Progettazione delle carene per imbarcazioni: dislocanti e plananti

Dimensioni e Valori Adeguati

Per unità di dimensioni superiori solo il ricorso ad un'analisi statistica su database di barche esistenti permette di ricavare valori adeguati e ragionevoli.

Relazioni Principali - Step 4

Fattore di Scala

• Lunghezza fuori tutto assunta - Step 3 L
• Larghezza, altezza di costruzione e bordo libero Z0.70
• Corda massima di deriva e timone 10.70
• Superficie velica SA (se a vela) 7.1.85

Grandezze Direttamente Dipendenti

• Area della sezione maestra 11.40
• Superficie bagnata di carena 1.1.70
• Superficie del timone e della deriva L1.40
• Superficie del profilo longitudinale di carena L1.70
• Area proiettata di timone e deriva Z1.40
• Volume di carena 1.2.40
• Volume della deriva L2.10
• Rapporto Lwl V1 3 10.20
• Rapporto SA v2 3 Z0.25
• Momento di inerzia trasversale della figura di galleggiamento Z3.10
• Momento di inerzia longitudinale della figura di galleggiamento L3.70

Relazioni Secondarie - Step 5

• Volume di carena totale con appendici 1.2.38
• Superficie bagnata di carena totale con appendici L1.63
• Rapporto superficie velica / superficie bagnata di carena totale 10.22
• Rapporto SA V2 3 totale L0.26
• Posizione verticale del centro di carena dal galleggiamento 10.64
• BM 1.0.72
• GM Z0.45
• Braccio di stabilità iniziale L2.83
• Distanza tra i centri di spinta (vela) 10.86

Forme di Carena

561.15 Forme di carena La base dell'ingegnerizzazione del progetto di un'imbarcazione da diporto che ne è caratteristica unica e distintiva è la carena, che può essere dislocante, semidislocante, semiplanante e planante in funzione delle finalità d'impiego.

Nella scelta della carena per una qualsiasi unità navale i fattori discriminanti sono essenzialmente due parametri fondamentali: le dimensioni dell'unità e la velocità alla quale si desidera navigare. Questi, indubbiamente, sono input che il progettista riceve direttamente dall'armatore e sono le fondamenta sulle quali (in un razionale processo progettuale) sviluppare dapprima l'opera viva e poi, successivamente, i layout interni ed esterni della barca.

carena dislocente tonda carena planante tipo Hunt Camna planante a spigolo Scafo dislocante Scafo planante

Analisi della Scelta della Carena

57L'analisi che porta alla scelta di una determinata forma di carena, come noto, deve essere condotta valutando in un range plausibile di velocità la resistenza al moto che l'imbarcazione incontra in acqua. La resistenza al moto incontrata da un galleggiante, 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'unità sull'acqua, di onde di superficie (resistenza d'onda).

A questi due principali fattori se ne devono aggiungere altri, meno condizionanti, ma comunque importanti: ·resistenza di forma; ·resistenza dell'aria; ·resistenza delle appendici; ·resistenza della carena sporca; ·resistenza per mare mosso.

Resistenza Residua e d'Onda

58La 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.

Formula della Resistenza di Attrito

La resistenza di attrito è sintetizzata da questa formula: RF = 1 2 CF PSV2 dove, come noto: Rn ==; VL Crè funzionedel numeri Reynols P è la densità dell'acqua; S è la superficie bagnata; V è la velocità; Lè la lunghezza al galleggiamento; V è la viscosità cinem atica.

Resistenza Residua e Numero di Froude

59La resistenza residua è invece funzione del numero di Froude: Fn = V Vg L dove: V è la velocità g è l'accelerazione di gravità L è la lunghezza al galleggiamento.

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. 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.

Chi che deve progettare una nuova nave si trova quindi 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 combustibile e quindi ad una potenza più piccola.

