By Le vele moderne
Una barca a vela avanza più velocemente se il vento soffia in senso contrario o lateralmente rispetto al suo avanzamento. In questo articolo spiegheremo perché, analizzando le idee progettuali alla base degli scafi e delle vele moderne.
La portanza
Per comprendere il funzionamento delle vele moderne, bisogna prima di tutto avere chiaro il concetto di portanza.
Ogni volta che un fluido (gas o liquido che sia) investe perpendicolarmente un’ala parallelamente alla sezione dell’ala stessa, si ha la comparsa di una forza di spinta detta portanza. Le ali hanno dimensioni e forme molto diverse a seconda delle applicazioni, ma presentano tutte lo stesso tipo di sezione, chiamato profilo alare.
Osservando un profilo alare, possiamo analizzare la distribuzione delle pressioni del fluido che scorre attorno ad esso. Dall’animazione si può notare che, grazie alla particolare forma geometrica del profilo, la velocità del flusso al di sopra della superficie convessa risulta essere maggiore della velocità al di sotto della superficie concava. Questa differenza di velocità causa una differenza di pressione, che diventa più alta nella parte concava. La differenza di pressione causa a sua volta la già citata portanza (lift), una forza che agisce perpendicolare alla superficie alare.
Le cause fluidodinamiche che spiegano la differenza di pressione richiederebbero spiegazioni particolarmente complesse: ai nostri scopi sarà sufficiente prendere atto degli effetti prodotti dalla generica interazione ala – fluido. Per approfondire la teoria della portanza, suggeriamo la lettura di questo articolo.
Vento in poppa: vele quadrate
Di solito si tende a pensare che una vela riceva spinta massima quando il vento soffia dalla poppa dell’imbarcazione. Questo metodo di propulsione molto intuitivo, ormai abbandonato, era utilizzato nei velieri di qualche secolo fa. Queste imbarcazioni erano dotate di numerose vele rettangolari e presentavano un’ampia superficie velica perpendicolare allo scafo. Una spinta del vento dal retro permetteva di raggiungere velocità elevate, ma solo se il vento soffiava dalla direzione giusta. Al variare della direzione del vento le vele quadrate, per quanto ampie, diventavano estremamente inefficienti e, in caso di vento contrario, del tutto inutili. Questo importante problema, unito ai progressi nella comprensione del funzionamento delle vele alternative a quelle quadrate, ha portato le barche a vela moderne ad adottare un sistema propulsivo molto differente da quello della vela quadrata.
Controvento: vele moderne
Le vele moderne hanno una filosofia progettuale per certi versi opposta: come abbiamo già accennato all’inizio dell’articolo, questo tipo di vele fornisce la massima spinta quando il vento proviene dalla parte anteriore dell’imbarcazione.
Immaginiamo di prendere un’ala d’aereo e di posizionarla verticalmente con la punta orientata verso l’alto: si noterà subito la forte somiglianza con le vele di cui ci stiamo occupando.
Alla somiglianza nella forma segue una forte somiglianza funzionale: la vela infatti non è altro che una generatrice di portanza. Allo stesso modo delle ali, anziché cercare di esporre la massima superficie contro il vento, cercherà di sfruttare il flusso “tagliandolo”. A causa dell’orientamento verticale della vela, la portanza generata sarà parallela alla superficie dell’acqua; il vettore che la descrive varierà direzione e verso a seconda della direzione del vento rispetto alla barca.
Velocità relativa tra vento e vela
Si prenda un sistema di riferimento solidale ad un’imbarcazione che avanza a una data velocità. Sopra una certa velocità, è ragionevole pensare che il vento percepito nel sistema di riferimento scelto provenga frequentemente dalla prua. Infatti, la velocità relativa tra vento e vela è uguale alla somma della velocità reale del vento e della velocità della barca stessa. Per esempio, se una barca raggiungesse i 30 Km/h sarebbe necessario un vento da poppa di almeno 31 Km/h per avere una lievissima brezza di 1 Km/h proveniente dal retro; con 25 Km/h di vento da poppa la vela percepirebbe comunque un vento da prua di 5 Km/h. Alla fine dell’articolo si vedrà come in realtà questo tipo di vela possa gestire venti da tutte le direzioni; per ora tuttavia ci concentreremo sulle condizioni di moto più efficienti, ovvero quello col vento in prua. Sotto la ragionevole ipotesi di vento da prua con angolo generico tra profilo alare e vento, si possono finalmente analizzare gli effetti delle forze aerodinamiche sul moto della barca. In particolare, si può andare a scomporre la portanza in due contributi distinti.
