SUPERYACHT #485
Settembre 2002

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

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Annuario
della nautica

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di navigazione

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Articolo di
Angelo Sinisi

COME SCEGLIERE LA CARENA

Piani di carena tonda

Nella scelta di una carena dislocante o semidislocante per un grande motoryacht, come sa bene ogni progettista, ma anche l'armatore con un pò d'esperienza, le discriminanti maggiori sono dettate da due parametri fondamentali: dalle dimensioni dello scafo e dalla velocità alla quale si desidera navigare. Questi, indubbiamente, sono input che il progettista riceve direttamente dall'armatore e sono le fondamenta sulle quali sviluppare dapprima l'opera viva e poi, successivamente, i layout interni ed esterni della barca.

Piani di carena a spigolo

La resistenza al moto di una imbarcazione o nave, qualsiasi ne sia la velocità, la grandezza e il tipo, dipende soprattutto da due principali fenomeni:

l'attrito dell'acqua contro la superficie della carena (resistenza d'attrito)
la generazione, al passaggio dell'imbarcazione sull'acqua, di onde di superficie (resistenza d'onda)

A questi due principali fattori se ne devono aggiungere altri, meno condizionanti, ma comunque importanti che di seguito enunciamo:

resistenza di forma
resistenza dell'aria
resistenza delle appendici
resistenza della carena sporca
resistenza per mare mosso

La resistenza d'onda e la resistenza di forma sono comunemente chiamate globalmente resistenza residua o d'onda.

La resistenza della carena sporca ha molta influenza sulla resistenza della nave specie con l'andar del tempo. Al fine di prevenire la formazione di sporcizia dovuta a vegetazione marina e a microrganismi che si formano dopo lunghi periodi di mare soprattutto in acque calde, la superficie dell'opera viva è trattata con pitture antivegetative speciali, che periodicamente devono essere rinnovate.

Analizziamo, dunque, le prime due resistenze citate, le più importanti :

La resistenza di attrito è sintetizzata da questa formula:

dove:

il coefficiente CF è funzione del numero di Reynolds

P = densità

S = superficie bagnata

V = velocità

L = lunghezza al galleggiamento

n = viscosità cinematica

La resistenza residua che è funzione del numero di Froude

dove:

V = velocità

g = accelerazione di gravità

L = lunghezza al galleggiamento

È forse un linguaggio difficile ai più, ma dimostra in maniera concisa ed efficace il concetto, accessibile a tutti, che la resistenza di attrito di una carena aumenta rapidamente con l'aumentare della velocità, mentre la resistenza d'onda o residua diminuisce, a parità di velocità, con l'aumentare della lunghezza al galleggiamento, cioè della lunghezza misurata sulla "linea che traccia il livello dell'acqua sulla carena della barca e separa la parte immersa da quella emersa". In parole povere, più si accresce la velocità più aumentano le resistenze al suo avanzamento, più è lunga la barca maggiore è la sua velocità di navigazione.

Colui che deve progettare una nuova nave o megayacht, quindi, si trova anzitutto di fronte al problema delle conseguenze che avranno sulla potenza da installare le possibili scelte della forma della carena e delle sue proporzioni.

Generalmente il problema è così formulato:

ricercare, per il dislocamento voluto (cioè per quanto si vuol trasportare) e per la velocità o le velocità desiderate, le forme e le proporzioni di carena che porteranno, fatte salve le indispensabili condizioni di stabilità, al minor consumo di potenza.

Il progetto, a seconda delle richieste operative, potrà essere sviluppato seguendo tre direttive basilari:

Il criterio ponderale
Il criterio volumetrico
Il criterio per imposte limitazioni dimensionali (che potranno essere di volta in volta, a seconda delle esigenze di particolari necessità, la larghezza, la lunghezza o l'immersione).

Il criterio ponderale viene seguito quando il dislocamento della nave viene imposto dai carichi di elevato peso specifico, più il peso dello scafo e dell'apparato motore. In questo caso (che solo eccezionalmente può interessare la nautica), la carena dovrà avere tanto volume da contenere il peso complessivo sopra elencato. Ci troveremo, perciò, di fronte ad una nave con una immersione pronunciata e quindi con un elevato volume di carena, ricordando che la carena è la parte immersa della nave.

