SUPERYACHT #490
Febbraio 2003

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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Articolo di
Angelo Sinisi

LA CARENA TONDA

Come ho già detto nel precedente articolo, se i dati del problema progetto (volume, peso, velocità) sono tali da indicare, da un punto di vista idrodinamico, la scelta della carena tonda, il progettista di una nave deve avere i seguenti fondamentali obiettivi:

• far raggiungere una certa velocità, posta tra i dati di partenza del progetto, con la minima "spesa" di potenza possibile;
• assicurare buone qualità di tenuta di mare (seakeeping);
• assicurare una buona stabilità statica e di rotta oltre ad una buona manovrabilità.

Si deve fare attenzione a non equivocare e/o ritenere quanto meno ovvia, se non oziosa, la precedente affermazione. "Soddisfare la richiesta" significa procedere con equilibrio, proporzionare con giusto respiro, calcolare con i dovuti margini di sicurezza. "Minore dislocamento possibile" è il compromesso tra le varie esigenze, spesso contrastanti, poste dal tema, senza che da questo compromesso risulti un impegno di volumi e di macchinari che male, o nulla, servono a soddisfare le richieste del tema stesso.

Fig. 1 - Serie sistematiche Nordstrom methodical series Series 63 methodical series Series 64 methodical series SSPA methodical series NPL methodical series

Limitare il dislocamento non vuol dire "risparmiare" nella realizzazione del progetto, ma non "sprecare" volumi, aree e pesi, ovviamente senza ridurre la sicurezza, qualità fondamentale in mare. Infatti, per ridurre il peso di un'imbarcazione, ai fini della resistenza all'avanzamento (velocità) e/o ai fini dei costi, a volte si diminuiscono gli spessori del fasciame o delle strutture, pur rimanendo vicini o, addirittura, raggiungendo il limite massimo delle sollecitazioni ammissibili, sia ha di conseguenza un minore margine di sicurezza strutturale, cosa di gran lunga più grave che avere un poco di peso in più, il che non è sinonimo di "spreco". Quindi, stabilito il peso e il volume, il progettista deve ottimizzare gli elementi da cui dipende il comportamento idrodinamico della nave, cioè la carena (scafo nudo e appendici) e l'elica, rendendo la loro combinazione la migliore possibile.

La previsione del comportamento idrodinamico di una nave presenta ancora oggi notevoli difficoltà. La scelta della carena per la nave in progetto può essere eseguita con diversi metodi. Facendo ricorso a carene delle Serie Sistematiche (vedi Fig. 1) sperimentate da alcune Vasche Navali come:

• Serie di Taylor, eseguita dall'ammiraglio Taylor all'Experimental Model Basin di Ashington
• Serie 60 di F. N. Todd
• Serie 64
• Serie NPL
• Serie Nordstrom
• Serie 63
• Serie SSPA

Fig 2 - Modello della serie sistematica di Taylor

Con disegno diretto della stessa, facendo ricorso a sistemi matematici, come l'analisi di regressione. Si ricorre a questo metodo quando bisogna risolvere un problema molto particolare o non si può fare riferimento a una carena affine. In questo caso, tuttavia, è quasi necessario, certo dipende dall'abilità del progettista, partire da una serie sistematica.

Fig 3 - Grafico tipo della serie sistematica di Taylor

Facendo ricorso a carene di navi già esistenti e riportandole al dislocamento e alla lunghezza desiderati. Cercherò di spiegare in modo semplice la resistenza residua o d'onda, ricavata con i precedenti metodi.

Un corpo che si muove sulla superficie indisturbata dell'acqua produce un sistema d'onde. Questo sistema è generato dal campo di pressioni intorno al corpo e l'energia posseduta dalle onde è ceduta dal corpo stesso. Questo trasferimento di energia, dal corpo al sistema circostante, genera una forza di direzione opposta a quella del moto, che è appunto la resistenza d'onda.

