunamento di randa e fiocco. Il centro aerodinamico totale del piano velico è valutato mettendo in relazione i CA delle singole vele e le rispettive superfici: in questo processo l’eventuale presenza di mezzana o trinchetta viene stimata sulla metà della loro superficie effettiva. La distanza sul piano verticale fra CRL e CA, statisticamente, dovrebbe essere, per uno sloop armato in testa d’albero, compresa fra il 4 e il 10 per cento della lunghezza al galleggiamento, mentre per un armo frazionato dovrebbe essere compresa fra il 3 e il 7 per cento della lunghezza al galleggiamento. Si deve tener presente che questo tipo di valutazione dà indicazioni di massima sul corretto centraggio e non certo valori inconfutabili. La figura 3 mostra un esempio di bilanciamento fatto con questo metodo semiempirico, dove, nota la distanza i, si ricava la distanza a (e quindi la posizione del centro velico totale CA) come: a= (i * SVf)/(SVr + SVf) dove SVf è la superficie velica della vela di prua, mentre SVr è la superficie velica della randa. Nel caso specifico della figura 3, la barca ha un armo a sloop frazionato, una lunghezza al galleggiamento di 10,98 metri, una randa dalla superficie di 53,8 metri quadrati e un fiocco di 46,2 metri quadrati. Scelta quindi una distanza fra CRL e CA che sia il 5 per cento della lunghezza al galleggiamento si ha: i = 3,96 m a= (i * SVf)/(SVr + SVf)= 1,96 m Lead = Lg * 0,05= 0,55 m