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www.cantierino.it
Teoria
Questo articolo valuta come un multiscafo
si comporta sulle onde rispetto al rullaggio ed al beccheggio. La stabilità è
valutata sia in relazione al vento ed alle onde. In particolare sarà fatto
riferimento al lavoro del Prof Marchaj “Seaworthiness the Forgotten Factor” (Le
qualità marine di una barca). I multiscafi sono studiati con gli stessi criteri
con cui nel libro sono valutati i monoscafi , facendo un chiaro confronto tra
vecchi e nuovi progetti di multiscafi e i monoscafi, con particolare riguardo al
rovesciamento per onde e vento.
Altri fattori che influenzano la marinità
come il beccheggio, il surfing, il rullaggio, lo yawing (ndr vedasi “I movimenti
della barca”) sono altresì trattati.
Viene presentata un’analisi vettoriale
dalle forze di portanza/resistenza che agiscono su un multiscafo ed ogni
fattore come la resistenza dello scafo, superficie esposta al vento, efficienza
della chiglia e dell’attrezzatura ecc sono direttamente messi in relazione alla
capacità di stringere il vento.
Questi fattori sono riferiti a diversi
tipi di multiscafi ed è chiaramente dimostrato perché i vecchi multiscafi non
stringevano bene il vento, e perché invece quelli moderni lo fanno.
Viene presentato e riferito a progetti
reali un metodo per calcolare la velocità del vento alla quale uno yacht
smetterà di risalire il vento con la analisi di come migliorare l’abilità
controvento in condizioni di burrasca e quindi come migliorare la “marinità”.
Sono presentate inoltre: una breve
analisi sulle moderne tecniche di costruzione per diminuire la fatica dei
materiali e le grandi concentrazioni di stress nonché gli effetti di danno da
collisione con una nota di come il CAD può essere usato per migliorare
l’aerodinamica di una barca al di sopra dell’ acqua.
Capacità marina - concetti di base
La marinità di una barca, nel senso più
ampio, è la capacità di una barca di assicurare sicurezza e confort al proprio
equipaggio in tutte le condizioni metereologiche. Il concetto di marinità non
deve essere considerato solo come condizione di sopravvivenza in una tempesta
poiché le imbarcazioni possono essere perdute sia in condizioni moderate che
sotto tempesta.
Gli effetti della fatica nei materiali di
costruzione e nell’attrezzatura possono risolversi in un cedimento in venti
moderati, e la fatica dell’equipaggio dovuta a movimenti estremi può risolversi
in un errore di valutazione o l’esaurimento molto prima che si sia verificata
una situazione pericolosa.
La collisione per esempio può avvenire in
qualsiasi momento ed è un motivo di perdita di molti yacht e, secondo me, un
pericolo maggiore che una tempesta.
I
n queste pagine spiegherò alcuni dei
molti fattori che influenzano la marinità dei multiscafi, comprendendo le
capacità in controvento, la stabilità, il moto sulle onde e rollio e beccheggio.
Spiegherò come la costruzione può essere progettata per ridurre le
concentrazioni di stress e di come la fatica dei materiali è presa in
considerazione.
Indicherò come differenti multiscafi
possono essere resi sicuri in caso di collisione in mare. Lungo il percorso
mostrerò come il computer può aiutare nel disegno di forme di scafo per
controllare il beccheggio, prevenire tendenze all’affondamento della prua e
migliorare la forma aerodinamica.
Il lavoro più approfondito sulla
marinità negli yacht moderni è dovuto a “Seaworthiness the Forgotten Factor” di
C.A. Marchaj. Sfortunatamente il libro si concentra quasi esclusivamente sul
disegno del monoscafo e molto poco è detto sui multiscafi. Poiché lo spazio è
limitato, non ridefinirò le formule e i criteri per la marinità, che sono
chiaramente spiegate nel libro, invece andrò direttamente a mostrare come un
multiscafo si inserisce in questa rappresentazione.
Leggendo Seaworthiness the Forgotten
Factor non posso fare a meno di pensare costantemente quanti pochi dei vizi e
problemi attribuiti ai monoscafi riguardino i multiscafi moderni.
Durante gli ultimi 20 anni sono
apparsi una quantità di diversi multiscafi tutti con differenti caratteristiche
di navigazione e qualità marine. C’è stato un netto miglioramento nel
comprendere i fattori richiesti per rendere un multiscafo sicuro e veloce,
producendo barche che sono estremamente marine, come sarà dimostrato nelle
seguenti analisi
I fondamentali tipi di multiscafi sono
elencati di seguito.
Ovviamente questi sono i casi estremi,
e molte barche andranno a cavallo di più categorie.Questo raggruppamento
rappresenta un ordine cronologico solo in modo molto generale. Barche che hanno
alcune delle caratteristiche dei tipi più moderni possono essere trovate in
multiscafi il cui disegno data più di 1000 anni. D’altro lato barche di tutti i
tipi sono ancora progettate e costruite. Da un punto di vista soggettivo, la
sequenza qui proposta segue strettamente la mia personale esperienza di
navigazione e progettazione. Dapprima ho traversato l'Atlantico circa 17 anni
fa sui “tipo 1”, più tardi l’ha attraversato di nuovo sui “tipo 2” e pochi anni
fa sui “tipo 3” . Recentemente la maggior parte dei miei viaggi oceanici di
lunga distanza sono stati a bordo di catamarani del “tipo 6”. Per cui le
“generazioni” sono più applicabili a me stesso che ad un criterio generale,
sebbene molti osservatori dello sviluppo dei multiscafi moderni siano d’accordo
con le grandi linee dei singoli tipi.