Il criterio volumetrico viene seguito quando la nave deve trasportare carichi ingombranti, ma di peso specifico non elevato. In questo caso, assicurata la necessaria stabilità metacentrica, sarà possibile trasportare buona parte di questo carico voluminoso in spazi al disopra della linea di galleggiamento; quindi, gran parte del volume utile della nave sarà sopra al galleggiamento e alla carena sarà assegnato quel volume sufficiente a sopportare il peso totale.

Comunque il problema, nella sua formulazione più generale, sarà quello di far viaggiare un certo dislocamento ad una certa velocità, realizzando o una carena di minima lunghezza possibile o di minima potenza. Come sempre in un'imbarcazione, va individuato un compromesso tra le varie esigenze, che soddisfi le priorità dell'armatore.

Il primo caso, che interessa gli armatori di navi, ha vantaggi nei costi di costruzione: nave più corta però con un peggiore comportamento con mare mosso, certamente più costosa nell'esercizio, in quanto l'apparato richiede maggiore potenza per raggiungere la stessa velocità di una imbarcazione più lunga.

Il secondo caso, che interessa l'architetto navale (cioè il progettista specializzato nello studio della statica e dinamica della carena), delle volte è un pò più dispendioso nella costruzione, per la maggiore lunghezza, ma sensibilmente meno caro nell'esercizio e con una migliore tenuta al mare.

Il terzo caso, interessa l'armatore che deve far viaggiare la nave o il megayacht in bassi fondali o passaggi in zone che vincolano la larghezza, o vincoli particolari che condizionano la lunghezza. Questo terzo caso potrebbe interessare anche coloro che, avendo venduto un volume (uno spazio volumetrico) ad un armatore e stipulato il relativo contratto, vincolano le dimensioni principali e quindi condizionano i coefficienti della carena.

Quest'ultimo caso, delle volte, diventa il caso peggiore per l'architetto navale, poiché il compromesso nella scelta dei coefficienti idrodinamici non sarà ottimale.

Ma esaminiamo uno dei casi molto frequenti nella nautica, quello della priorità della velocità rispetto al resto. Se la velocità diventa il dato primario del progetto, cioè si ha un numero di Froude F > 0,6 o un quoziente di Taylor ,
si devono prendere in considerazione le forme di carena a spigolo che permettono di avere una spinta dinamica e raggiungere elevate velocità.

Fino ad ora abbiamo studiato le resistenze che incontra la carena durante il suo moto; vediamo ora le forme che meglio rispondono alle varie esigenze.

Le forme che una carena può assumere sono essenzialmente due: tonda o a spigolo.

La carena tonda, detta carena dislocante, con l'aumentare della velocità, ha una resistenza d'onda superiore a quella d'attrito, perciò si adatta meglio alle basse e medie velocità. Viceversa, la carena a spigolo, raggiunte determinate velocità, ha una resistenza d'attrito che supera in modo sensibile quella d'onda. Quest'ultimo tipo di carena, detta carena planante, risulta quindi adatto alle alte velocità.

Grafico tipico di una carena planante

Grafico tipico di una carena dislocante

X = Velocità   Y = Resistenza      ____ Resistenza d'onda   ____ Resistenza di attrito

Tuttavia, indipendentemente dalle forme di carena, una nave deve mantenere la capacità operativa in condizioni di mare mosso. Tecniche sperimentali e teoriche sui movimenti della nave sono state sviluppate e applicate.

Il risultato di questo sviluppo della tecnologia del seakeeping è un più razionale approccio al progetto di una carena. Il termine seakeeping, tenuta di mare, è usato per descrivere i movimenti e i fenomeni a essi correlati che interessano la nave in mare agitato. Ma un'imbarcazione per avere una buona capacità operativa, oltre a quanto detto, deve avere una buona manovrabilità e stabilità di rotta.

Rimane comunque la considerazione fondamentale che il progetto navale, a cominciare dalla scelta della carena e le primissime previsioni di potenza, non è soltanto uno studio rigorosamente matematico, determinato e definito, ma costituisce in realtà quanto di più libero e aperto possa desiderare una mente creativa.

La nave è pur sempre il mezzo più difficile fra tutti da progettare, viaggia sul confine di due fluidi molto diversi per densità e viscosità cinematica, e sarà sempre il risultato di un grande compromesso. Pertanto, la buona riuscita di un progetto è anche frutto di intuizione e di arte. Si possono dare delle indicazioni, non stabilire regole.

In ciò, forse, sta il particolare interesse della materia.