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SUPERYACHT #509
Settembre 2004
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
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IL TIMONE
Nell'articolo precedente, parlando della manovrabilità,
evidenziavo che le qualità manovriere di una nave, oltre
alle varie caratteristiche della nave, dipendono in modo
particolare dal tipo e dalle dimensioni del timone.
Quindi, partendo da un dato che è sempre fornito dal
committente, il progettista deve ricavare le caratteristiche del
timone che lo soddisfano e inoltre, una volta prefissate dette
caratteristiche, deve procedere per definire quelle grandezze che
influiscono da un lato sul proporzionamento strutturale del timone
e dall'altro sulla potenza dell'impianto che lo dovrà
governare. I due quesiti del progetto del timone coinvolgono un
campo dell'idrodinamica navale assai vasto, che potrebbe essere
sintetizzato brevemente con l'espressione "Il progetto
idrodinamico del timone". La puntualizzazione e la successiva
analisi dei fattori che entrano in gioco nel problema del timone,
richiede una trattazione assai approfondita per un articolo, per
cui è necessario ricorrere a una sintesi.
I problemi concernenti il progetto del timone, sono stati
affrontati parallelamente da specialisti in aerodinamica e da
specialisti in idrodinamica. Pertanto, il progettista navale
può disporre di queste ricerche da impiegare per lo
sviluppo di un buon progetto. Uno dei dati principali ed utili per
il progetto del timone è il raggio di evoluzione, che
condiziona l'area del timone in conformità delle
caratteristiche dello scafo della nave. Una volta definita l'area
del timone da usare, occorre dare a quest'area una forma, delle
proporzioni, delle dimensioni e una posizione precisa per ottenere
il migliore compromesso idrodinamico accettabile. Per area del
timone deve intendersi l'area del suo piano di simmetria relativa
ad un solo lato. Anche se è veramente difficile mettere in
relazione le forze e i momenti generati dal timone, con le
caratteristiche di manovrabilità di una nave, la conoscenza
di queste grandezze è essenziale per il progettista, in
quanto da esse dipendono lo spessore del timone, il diametro
dell'asse e la dimensione dell'impianto necessario alla
movimentazione dello stesso, cioè l'agghiaccio.
Figura 1
Nella Figura 1 sono rappresentate le forze in gioco che devono essere
prese in esame per studiare un timone. Tra i vari profili
conosciuti, quelli più idonei per essere impiegati nella
costruzione di un timone sono i cosìddetti profili
biconvessi simmetrici, con linea d'asse rettilinea e coincidente
con l'asse di simmetria. Un profilo di tal genere, immerso in una
corrente fluida con velocità U e angolo di attacco α,
come nella Figura 1, crea una dissimmetria nel campo delle
velocità, per cui si ha un aumento di velocità sul
lato sinistro (faccia passiva) e una diminuzione sul lato dritto
(faccia attiva) del timone. Secondo la legge di Bernoulli,
ciò dà luogo a una diminuzione di pressione sul lato
sinistro e a un aumento di pressione sul lato dritto. La
risultante di queste differenze di pressioni è la forza del
timone che, in questo caso, è diretta da dritta a sinistra.
È solito scomporre la suddetta forza in due componenti: una
forza FL, normale alla direzione della velocità U, e una
forza D, nella direzione U (Figura 1).
La generazione della componente trasversale FL è,
infatti, il solo scopo dell'esistenza del timone. Il prodotto
della forza P per la distanza cCP (Figura 1) tra il suo punto
di applicazione e l'asse del timone dà luogo al momento
torcente, mentre il prodotto di detta forza P per la distanza
verticale tra il suo punto di applicazione e il cuscinetto
portante, dà luogo al momento flettente. Come è
noto, i suddetti due momenti sono gli elementi principali per
dimensionare l'asse e l'impianto idraulico della timoneria.