La chiglia nel senso usato qui sotto è
un’appendice per resistere sottovento. La chiglia non è zavorrata come nei
monoscafi e può essere fissa, retraibile sia verticalmente che basculante. Il
termine amas designa gli scafi esterni dei trimarani , altresì spesso
chiamati “outriggers”,o designa lo scafo piccolo dei proa.
1) Il tipo più vecchio di trimarani;
Relativamente pesanti. Molta superficie al vento. Inefficienti
idrodinamicamente e nella forma della chiglia, spesso sia con chiglia fissa
che del tutto senza. Piccola superficie velica. Spigoli vivi e molta
superficie bagnata. Scarso controllo del beccheggio, Media volume di
galleggiamento degli amas ( circa il 110% del dislocamento della barca). Gli
amas di solito erano contemporaneamente entrambi in acqua . Baglio stretto
(rapporto lunghezza/baglio = 2). Costruzione spesso incerta, spesso in fogli
di compensato. Bassa resistenza alla fatica di lungo termine..
2) seconda generazione di trimarani
Diventano più leggeri. Piani velici più
ampi. Minori spazi interni. Basso volume di galleggiamento degli amas (dal 75
al 90%). Baglio largo (Lunghezza/baglio =1,3) Superficie al vento
considerevolmente ridotta. Miglioramento nel progetto della struttura.
3) trimarani di Terza generazione.
Peso leggero (dovuto all’uso di materiali compositi).Grandi superfici veliche.
Baglio ampio (Lunghezza/baglio da <1,5 a meno di 1.0 nelle barche più
piccole). Amas a grande volume di galleggiamento (fino al 200% del
dislocamento). Beccheggio molto ben controllato per mezzo dell’uso di
differenti forme di scafo tra quello principale e gli amas. Miglioramento
delle capacità di navigazione in tutte le condizioni di vela. Bassa superficie
al vento. Netto miglioramento nelle strutture dovuto all’uso del CAD e la
migliore conoscenza dei materiali compositi.
4) I primi Catamarani.
Relativamente pesanti. Baglio stretto (Lunghezza/baglio spesso oltre 2). Poca
superficie velica. Forme immerse inefficienti e chiglie fisse di basso
profilo.Catamarani da crociera molto pesanti per gli standard attuali. Ampie e
piatte finestrature nella cabina determinavano molta superficie al vento.
Spesso erano facili al dondolamento e al beccheggio dovuto alla forma a
dondolo e la simmetria degli scafi.
5) Catamarani di seconda generazione.
Progetti a ponte aperto. Tutto lo spazio abitabile confinato negli scafi.
Superficie esposta al vento molto ridotta. Forme di chiglia molto migliorate;
derive retrattili. Larghe poppe e fini prue che causavano la tendenza a
affondare la prua di bolina.Prestazioni controvento molto migliorate.
Controllo del beccheggio ancora scarso; qualche tentativo di ridurlo usando
prue a bulbo. Più larghi dei primi tipi. Pani velici maggiori.
6) Catamarani di terza generazione.
Progetti con ponti aperti, con grande spazio di accomodamento negli scafi.
Dondolamento eliminato dalla forma degli scafi. Affondamento della prua in
bolina eliminato. Superficie al vento in gran parte ridotta per mezzo
dell’arrotondamento e delle forme aerodinamiche dei fianchi della coperta.
Potenti ed efficienti attrezzature.Derive e timoni sofisticati e rettraibili.
Scafi con superfici bagnate minime. Prestazioni controvento eccellenti;
Movimento sull’acqua veloce e facile. Molto stabili e baglio molto largo (L/B
<1,5). Miglioramento del disegno della struttura come per i trimarani.
7) Catamarani di quarta generazione.
Fondamentalmente come il tipo 6 ma con cabina di ponte molto aerodinamica per
una grande abitabilità e bassa superficie al vento. Peso leggero mantenuto ma
con grande capacità a portare peso per la crociera veloce.
8) Altri tipi.I
proa (Atlantici con ama sul lato sottovento e Pacifici con ama sul lato
sopravvento) e trimarani con foils. In generale questi sono modelli sviluppati
solo per le regate e hanno problemi speciali che richiedono particolari
conoscenze, esperienza e abilità di conduzione per la sicurezza. Per mancanza
di spazio in questo articolo questi tipi non saranno trattati in nessun loro
dettaglio .
Sebbene mi concenti specialmente sui
progetti da crociera, molti dei concetti di progettazione derivano da progetti
da regata di successo.
Infatti i progetti da regata che spingono
al limite le prestazioni sono un test eccellente per le barche da crociera,
particolarmente i regata progettati per le grandi manifestazioni d’altomare come
la OSTAR e la 2star, che sono entrambe prevalentemente controvento attraverso il
Nord Atlantico . In queste regate, la facilità di governo e di navigazione, la
capacità di andare controvento, l’integrità della struttura e la marinità sono
di suprema importanza.
E’ interessante notare che questo
miglioramento, con il conseguente enorme aumento delle qualità marine e della
velocità, ha avuto luogo nello stesso periodo nel quale si sono deteriorate le
qualità marine dei monoscafi.
