Dinamica della barca in acqua e nel vento

04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
1
(fluido-)dinamica della barca
nell’acqua e nel vento
Livio Lanceri
Dip. di Fisica - Università di Trieste
INFN - Sezione di Trieste
Trieste, 04-06-2009
La Barca a Vela
Albero
Randa
Opera Morta
(sopra linea di
galleggiamento)
Boma
Poppa
Mure a Dritta
Centro
Mure aVelico:
Sinistra
punto geometrico
medio della velatura
Fiocco
Prua
Scafo
Opera Viva
Centro di Deriva:
Chiglia punto geometrico
(sotto linea
di
Timone
(deriva)
galleggiamento)
medio
dell’opera
viva
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della
barca in acqua
e nel vento
3
Parleremo di…
• Sistemi di riferimento, composizione delle velocità
• Come riescono a volare gli aerei? Ali e portanza
• Un’ala nell’acqua: la chiglia o la deriva
• Un’ala nell’aria: le vele
• Un po’ di terminologia della navigazione a vela
• Qualche esperimento da fare in barca
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
4
Composizione delle velocità
Diversi “sistemi di riferimento”
(“osservatori”)
Le velocità sono sempre “relative”
•
•
•
•
La velocità di un oggetto (p.es. dell’aria, dell’acqua) è sempre
misurata rispetto ad un osservatore (è relativa ad un riferimento)
Lo stesso oggetto (p.es. l’aria, l’acqua) ha velocità diverse
rispetto ad osservatori diversi
Le velocità si sommano e sottraggono come “vettori”
Esempio:
velocità del “vento relativo”
= - (velocità della barca rispetto al fondo)
velocità del “vento reale”
= velocità relativa al suolo
o al fondo del mare
04-06-2009
velocità del “vento apparente”
= velocità totale relativa alla
barca
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
6
Velocità e Direzione del Vento
Bolina
Lasco
vento
“reale”
vento
reale
vento “di
velocità”
vv
vento “di
velocità”
va
vento
“apparente”
vv
vr
vento
“reale”
va
vr
vento
“apparente”
vento
“reale”
Quello che conta è il vento “apparente” !!!
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
7
Aerei, ali e “portanza”
Portanza
Profilo alare asimmetrico
Portanza
Profilo alare simmetrico
“inclinato”
rispetto al flusso del fluido
Aerei, ali e portanza
Fluido reale (viscoso): portanza
Profilo
simmetrico
Fluido ideale (non c’è portanza)
Flusso
laminare
Flusso
turbolento
Profilo
asimmetrico
Stallo (perdita di portanza)
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
9
Separazione e turbolenze, stallo
Separazione
Stallo (perdita di portanza)
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
10
Tre modi di capire la portanza
• Bernoulli
– La pressione del fluido è minore dove la sua velocità è
maggiore!
– differenza di pressione (minore sulla superficie superiore!)
• Conservazione della quantità di moto totale
– La velocita` del fluido cambia direzione, quindi…
– (secondo e terzo principio della dinamica!!!)
• “Rotazione”
– Il fluido ha un moto netto di rotazione attorno all’ala
– Simile all’effetto Magnus su un pallone da calcio…
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
11
La chiglia nell’acqua
Resistenza all’avanzamento
Chiglia: transizione alle turbolenze
Transizione
quando numero di Reynolds 106
Lv
R=
μ viscosità
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
velocità
densità
13
Chiglia - separazione, resistenza
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
14
Onda propria e velocità limite
Con l’aumentare della velocità l’onda provocata
dalla barca si allunga velocità limite per una
barca che “non plana” sull’onda
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
15
Resistenza all’avanzamento
• Per una tipica barca “non planante” che procede a
velocità di poco inferiore alla propria velocità limite, la
resistenza all’avanzamento ha i seguenti ingredienti
–
–
–
–
“attrito” (circa 34%) proporzionale alla superficie bagnata
“onda” (circa 35%) aumenta rapidamente con la velocità
“vortici indotti” (circa 10%)
Tutto il resto… turbolenze etc (circa 20%)
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
16
Le vele e il vento
Andature
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
18
Le Manovre
Barra
Barra del
del timone
timone
a
alsinistra
centro
MOTO IN AVANTI
Timone al
a destra
Timone
centro
Asse verticale di
rotazione
Flusso
d’acqua
Timone
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
19
orzare
Orzare e Poggiare
…virare
poggiare
…strambare
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
20
Navigazione
di poppa (o quasi…)
di bolina?
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
21
Navigazione
di poppa (o quasi…)
di bolina?
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
22
La vela di Bolina
sopravvento
v <<
p >>
v <<
p >>
v >>
p <<
sottovento
SP
SL
Sv
Teorema di Bernouilli
= spinta
PS+v v2 + gvelica
h = costante
04-06-2009
Sp = spinta propulsiva
v >>
Sl = spinta laterale (deriva)
p <<
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
23
E adesso… se la barca si inclina?
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
24
Galleggiamento 1/2
Forza di Gravita’ VS Spinta di Archimede
G = baricentro
C
G
C = centro di spinta
ARCHIMEDE:
sì
C
G
Un corpo immerso in un liquido
riceve una spinta verticale pari
al peso del liquido spostato
M
no
G
G
C
04-06-2009
C
M = metacentro
25
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
Galleggiamento 2/2
Stabilita’ di
Forma
Stabilita’ di
Peso
Stabilita’ di
Forma
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
Stabilita’ di
Peso
26
Il Corpo Umano
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
27
Lasco, vele
ben regolate:
l’andatura
più veloce !
Flussi laminari
e turbolenti
Lasco, vele
mal regolate
Vento in poppa:
meno veloce!
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
Bolina,
sola randa
Bolina,
randa
+ fiocco
28
Rendimento della vela - 1
Angolo di incidenza
del vento sulla vela
ottimale: circa 15o
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
29
Rendimento della vela - 2
Curvatura della vela
ottimale: circa 14%
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
30
Un esercizio pratico
Non si può partire dall’ancoraggio direttamente in bolina:
Prima bisogna poggiare, fino a quando il flusso sulla chiglia
diventa laminare (“ala portante”…!)
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
31
Back-up slides
La Fisica e la Barca:
Come e Perché
• La Barca a Vela, Andature e Manovre
• Il Vento e le Vele
• Il Galleggiamento
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
33
La Fisica e la Vela
(**(")*"!
$"%*#"
.
&(-%*+(#"+ +#"'(*+**"
.
&(-%*+(#+ +#'(*+**")*(* "***""#"*/
"%","+#
(**(")*"!
)'""!
.
*%&#& "&)*(+**",")*("+-"&%"')"&($##(
&($$*("###,#,(""#"
(**(")*"!
0*#*"!1
"&$%""#"*/"%","+#$))
04-06-2009
L.Lanceri - Dinamica della barca in acqua e nel vento
34