Fig. 4 Diagramma schematico del sistema di onde generate dalla prua e dalla poppa Fig. 5 Schizzo di W. Froude del treno di onde caratteristiche di prora Fig. 6 Grafico dell'andamento della resistenza d'onda ro, in cui si evidenziano le posizioni dei cavi e delle creste

Il sistema di onde generate dalle navi sono di due tipi, quelle divergenti, che si formano lateralmente alla nave e che hanno creste inclinate rispetto al piano di simmetria nave, e quelle trasversali, che si formano sulla murata della nave e che hanno le creste perpendicolari alla mezzeria (vedi Fig. 4 e Fig. 5). Tale sistema di onde, divergenti e trasversali, è generato sia dalla poppa che dalla prora. L'interferenza tra questi sistemi d'onda crea, nella curva di resistenza d'onda, le caratteristiche gobbe e cavi in funzione del rapporto velocità-lunghezza . Considerando solamente le onde trasversali, in modo semplicistico, ma indicativo, si può dire che la resistenza d'onda è data dalla differenza fra le pressioni che si hanno nella zona prodiera, dirette nel senso prora-poppa, e le pressioni che si hanno nella zona poppiera, che hanno risultante opposta nel senso poppa-prora. Mentre il sistema di pressioni prora-poppa cresce costantemente al crescere di , il sistema di pressioni poppa-prora è oscillante (cioè può essere positivo o negativo) a seconda dell'interferenza fra i sistemi d'onda di prora e di poppa. Si avrà, quindi, una gobba della resistenza d'onda quando a poppa vi è un cavo (d'onda) e, viceversa, un cavo quando a poppa vi è una cresta (d'onda) (vedi Fig. 6). In base a quanto detto notiamo che la resistenza d'onda di una nave dipende dalla velocità, dalla lunghezza e dalla forma della carena, cioè dall'angolo di penetrazione delle linee d'acqua e dalla distribuzione del volume in senso longitudinale, trasversale e verticale.

Fig 7

I bulbi di prora (vedi Fig. 7), poiché modificano gli angoli di penetrazione e la distribuzione del volume, rappresentano un efficace mezzo per ridurre la resistenza d'onda. Perciò il sistema d'onde proprio del bulbo interferisce con il sistema d'onde proprio della nave. La posizione in senso longitudinale del bulbo definisce la fase dell'interferenza, mentre il volume determina l'ampiezza del suo sistema d'onda.

Una determinata forma di carena con bulbo è ottima soltanto nelle condizioni di progetto. Di norma, a bassa velocità l'effetto del bulbo è negativo, mentre con l'aumentare del numero di Froude (Fn) diventa positivo e aumenta fino a un valore massimo, da questo punto in poi, per Fn che tende a infinito, l'effetto del bulbo tende a zero. Perciò la decisione favorevole o contraria all'adozione del bulbo dipende dall'analisi dei costi e dei benefici. Tuttavia si può affermare che, solitamente, una buona forma idrodinamica di una carena con moderata formazione ondosa non richiede la presenza del bulbo, mentre questa è necessaria in presenza di una notevole formazione ondosa dovuta al cattivo "avviamento" delle forme di carena. Ovviamente per "avviamento" non s'intende quello geometrico ma quello idrodinamico. Infatti, se l'avviamento geometrico fosse bastato, il computer, con i programmi di avviamento delle carene, avrebbe risolto tutti i problemi. Ma purtroppo un buon avviamento idrodinamico dipende dalla bravura e dall'esperienza del progettista o dello specialista in architettura navale (materia che riguarda lo studio della statica e dinamica di un galleggiante).

Infatti, l'avviamento delle forme crea delle componenti di pressione e depressione agenti sulla carena, che generano un innalzamento oppure un abbassamento del livello dell'acqua, quando il valore della pressione subisce una variazione positiva oppure negativa. Le linee d'acqua che delimitano il bulbo verso prora devono avere un profilo idrodinamico ben avviato, per evitare la separazione dei filetti fluidi. La parte superiore del bulbo deve essere ben raccordata con il corpo della nave in modo tale che l'acqua, scorrendo sopra il corpo del bulbo stesso, possa interferire in modo favorevole con l'onda residua di prora. Per ogni carena con bulbo esiste una condizione ottimale, corrispondente a una velocità che si può determinare sperimentalmente. Da tutto ciò è evidente che l'influenza del bulbo non deve ritenersi limitata alla formazione ondosa di prua, ma che si estende alla cosiddetta resistenza di separazione o di forma, cioè la resistenza di tipo viscoso che, assieme alla resistenza d'onda, è inglobata nel termine resistenza residua, comprendente la resistenza viscosa di pressione, la resistenza dovuta a vortici, cavitazione ecc.

Inoltre, un bulbo opportunamente avviato, per le sue elevate caratteristiche di smorzamento, riduce in maniera sensibile le accelerazioni di prua dovute al beccheggio e quindi incide positivamente sulla tenuta al mare. La scelta ottimale di una carena tonda dipende dalla capacità del progettista nel realizzare il miglior compromesso tra peso, volume e velocità.