La ragione principale è che lo sviluppo
dei multiscafi ha avuto luogo senza le restrizioni di alcun regolamento di
rating, con il solo criterio per determinare il successo di un progetto del
miglioramento la tenuta al mare e le performances generali con la conseguenza
dello sviluppo di progetti di barche da crociera estremamente marini.
I movimenti della barca in navigazione e gli
effetti sull'equipaggio.
Ci sono 6 forme principali di movimento
in navigazione (rif.1) che combinandosi in diversi modi compongono il
movimento dinamico di una yacht in mare
1. Rollio
Con l’eccezioni dei tipi 2 come sopra, i
multiscafi sono virtualmente immuni dal rollio. Questo significa che la barca
sta sull’acqua come una zattera; seguendo la superficie del mare, dando molto
confort all’equipaggio in navigazione, specialmente sottovento.
Quando si trovano a secco di vele, i cat
e i tri mostrano caratteristiche differenti. Inizialmente i catamarani hanno un
momenti di inerzia di rollio molto alto (Ir) perché il peso della barca è
principalmente concentrato sulla linea centrale degli scafi.. La spinta di
galleggiamento della barca è anche questa concentrata alle estremità della linea
di centrobarca, dando un forte smorzamento del rollio. I catamarani da crociera
a ponte aperto beneficiano di più di quest’effetto mentre i trimarani con amas
a basso volume di galleggiamento meno.
Nei trimarani il peso è concentrato
vicino al centro di gravità (CG) riducendo l’Ir e gli amas ci mettono di più
per fornire galleggiamento allo sbandare della barca e questo riduce lo
smorzamento. In un tri con amas a basso galleggiamento questo effetto può
portare al rovesciamento sotto onde (quando a secco di vele) come verrà mostrato
più avanti e differenti tecniche di conduzione sono richieste per assicurare la
sicurezza di questo tipo di multiscafo in una tempesta.
2.
Beccheggio e dondolamento
Molti dei primi multiscafi erano inclini
al dondolamento ed al beccheggio. Questo era causato dalla forma a culla del
profilo dello scafo troppo accentuata e dalla stretta sezione a V sia a prua
che a poppa. Con il miglioramento delle forme degli scafi tendendo verso forme
ad U specialmente a poppa il beccheggio rimase ancora un problema, a causa della
ampiezza delle sezioni di poppa che facevano sì che il mare alzasse le poppe al
passare della barca sulle onde e portando la prua in giù.
Comunque noi sappiamo che il beccheggio
può essere fortemente ridotto da sezioni più fini a poppa associate a un centro
di galleggiamento che si muove in avanti quando lo scafo si immerge ed
all’indietro quando questo si solleva (ref 2 and 3 ). Questo effetto può essere
ottenuto in entrambi cat e tri dando un movimento molto confortevole e facile
nelle andature al vento. Allo stesso tempo le prestazioni al vento sono
migliorate perché la direzione del vento apparente è più stabile sulle vele.
3. Yawing.
Qualsiasi tendenza a straorzare è stata
virtualmente eliminata nei moderni multiscafi per il basso pescaggio (per la
forma ad U della sezione e per il basso peso) e per l’uso di derive retraibili.
Una volta che la chiglia è rimossa mentre si naviga sottovento, non c’è
virtualmente nessun rischio di straorzare, fintanto che non affonda il forefoot
(la parte più profonda e stellata della prora). Questo effetto può essere
prevenuto riducendo per prima il forefoot e guadagnando rapidamente spinta di
galleggiamento nelle sezioni anteriori sopra la linea di galleggiamento.
Le simulazioni al computer dello scafo
con differenti tagli di prua e a varie posizioni della linea di galleggiamento,
sono adesso parte essenziale del processo di progettazione per controllare
propriamente le caratteristiche di navigazione sia sopravvento che sottovento.
Vedete la figura 1.( ref 4 ).
4. Surfing.
Un multiscafo può surfare facilmente,
facendo veloci navigazioni in oceano aperto. Navigando sotto venti di più di
40 Kn è normale, confortevole e facile. Il vento apparente viene ridotto
dall’alta velocità della barca. Comunque particolare attenzione deve essere
riposta nella dimensione e disegno del timone per mantenere un buon controllo a
velocità di planata superiori a 20 Kn.
Pale a sezione aerodinamica a forma di
vanga ellittica e bilanciata ridurranno il carico sul timone e la resistenza
alle alte velocità. Gli assi dei timoni devono essere molto forti per essere in
grado di fare consistenti timonate a così alte velocità . Preferisco usare
acciaio inox o titanio piuttosto che carbonio per gli assi perché all’ultimo il
timone si piega se sovraffaticato invece di tranciarsi. Progetto con un fattore
di sicurezza di 1,5 con timone a 90° rispetto al flusso d’acqua a 25 Kn. Questa
situazione è abbastanza probabile se la barca comincia a straorzare e sbandare
sotto un’onda e il timone è girato a tutta chiusura (35 gradi).
Una volta che la velocità del vento sia
così forte che il planare sottovento diventa pericoloso e se la barca non fa
progressi controvento o giace a secco di vele (questo può essere il caso per
tipi 1,2 e 4) sarà essenziale impiegare un’ancora galleggiante per controllare
la velocità della barca. Molto è stato scritto su questo soggetto e certamente è
una via di sopravvivenza per un multiscafo in un forte tempesta. Dal punto di
vista del progettista è essenziale fornire punti d’attacco sulle prue e sulle
poppe adeguatamente forti.