Direttive di Progetto

60Il progetto, a seconda delle richieste operative, potrà essere sviluppato seguendo tre direttive basilari:

1. Il criterio ponderale
2. Il criterio volumetrico
3. 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).

Distribuzione della Pressione

Moto alla velocità V Spruzzi di prora 0 TAP OPQ-q={v2 PQ q"My A Distribuzione longitudi- nale della pressione sul fondo +AP -AP B Punto di ristagno Q Luogo dei punti di ristagno sulla larghezza del fondo Distribuzione schematica della pressione Vista di sotto C Figura 3: Distribuzione logitudinale della pressione sul fondo piatto di una carena planante (Saunders) Spruzzi di prora Luogo dei punti di ristagno Chiglia -AP Distribuzione della pressione lungo la linea A-A +Ap 1 A AL ___ Vista di sotto Spruzzi di prora Spigolo Chiglia Figura 8: Flusso dell'acqua e degli spruzzi sotto il fondo di una carena planante a V (Saunders)

Criteri di Progetto e Scelta della Carena

61Il criterio ponderale viene seguito quando il dislocamento dell'unità 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. Ne scaturirà una nave con una immersione pronunciata e quindi con un elevato volume di carena.

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.

Il terzo caso, interessa l'armatore che deve far viaggiare la nave in bassi fondali o passaggi in zone che vincolano la larghezza, o vincoli particolari che condizionano la lunghezza. Quest'ultimo caso, delle volte, diventa il caso peggiore per l'architetto navale, poiché il compromesso nella scelta dei coefficienti idrodinamici non sarà ottimale.

Forme di Carena e Velocità

62Il caso più frequente nella nautica è quello della priorità della velocità rispetto al resto. Le forme che una carena può assumere sono essenzialmente due: tonda o a spigolo. La carena tonda, 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 risulta quindi adatto alle alte velocità.

Per i mezzi che per peso, lunghezza e velocità hanno caratteristiche intermedie tra una carena tonda ed una a spigolo, si adotta la carena semi-planante o semi-dislocante. Quest'ultimo compromesso, usato nei mezzi di piccolo tonnellaggio, comincia ad essere preso in considerazione anche per le navi di grande tonnellaggio e la carena è definita DEEP-V.

7.5 M DEEP V HULL

Obiettivi per Carene Dislocanti

63Se i dati del problema progetto (volume, peso, velocità) sono tali da indicare, da un punto di vista idrodinamico, la scelta di una carena dislocante, il progettista di una nave deve avere i seguenti fondamentali obiettivi:

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

Lo scopo che si deve perseguire nel determinare le caratteristiche geometriche della carena di una nave è quella di soddisfare le richieste del tema del progetto con il minore dislocamento possibile.

Metodi di Scelta della Carena

64La scelta della carena per la nave in progetto può essere eseguita con diversi metodi:

1. Facendo ricorso a carene delle Serie Sistematiche sperimentate da alcune Vasche Navali
2. Con disegno diretto della stessa, facendo ricorso a sistemi matematici, come l'analisi di regressione
3. Facendo ricorso a carene di navi già esistenti e riportandole al dislocamento e alla lunghezza desiderati

INSEAN 20° 19 18 17 16 15 14 13 ' 12 11 10 9 8 7' 6 . 1 5.0. 10 18 11 10 12 11 .13. 15

Carene Plananti per Alte Velocità

65Le carene dislocanti, come già indicato, hanno notevoli difficoltà a superare certe velocità, perciò per avere delle velocità relative elevate, è necessario adottare le carene plananti. Uno scafo planante è uno scafo che, in moto, trova il suo principale sostegno nella reazione dinamica dell'acqua. Essenzialmente, esso scivola o sfiora la superficie del mare e ciò lo distingue da un normale scafo, che, viceversa, galleggia solamente e si apre la rotta nell'acqua.

Caratteristiche degli Scafi Plananti

66Uno scafo planante è uno scafo che, in moto, trova il suo principale sostegno nella reazione dinamica dell'acqua. Essenzialmente, esso scivola o sfiora la superficie del mare e ciò lo distingue da un normale scafo, che, viceversa, galleggia solamente e si apre la rotta nell'acqua.

Da quanto premesso è possibile sommariamente dire che i fattori in gioco sono: peso, velocità, spinta dinamica e statica, angolo di assetto longitudinale, superficie bagnata e resistenza al moto. Tutti questi fattori sono estremamente interdipendenti tra loro, e l'angolo d'assetto a sua volta dipende dalla posizione relativa, in senso longitudinale, del centro di gravità e del centro di pressione dinamica.

Da quanto detto, si desume che il progetto di una unità planante richiede uno studio più accurato e difficoltoso di quello necessario per il progetto di una nave a dislocamento. Il cambiamento d'assetto in corsa assume la veste di uno dei parametri più importanti del progetto, e la necessità di prevedere esattamente il peso dell'imbarcazione e la posizione del suo baricentro costituiscono una delle maggiori difficoltà.

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