Figura 2
La massima portanza che può essere generata da un timone,
in funzione del suo angolo di attacco α, è limitata da un
complesso di fenomeni che provocano lo stallo del timone. Quando
un timone raggiunge la condizione di stallo, la portanza cade
bruscamente a valori molto bassi o nulli, per cui, in fase di
progetto, questa possibilità deve essere attentamente
studiata ed evitata. Il fenomeno di stallo avviene senz'altro
quando il flusso si distacca dalla zona di bassa pressione del
timone e inviluppa una zona di flusso vorticoso. Come già
detto, questa separazione si manifesta con un improvviso cadere
della portanza. Il distacco della vena fluida, principalmente,
è funzione del numero di Reynolds, cioè della corda
e relativa velocità, e dell'angolo di attacco. I fenomeni
che interessano lo stallo sono tre: la separazione dei filetti
fluidi, la cavitazione e l'aerazione. Dei tre il più
deleterio, cioè quello che da solo può provocare lo
stallo, è il fenomeno della separazione dei filetti fluidi,
seguito dall'aerazione e, infine, dalla cavitazione. La
cavitazione, sebbene in forma minore, è una possibile causa
di caduta di spinta del timone. L'effetto della cavitazione non
è così disastroso, in quanto si traduce in una
diminuzione di pendenza della curva della portanza, rispetto alla
velocità, piuttosto che in una caduta di spinta vera e
propria (Figura 2).
Figura 3
L'aerazione, come la cavitazione, è conseguenza dei bassi
valori di pressione che si verificano nel flusso adiacente alla
faccia passiva del timone. Per aerazione si intende il risucchio
d'aria che avviene tra l'atmosfera e la zona di bassa pressione
che si verifica sulla faccia passiva del timone. Il fenomeno,
generalmente, appare solo quando il timone è troppo vicino
alla superficie dell'acqua e quando la differenza di pressione,
tra l'atmosfera e la faccia passiva del timone (Figura 1), supera
la resistenza al passaggio dell'aria attraverso l'acqua frapposta.
In pratica, a questo fenomeno si ovvia, come noto, frapponendo
un'aletta separatrice (Figura 7) tra il lato superiore del timone
e il livello dell'acqua. In molti casi tale aletta è
costituita dallo stesso scafo.
Figura 4
Un altro importante fattore da considerare, prima di iniziare il
progetto del timone, è quello di stabilire il numero dei
timoni da impiegare e la loro posizione. La scia di carena
diminuisce la velocità della vena fluida che investe il
timone, mentre la scia di regresso dell'elica produce l'effetto
opposto. Nelle navi monoelica a poppa stretta i due effetti, in
gran parte, si elidono a vicenda, mentre nelle navi a due eliche,
con timone dietro alle eliche stesse, l'effetto della scia di
regresso risulta senz'altro preponderante. Oltre che modificare la
velocità di efflusso dell'acqua al timone la presenza
dell'elica ritarda in misura notevole il fenomeno di stallo,
migliorando notevolmente le prestazioni del timone per incidenze
superiori a quelle di stallo.
Figura 5
Quindi, il timone sviluppa la sua
massima efficacia quando è investito dalla scia dell'elica:
le navi monoelica hanno sempre un solo timone; le navi bielica
presentano un solo timone centrale o due timoni dietro le eliche;
le navi a tre eliche, generalmente, hanno un solo timone dietro
l'elica centrale; le navi a quattro eliche, spesso, sono governate
da due timoni investiti dalla scia delle eliche poppiere. Nelle
navi a due o quattro eliche, la soluzione a due timoni laterali,
dietro le eliche, è notevolmente più efficiente di
quelle a un solo timone centrale, anche a parità di area
complessiva, perché la velocità di alimentazione
aumenta in conseguenza del basso valore del coefficiente di scia
di carena e dell'effetto della scia di regresso dell'elica.
Inoltre, a parità di area complessiva e a parità di
altezza di timone, condizionata in genere dall'immersione della
nave, i due timoni laterali hanno allungamento maggiore e, quindi,
coefficiente di portanza, a parità di angolo di barra,
più elevato (Figura 6).
Figura 6
Come è noto, la portanza
aumenta con l'aumentare dell'angolo di attacco e cresce con il
quadrato della velocità d'impatto. Nel sistemare il timone
a poppavia dell'elica, occorre fare in modo che lo stesso, pur
beneficiando della zona a maggiore velocità, non venga
investito dal vortice del mozzo dell'elica (Figura 8), che non
solo ha come effetto quello di far cadere la portanza, ma ha anche
quello di provocare delle erosioni e possibili fastidiose
vibrazioni. Per questo motivo si usa sistemare il timone
leggermente all'interno rispetto al centro dell'elica. Soddisfatte
le condizioni anzidette, il timone dovrà essere sistemato
il più a poppa possibile, con l'evidente scopo di ottenere
il massimo braccio K rispetto al centro di gravità della
nave e, di conseguenza, le migliori caratteristiche evolutive (Figura 1).