5. Swaying.
Un moderno multiscafo a dislocamento
leggero che sta di traverso al mare senza vele e con le derive alzate, planerà
trasversalmente con facilità su un frangente. Sarà dimostrato più avanti che
questa è un’importante caratteristica nella marinità dei multiscafi sotto
tempesta. I primi multiscafi con le chiglie fisse e i trimarani del tipo 2
tendevano ad inciampare sulle loro chiglie o i loro amas quando venivano colpiti
da un frangente. Un baglio stretto aumentava il pericolo di rovesciamento in
questa situazione.
Se il moto laterale di uno yacht deve
essere fermato, per esempio a causa di un pericolo sottovento, questo può essere
ottenuto sia impiegando un’ancora galleggiante o mettendo già la deriva
sopravvento (questo si applica solo ai catamarani). La deriva sopravvento può
funzionare come un freno senza impartire un momento rotatorio alla barca. Se la
barca non ruota, questa non si rovescerà.
6. Heaving.
Questo è un problema complesso da
definire per un multiscafo, perché i due scafi immersi stanno in punti diversi
di un’onda ad ogni momento dato. Nondimeno sono meno affetti dall’heaving dei
monoscafi perché gli scafi sono più stretti, permettendo alla barca di tagliare
l’onda in navigazione . Perdita di dislocamento apparente sulla creste delle
onde e momento rotatorio impartito dell’effetto heaving sullo scafo sopravvento
favoriranno il rovesciamento di un multiscafi sovrainvelato a causa del vento e
l’azione delle onde. Del rovesciamento favorito dall’heaving si è fatta
esperienza particolarmente nei trimarani del tipo 2 e i catamarani del tipo 4.
Questo è di particolare importanza e ne tratteremo più diffusamente nella
prossima sezione.
Stabilità
Questo è generalmente un soggetto molto
contestato e un pò incompreso quando si discute di qualità marine dei multiscafi
ed è probabilmente la più grande paura che i marinai inesperti hanno riguardo a
questo tipo di imbarcazioni.
Mentre è vero che alcuni multiscafi si
sono rovesciati, è chiaro da quanto sopra che ci siano differenti tipi di
multiscafi, e non di meno ci sono differenti modi nei quali questi possono
rovesciarsi. Tenterò di mostrare che attraverso accurate analisi e con la reale
comprensione dei fattori che contribuiscono alla vulnerabilità al rovesciamento,
sia possibile progettare un multiscafo che sia estremamente difficile da
rovesciare e uno che sia sicuro in tutte le condizioni.(Tenete a mente che fuori
da qui ci può essere un’onda che può sopraffare qualsiasi imbarcazione)
Stabilità dinamica (al vento)
La stabilità statica è una misura della
stabilità della barca in acqua ferma ed è data dalla seguente formula: (Rif.2)
Dove:
D= Dislocamento (in Lbs)
CE=Altezza del Centro Velico oltre il
Centro di Gravità (C.G.) in piedi (feet)
SF= Velocità del vento in Mn alla quale
la barca deve ridurre le vele
SA=Superficie velica in piedi al
quadrato
B= larghezza tra le due linee centrali
degli scafi esterni in piedi
Questa formula dà al progettista una
misura della stabilità come indicazione della capacità a portare vela quindi ad
esempio la capacità della barca a resistere al rovesciamento per la sola azione
del vento.
Ci sono due fattori che possono ridurre
SF. Primariamente se la barca ha un alto angolo di sbandamento al punto di
massima stabilità,(peggiore nei trimarani del tipo 2 e minima in tutti i
catamarani) il corretto SF è dato sostituendo B nella 1 con la larghezza fuori
tutto x il coseno dell’angolo di sbandamento. Tipici valori di SF possono
variare tra 12 Mn/h per un catamarano da regata Formula 40 ad oltre 40Mn/h per
multiscafi da crociera. I moderni e leggeri crociera/regata possono stare in un
arco tra 24 e 30 Mn/h. E’ chiaro pertanto che a seconda dei differenti tipi di
multiscafi elencati più sopra la stabilità iniziale può variare enormemente.
La Curva di stabilità e la stabilità in mare
mosso
Il momento raddrizzante è la distanza dal
centro di galleggiamento al centro di gravita x il peso apparente
dell’imbarcazione. Questa è la propria fondamentale resistenza statica allo
sbandamento. Le forze che fanno sbandare la barca possono venire dal vento o
dalle onde.
La figura 2 mostra le curve del momento
raddrizzante per l’angolo di sbandamento per un tipico moderno catamarano e
trimarano di 35’ regata/crociera di mio progetto. Il trimarano (del tipo 3 con
amas ad alto volume di galleggiamento) ha una larghezza fuori tutto di 32’ e il
catamarano (del tipo 6) una larghezza di 23’. Il trimarano ha meno spazi interni
ed è più leggero del catamarano ma, per la maggiore larghezza ha una stabilità
massima più grande. E’ importante notare che la massima stabilità del trimarano
si verifica ad un angolo di sbandamento di circa 20°, mentre il catamarano ha
il massimo a circa 6°. Se il galleggiamento degli amas è ridotto a meno del 100%
del peso della barca ( come nel tipo 2), la stabilità massima sarà ridotta non
solo in proporzione alla riduzione di volume dell’ama, ma anche per l’effetto di
aggiunta di dislocamento apparente per la pressione sottovento delle vele ad
alti angoli di sbandamento. A 20° questo causerà una perdita di momento
raddrizzante nell’ordine del 20%. Se il volume di galleggiamento fosse solo
l’80% , il momento raddrizzante sarebbe solo del 60% di un equivalente
trimarano del tipo 3.