I contributi della portanza
Il primo contributo della portanza è parallelo allo scafo. Esso è responsabile della spinta che permette alla barca di avanzare.
Il secondo contributo della portanza è perpendicolare allo scafo. Questa forza è inutile ai fini della propulsione, e deve essere perciò contrastata da una forza altrettanto grande in modo da essere annullata. Se non venisse contrastata, lo scafo verrebbe sottoposto ad un forte momento e si ribalterebbe.
Un profilo di vela (in nero) visto dall’alto investito dal vento (frecce in azzurro). In rosso la portanza; in viola la componente propulsiva; in giallo la componente non propulsiva.
Per generare la forza di contrasto si possono adottare diverse strategie: la più comune prevede il posizionamento di una pinna (foil) molto lunga e pesante al di sotto dello scafo che impedisca alla barca di ribaltarsi.
Nelle imbarcazioni da competizione si fa invece largo uso di vere e proprie ali subacquee, che sono in grado di generare un momento uguale e opposto a quello della portanza. Questa soluzione richiede una calibrazione molto sofisticata (le portanze della vela e delle ali variano costantemente nel tempo) ma fornisce anche grandi vantaggi. Oltre ad annullare i momenti indesiderati, infatti, le ali subacquee generano una portanza sufficiente a sollevare l’intero scafo dall’acqua, eliminando gran parte degli attriti.
Due dei metodi utilizzati per equilibrare i momenti dovuti alla componente non propulsiva della portanza (sempre in giallo). Le barche sono osservate dal retro. Sulla sinistra si trova la soluzione convenzionale che fa uso della pinna (chiamata chiglia a bulbo); sulla sinistra si trova una delle possibili soluzioni adottabili per sfruttare le ali subacquee.
Un’ala orientabile a (quasi) 360 gradi
Poiché il vento può ovviamente provenire sia da sinistra che da destra, le vele, a differenza delle ali di un aereo, devono poter generare portanza da un lato o dall’altro a seconda delle situazioni. Per disporre di questa versatilità di solito si tende ad utilizzare una semplice superficie singola e non rigida, che può facilmente invertire la sua concavità quando richiesto. Essendo questo tipo di profilo leggermente diverso dal più efficiente profilo alare, si paga il prezzo dell’estrema versatilità con un’efficienza meno perfetta di quella di un’ala. Vi è anche un’altra caratteristica che aumenta la versatilità di queste vele: mentre le vele quadrate non possono navigare controvento, le vele moderne possono all’occasione navigare col vento in poppa comportandosi come vele quadrate. Le vele moderne quindi, come si può notare dall’immagine seguente, sono capaci di generare una spinta nel verso desiderato con la maggior parte dei possibili orientamenti del vento.
Tutte le possibili configurazioni della vela rispetto a una direzione del vento fissata. In rosso si ha l’unica zona in cui la barca non riesce ad avanzare. Con le vele tecnologicamente più avanzate questo angolo ha un’ampiezza molto più contenuta di quello illustrato (arriva a 20-25 gradi). Per avanzare in quella specifica direzione la barca deve procedere a “zig-zag”, alternando le due configurazioni B. Le configurazioni che offrono la massima velocità sono la B e la C.
Le possibili applicazioni future
Con la crescente attenzione dell’opinione pubblica e dei governi alle emissioni dei trasporti, la vela potrebbe tornare nel prossimo futuro a giocare un ruolo importante. Wallenius Marine, un costruttore nautico, ha recentemente confermato che nel 2024 verrà varata Oceanbird, una nave cargo a vela che sarà in grado di ridurre del 90% le emissioni a parità di carico. Il trasporto su vela resta più lento del 70% circa rispetto al trasporto convenzionale; tuttavia, oltre ai vantaggi d’immagine, gli indubbi vantaggi economici sarebbero notevoli, grazie ai costi di viaggio ridotti e grazie alle evitate sanzioni sulle emissioni. Questa idea potrebbe inoltre funzionare in numerosi altri contesti diversi dal trasporto cargo. La vela ha accompagnato l’uomo per millenni e, forse, tra poco, questa lunga storia tecnologica avrà un nuovo capitolo.
Fonti
- Businessinsider Italia
- Focus
- Istituzioni di Ingegneria aerospaziale (Quaranta, Hansen, Zanotti – 2018)
- Physics of Saling (John Kimball – 2010)
- Design of a Cruising sail yacht with an Experimental Fluid Dynamics investigation into Hydrofoils (pdf)