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Figura 7
Figura 8
Figura 9
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Si possono distinguere tre tipi di timone: il tipo a
Flap , il tipo Horn e il tipo a Spada (Figura 3). I timoni a
Flap e Horn possono essere convenienti in tutti quei casi in
cui, per motivi di stabilità direzionale, si abbia bisogno
di un'area aggiuntiva; oltre a quella esistente, e non convenga
che tutta la suddetta area sia mobile, oppure quando, per non
caricare eccessivamente l'asse del timone e quindi i suoi
supporti, si preferisca disporre di una struttura di appoggio fissa.
Per migliorare le qualità evolutive, si richiede
l'aumento della superficie del timone rispetto alla superficie di
deriva, mentre l'aumento di entrambe le superfici migliora la
stabilità dinamica della carena e, quindi, la sua
stabilità di rotta. Tuttavia, bisogna fare molta attenzione
nel sistemare il timone e la superficie di deriva, poiché
possono condizionare in maniera negativa la stabilità
dinamica. Infatti, come è stato esplicato nell'articolo
precedente sulla manovrabilità, quando si porta il timone a
un angolo di barra a e la nave inizia a virare, si generano una
serie di forze, i cui momenti ( F * h ) fanno sbandare la nave. Se
viene messa la barra a dritta (Figura 4) e il momento dato da FL
* hL ( la forza generata dal timone moltiplicata per la distanza
verticale tra il suo centro di applicazione ed il centro di
applicazione P della resistenza totale trasversale che la nave
trova in virata ) è maggiore del momento FC * hC ( la
forza centrifuga della nave applicata al centro di gravità
G moltiplicata per la distanza verticale tra G e P), la nave
sbanderà a destra; viceversa, se il momento del timone
è minore del momento dato dalla forza centrifuga, la nave
sbanderà a sinistra. Quindi, la superficie, la posizione e
la forma del timone, condizionano in virata il momento sbandante e
di conseguenza l'angolo di sbandamento. Anche una chiglia
pronunciata sotto la carena con il mare di poppa creerà una
forza sbandante trasversale che, se non è sufficientemente
contrastata da un timone efficiente, può creare degli
sbandamenti trasversali pericolosi, specialmente se la nave ha un
indice di stabilità basso. Uno dei dati caratteristici del
timone è il rapporto di figura a , che è definito
come il rapporto tra l'altezza b del timone e la sua corda media c (Figura 5).
In un timone a Spada (Figura 5 e 9) con un alto valore del
rapporto di figura a = b/c si ha :
- una maggiore distanza verticale del centro di pressione e di
conseguenza un maggiore momento flettente per il calcolo dell'asse,
- un aumento del coefficiente di portanza (Figura 6),
- un basso angolo di attacco a cui si verifica lo stallo (Figura 6),
- un maggiore sbandamento in virata.
L'area a proravia dell'asse del timone è chiamata area di
compensazione (Figura 5). Quest'area e quindi il grado di
compensazione da assegnare al timone, cioè il rapporto tra
la superficie del timone a proravia dell'asse e quella totale,
deve essere tale da poter realizzare un basso momento torcente sia
a marcia avanti sia indietro.
Tra le sezioni dei profili per la costruzione di un timone, sono
da considerare le sezioni NACA. Tra queste, la NACA 0015
realizza il miglior compromesso tra le qualità
idrodinamiche e le possibilità costruttive nella
realizzazione di un timone a Spada. Questo tipo di timone
normalmente ha una sagoma trapezoidale, che oltre a far salire il
centro di pressione, riducendo il braccio hT, ha una
distribuzione del carico, nel senso dell'altezza, ellittica.
Questa distribuzione realizza la minima resistenza e migliora
l'andamento della curva della portanza.
L'estremità bassa del timone può essere quadrata,
cioè a spigolo vivo, oppure raccordata. Sperimentalmente
è stato provato che un timone ad estremità quadrata,
rispetto a quello con estremità raccordata, ha una portanza maggiore.
Tuttavia, condizioni pratiche di progettazione, come la resistenza
all'avanzamento, il peso del timone e del suo sostegno, gli oneri
relativi all'impianto della timoneria, impongono di conferire alla
superficie del timone le più piccole dimensioni possibili.
Ci troviamo, quindi, di fronte ad un problema complesso in cui non
si possono avere che soluzioni di compromesso e la cui
impostazione tecnica è notevolmente complicata
dall'influenza dei numerosi fattori che entrano in gioco, oltre a
quelli primari del timone.
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