La figura 3 mostra le stessa curve del
momento raddrizzante di un catamarano e di un monoscafo moderno da
regata/crociera. L’energia richiesta da applicare all’imbarcazione per farla
rollare da 0° al punto di rovesciamento (90° nel catamarano e 135° nel
monoscafo) è data dall’area circoscritta dalla curva. Dal grafico è chiaro che
l’energia richiesta per rovesciare il catamarano sia del 50% più grande che nel
monoscafo. Naturalmente in entrambi i casi l’angolo iniziale di sbandamento
ridurrà la riserva di stabilità disponibile, e nel trimarano questa riduzione di
energia di resistenza al capovolgimento sarà più grande che in un catamarano.
L’energia per capovolgere un trimarano a 90° è maggiore di una catamarano a
condizione che sia del tipo 1 o del tipo 3.
Comunque in tutti i casi, perché si
verifichi il capovolgimento, l’energia del vento e delle onde (uguale all’area
sotto la curva del momento raddrizzante) deve essere trasferita all’imbarcazione
sotto forma di energia di rotazione. Nelle sole onde, se l’energia dell’impatto
delle onde non è trasformata in energia di rotazione la barca non si rovescerà.
La seguente tabella mostra il
dislocamento del catamarano del trimarano e del monoscafo considerati nel
grafico.
| |
Catamarano |
Trimarano |
Monoscafo |
|
L.F.T. (in piedi) |
35 |
35 |
33 |
|
Larghezza Max (in piedi) |
23 |
32 |
10,8 |
|
Larghezza tra i centri scafo (in piedi) |
17 |
29 |
- |
|
Dislocamento (in libbre) |
6700 |
5800 |
10080 |
Per primo consideriamo l’azione
isolata delle onde. I test nella vasca hanno dimostrato che il rovesciamento
dovuto all’azione delle onde non frangenti è impossibile.Pertanto quando
un’imbarcazione giace a secco di vele l’impatto delle creste frangenti è la
primaria forma di energia che si introduce nel sistema che può essere
trasformato in energia di rovesciamento. Un multiscafo segue il fianco
dell’onda esattamente come una zattera come mostrato nella figura 4. Comunque,
poiché il galleggiamento ed il peso dell’imbarcazione sono concentrati alle
estremità della larghezza (particolarmente nei cat del tipo 6), i multiscafi
saranno più stabili al rollio che una semplice zattera. L’equazione 2 dà
l’energia d’impatto trasferita alla barca dalle onde.
fig. 4.
. .........................................
2
 ..........................................
3
dove
Ei = energia trasferita durante
l’impatto
Mi = Momento dell’impatto
Ir = Momento rotatorio d’inerzia
della barca
Ia = Inerzia dell’acqua caricata dallo
scafo ( nota come massa aggiunta)
t= tempo
d=densità dell’acqua di mare
A= area della sovrastruttura dello
scafo
Cd= coefficiente di resistenza dello
sovrastrutture dello scafo
r=braccio del momento dell’impatto
vi=velocità dell’impatto
L’equazione sopra ci dà gli strumenti per
comparare il modo in cui le due barche trasformano questa virtualmente
importante energia d’impatto in energia di rotazione. Queste equazioni sono in
realtà molto difficili da calcolare, ma ci dicono che per ridurre l’energia di
rotazione impartita alla barca da onde frangenti noi dobbiamo aumentare Ir e Ia
e diminuire r e quindi Mi.
In un multiscafo con le derive sollevate
il braccio di leva (r) è ridotto alla distanza tra il centro di resistenza
laterale (CLR) dello scafo sottovento ed il centro d’impatto sul lato dello
scafo sopravvento. Ovviamente questo è molto piccolo rispetto al braccio di leva
quando la deriva è abbassata e quindi anche il momento dell’impatto trasferito
alla barca è molto piccolo.
Secondariamente, particolarmente nel caso
di un catamarano da crociera a ponte aperto (del tipo 6) il momento rotatorio
d’inerzia è molto alto a causa della configurazione dello scafo. Anche Ia è alta
fintanto che l’acqua caricata sullo scafo è a grande distanza dal centro di
gravità.
Dunque questo tipo di cat riceve meno
energia trasferita dall’impatto delle onde in energia ruotante. D’altro canto un
trimarano con le derive alzate avrà ancora una piccola r e quindi un basso Mi,
ma il momento rotatorio d’inerzia Ir è molto più basso che un cat, perché il
peso è concentrato vicino al centro di gravità. Quindi in un trimarano a secco
di vele verrà più energia di rotazione che in un catamarano. (rif. 17)
L’equazione sopra mostra che in molti
multiscafi, l’energia d’impatto non è trasferita in rotazione ed infatti
virtualmente tutta l’energia è assorbita dallo scivolamento(surfing) laterale.
Questo è esattamente lo stesso effetto che salva i più vecchi tipi di monoscafi
dal rovesciamento da onde, l’unica differenza è che il monoscafo prima che la
chiglia sia quasi parallela alla superficie dell’acqua e quindi si riduca il
braccio di leva (r) permettendo all’energia di dissiparsi nel movimento
laterale, dovrà sopportare uno scontro violento
Il multiscafo che viaggia peggio in
questa situazione è il trimarano con amas a poco volume di galleggiamento.
Quando un’onda colpisce il lato della barca, dapprima rollerà più rapidamente e
molto di più di un cat e se l’ amas si immerge al punto di affondare e quindi
interrompendo il movimento laterale, tutta l’energia sarà trasferita nella
rotazione e un rovesciamento è possibile. Anche avere chiglie fisse o lasciare
abbassata la deriva sottovento aumenterà grandemente il rischio di
capovolgimento da onde per tutti i tipi di multiscafi.
Naturalmente il problema può
presentarsi quando sia necessario limitare la deriva laterale della barca per
esempio quando ci sia un pericolo sottovento. In un catamarano questo può essere
facilmente risolto con sicurezza abbassando la deriva sul lato sopravvento.
Tutti gli altri tipi devono usare una ancora galleggiante. La scelta se filare
l’ancora galleggiante da prua o dal lato dell’imbarcazione dipende dal tipo di
barca e dalle condizioni. Diverse persone hanno scritto sull’argomento compresi
i Cassanovas e Dick Newick, i quali entrambi hanno usato e sostengono questo
metodo per controllare lo scarroccio e il rollio in condizioni di tempesta.
L’azione del vento e delle onde
Quando l’azione del vento e delle onde
sono combinate insieme , un catamarano è più vulnerabile di un tri, perché
quando una barca sta navigando a vela l’azione di sollevamento dell’onda sullo
scafo sopravvento impartisce un momento rotatorio alla barca, riducendo la
riserva di energia residua indicata dal grafico del momento raddrizzante della
fig.2. Se la barca ha una bassa stabilità statica e viene fatta navigare vicino
al limite, con le derive abbassate è possibile che si rovesci per onde e con una
velocità del vento che sarebbe sicura in acque spianate. I catamarani sono più
vulnerabili dei tri perché in generale la stabilità statica dei cat è minore di
quella di un Tri equivalente.
Questa è la ragione principale per la
quale i tri sono considerati più sicuri per le regate dure in quanto possono
navigare al massimo in mare molto mosso e con un margine di sicurezza maggiore.
D’altro canto questa è una ragione molto buona per costruire cat più larghi
possibile per aumentare la stabilità statica e quindi aumentare la possibilità
di portare vela con sicurezza.
Capacità di risalire il vento
Un’altra area tradizionale di modeste
prestazioni nei multiscafi è la loro abilità a risalire il vento. Infatti è
vero che i più vecchi tipi di multiscafi (del tipi 1 e 4) dovevano bordeggiare
tra 100 gradi e più e avevano una capacità di stringere il vento molto inferiore
rispetto ai monoscafi .
La capacità di risalire è una misura
della marinità molto importante e può essere vitale se c’è un pericolo
sottovento in una tempesta. A parte la necessità di migliorare le prestazioni in
regata, è essenziale disegnare multiscafi con capacità di andare sopravvento
molto migliorate. Non è sufficiente essere capaci di navigare veloci in andature
portanti.
Per capire come i moderni multiscafi
siano così buoni sopravvento, dobbiamo guardare il diagramma di forze che
agiscono su uno yacht quando sta navigando in modo fermo e
bilanciato. Guardate la figura 5.
FT=La forza aerodinamica totale e RT =
la forza idrodinamica totale risultante. Si dice che la barca è bilanciata
quando FT=RT. Si può dimostrare facilmente da questo diagramma che EA+EH=beta)
e dove:
EA + EH = (beta)
......................................4
and where:
 ....................5
 ..................6
. .................7
Dove
EA=angolo di resistenza aerodinamica
EH+angolo di resistenza idrodinamica
CL=coefficiente di portanza delle vele
Cd= coefficiente di resistenza delle vele
VA=Velocità del vento apparente
SA=superficie velica
CS=Coefficiente di forza laterale
Vb=velocità dell abarca
A=area della chiglia
il diagramma e l’equazione ci dicono
semplicemente che se noi possiamo migliorare il rapporto portanza/resistenza
dell’attrezzatura, noi miglioriamo la capacità di stringere. Ma quello che è più
significativo è che noi possiamo calcolare esattamente di quanto possiamo
migliorare la capacità di stringere per mezzo del miglioramento della
portanza/resistenza.
Per prima l’attrezzatura e la resistenza
aerodinamica
Il diagramma polare di una tipica
attrezzatura a sloop è mostrata sovrapposta sullo yacht nella fig.6 (Rif.6 7).
La linea continua rappresenta la sola portanza/resistenza delle vele, e la linea
tratteggiata è la portanza/resistenza quando la resistenza parassita della
parte al vento dello scafo è presa in considerazione. In un multiscafo la
resistenza degli scafi è molto alta e la seguente equazione ci permette di
calcolare la resistenza totale delle vele e dello scafo (Rif.5)
Cdp = CP x AP / SA
..............8
CdTOT = Cdp + Cd
...............9
Cdp=coefficiente di resistenza di
elementi parassiti relativi alla superficie velica
Cp=coefficiente di resistenza parassita
dei singoli elementi.
Ap=Area degli elementi parassiti
CdTOT=Coefficiente totale di resistenza
aerodinamica per l’intera barca+attrezzatura
I fatto importante da notare nelle
equazioni 8 e 9 è che il coefficiente della resistenza parassita (Cdp) è
inversamente proporzionale alla superficie velica. In pratica questo significa
che se la superficie velica viene ridotta, l’effetto della resistenza parassita
aumenta e quindi aumentando l’angolo di resistenza aerodinamica e riducendo la
capacità di stringere il vento. La capacità di stringere il vento viene ridotta
anche se viene aumentata la superficie dello scafo esposta al vento . In pratica
un catamarano con ponte aperto del tipo 6 ha CdTOT=0,33, mentre l’aggiunta di
una cabina di ponte con pareti piane aumenterà il Cdp del 35%. Questo determina
un CdTOT (inclusa la cabina di ponte)=0,39.
Se questo aumento viene indicato sul
diagramma polare nella fig.6 questo mostrerà un aumento in EA di 3 gradi. Questo
significa che la barca virerà con 6 gradi di più. Se il Cp della cabina di ponte
può essere ridotto da 1,2 (coefficiente di una superficie piana) a 0,3 per mezzo
di accurato disegno aerodinamico, Cdp aumenterà solo dell'8,7% determinando una
perdita in angolo di virata di solo 1 grado. Pertanto è di vitale importanza
prestare attenzione alla resistenza parassita e di disegnare superfici pulite ed
aerodinamiche.
Per interrompere ogni progresso della
barca in direzione sopravvento l’angolo di resistenza aerodinamica deve
aumentare a circa 60 gradi, e se l’effetto delle onde che battono sulla barca
sottovento è compreso, questo può cadere a diciamo 55 gradi. Perché questo
accada il rapporto tra portanza totale e resistenza deve cadere a 0,700. Questo
è abbastanza possibile nei catamarani con cabina di ponte a pareti piatte con un
coefficiente di resistenza totale (CdTOTO) di 0,392. Infatti questo accade in
alcuni multiscafi quando la superficie velica viene ridotta al 27% del piano
totale . Quando considerate che la proporzione normale del fiocco da tempesta e
di una randa terzarolata al massimo è circa il 20% del piano velico totale, è
ovvio che l’aerodinamica della barca deve essere presa in seria considerazione,
non solo per migliori prestazioni in navigazione ma per le capacità marine
fondamentali.
Ancora peggio nel più vecchio tipo di
multiscafi dove il migliore angolo di virata era solo 100 gradi (che implica un
angolo di resistenza aerodinamica da 28 a 30 gradi) era che la superficie velica
deve essere ridotta solo al 36% prima che si perdesse la capacità di risalire il
vento. E’ stato provato che questo era il caso di molti dei progetti più vecchi.
Computer Aided Design
Adesso abbiamo la capacità di progettare
uno scafo e coperta per un completo multiscafo direttamente su uno schermo di
computer (ref 4). Il computer ci permette di ruotare lo scafo e disegnare
sezioni ad ogni angolo con lo scafo. Possiamo quindi vedere la forma che il
vento dovrà percorrere nella esatta direzione con la quale il vento colpisce la
barca. Ricordate che il vento non viene mai dal punto morto in una barca a vela.
Infatti la barca in realtà si muove obliquamente attraverso l’aria, al meglio il
vento percorre la barca ad un angolo di circa 30 gradi con la prua.
La figura 7 mostra la prospettiva su uno
schermo di computer di una cabina di ponte di un catamarano di 43’. E’ ovvio che
questo è un aiuto molto valido per ottenere forme aerodinamicamente pulite
nelle 3 dimensioni come questa.Comunque sarà anche possibile confrontare la
capacità di stringere della barca reale che viene disegnata con una barca a
ponte aperto della stessa taglia . Il coefficiente di resistenza può essere
calcolato dalla perdita in capacità di stringere il vento.
Resistenza Aerodinamica
Se applichiamo lo stesso trattamento alla
forma sommersa ed alla chiglia di una multiscafo sovrapponendo i risultati di
test in vasca sulla barca, allo stesso modo come noi facciamo per le vele nella
figura 6, troviamo che l’effetto della resistenza della chiglia e dello scafo
sulla capacità di stringere il vento è come segue:
se includiamo i fattori di aumento
di resistenza delle vele:
Il totale di questi fattori è una perdita
totale in angolo di virata di 21 gradi
Se confrontiamo un catamarano a ponte
aperto del tipo 6 con uno del tipo più vecchio, questa è esattamente il tipo di
differenza nella capacità di stringere il vento che osserviamo.
Quando confrontato ad un progetto del
tipo 1 o 4 il moderno multiscafo è molto più aerodinamico, con circa la metà del
peso e una deriva efficiente, ampia larghezza per una maggiore stabilità e
capacità di portare tela e più vela. Tutte queste caratteristiche si combinano
fra loro per dare prestazioni controvento migliori di quelle di un monoscafo di
taglia equivalente.
In un vento di forza 4, un moderno
trimarano navigherà sopravvento a 16 Kn virando con un angolo di 75 gradi.
Mentre un catamarano da crociera a ponte aperto come lo Spectrun 42 virerà con
un angolo di 80 gradi a circa 10 Kn.
L’implicazione di questo tipo di
prestazioni è anche l’indicazione che i moderni multiscafi navigheranno ancora
sopravvento in una burrasca molto dopo che i monoscafi abbiano dovuto mettersi
alla cappa..
Infatti questa superiore capacità nelle
andature sopravvento è stata dimostrata definitivamente in tutte le gare
controvento del Nord Atlantico e questi è un fattore di grande significato del
miglioramento delle capacità marine dei progetti moderni.
Sicurezza in caso di collisione o
rovesciamento
Sebbene sia diventato un caso
estremamente sfortunato che un multiscafo propriamente progettato si rovesci, la
possibilità esiste ancora, allo stesso modo che questa esiste per un monoscafo.
La valvola di sicurezza di un monoscafo è che c’è la possibilità che la barca si
raddrizzi da sola prima di affondare.
Il multiscafo, d’altro canto, può
diventare una sicura zattera per l’equipaggio per vivere in posizione inversa,
premesso che gli appropriati provvedimenti per questa eventualità siano stati
presi in fase di progetto. In termini di ultima sicurezza per un equipaggio
nella più estrema tempesta - credo che un multiscafo rovesciato abitabile offra
migliori prospettive di sopravvivenza che un monoscafo parzialmente affondato,
disalberato che si è rovesciato di 360 gradi ed è in pericolo imminente di farlo
di nuovo.
Se possibile andrebbero costruiti dei
compartimenti stagni negli amas di un trimarano e dove sia possibile in un
catamarano. Un trimarano può essere reso virtualmente inaffondabile rendendo
stagne le traverse e dividendo l’ama in compartimenti stagni, in modo che se
ogni sezione fosse bucata, il volume residuo sia più del 120% del dislocamento
dello scafo principale. La prua dovrebbe essere foderata di schiuma ed una
paratia di collisione può essere di solito posta a circa 6 piedi dietro dalla
prua senza influenzare l’ abitabilità.
Le traverse strutturali di un catamarano
possono essere progettate per essere stagne, con il loro volume complessivo
grande abbastanza da sopportare il peso totale dell’imbarcazione. Nello
spiacevole evento di un rovesciamento, questa assicurerà che la barca galleggi
alta sull’acqua, che riduce lo sforzo sulla struttura e permette al’equipaggio
di vivere nello scafo rivoltato. Normalmente inserisco dei boccaporti di fuga in
tutti i miei progetti.
Costruzione e Fatica - Struttura integrata
Durante il suo arco di vita un multiscafo
è soggetto a molti cicli di una complessa gamma di carichi, e se la barca deve
sopravvivere in tutte le condizioni senza danno, accurata attenzione deve essere
posta nell’evitare concentrazioni di sforzi nella struttura e alla fatica di
lungo termine nei materiali che con la quale è costruita.
La figura 8 mostra un diagramma di sforzi
generalizzato per un catamarano a ponte aperto. Usando un computer per
analizzare i carichi ad ogni punto della barca e quindi stendendo appropriate
quantità di fibre allineate nella direzione dello sforzo, la rigidità e la
resistenza della barca possono essere molto incrementate. Mentre allo stesso
tempo il peso può essere risparmiato rimuovendo l’eccesso di materiale dove non
richiesto. Questo risparmio di peso effettivamente incrementa la resistenza
della barca, perché non solo riduce i carichi che sopporta la barca ma riduce
la concentrazione degli sforzi che sono una delle maggiori cause di rotture da
fatica.
Se il progetto della struttura è portato
avanti in questo modo e adeguata considerazione è presa per il livello di stress
delle fibre in tutte le parti della barca tenendo conto della fatica di lungo
termine, l’arco di vita della barca sarà molto incrementato.
Al momento attuale; le ricerche indicano
che se un laminato composito può sopravvivere ad oltre 10 milioni di cicli,
questo durerà indefinitivamente. In genere, al fine di ottenere questo è
richiesto un fattore di sicurezza di almeno 10. In tutti i miei progetti da
crociera uso almeno 10 come fattore di sicurezza nelle aree di massimo sforzo..
Per il carbonio in particolare il laminato è a sforzo limitato perché il
materiale è così rigido, ha un relativamente basso sforzo di rottura, e una
sensibilità all’incisione estremamente alta. Comunque questo materiale può
venir usato con successo in aree dove grande rigidità è richiesta, come le
traverse di un multiscafo.
Ci sono in navigazione parecchi
multiscafi da regata e da crociera che sono stati progettati in questo modo e
non hanno mai sofferto di cedimenti strutturali in migliaia di miglia in
navigazione oceanica.
Conclusioni
Nei passati 20 anni il livello di
comprensione dei fattori che influenzano la capacità marina dei multiscafi si è
accresciuto enormemente . Incidenti e fallimenti sono parte inevitabile dello
sviluppo di ogni idea, ma spero che questa analisi renda chiaro che ci sono
molti differenti tipi di multiscafi e che un incidente che occorra in un
multiscafo di un certo tipo non necessariamente implica che tutti i multiscafi
debbano subire lo stesso destino nelle stesse circostanze.
Infatti molti dei problemi e dei vizi
associati ai progetti più vecchi sono adesso stati eliminati e la nuova
generazione di progetti da crociera è composta da barche molto eccitanti da
portare, offrono ancora grande abitabilità, confort per l’equipaggio e , il più
importante di tutti, sicurezza in mare.
Ringraziamenti: A Richard Boehmer per
la sua cortese assistenza nel rivedere questo articolo e per i suoi utili
suggerimenti.
John Shuttleworth
e-mail :
john@jshuttleworth.fsnet.co.uk
sito web: http://steamradio.com/JSYD/default.html
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