Pescara
La fisica della
vela
Gennaio 2014
comprendere i meccanismi, migliorare
le prestazioni e ...divertirsi!!!
Laura Romanò
Dipartimento di Fisica
Università di Parma
[email protected]
Pescara
Il gioco della simmetria
Gennaio 2014
Dal punto di vista fisico, la barca a vela è un sistema a contatto con due
fluidi : aria e acqua
viscosità
h air=1.5×10-5Nsec/m2
h water=1×10-3Nsec/m2
Simmetria : La fisica è la stessa
Per governare la barca è necessario che l’aria e l’acqua abbiano una
velocità differente e si muovano di moto relativo l’uno all’altro
Pescara
Gennaio 2014
2 fluidi
le forze in barca a vela
Quando un corpo si muove in un fluido subisce una forza
la cui direzione in generale non è nella direzione del moto e
dipende dalla forma del corpo e dall’angolo tra fluido e corpo
FA
Aerodinamica sulle vele FA
2 forze
Idrodinamica sullo scafo FH
Per navigare a velocità costante:
FA=-FH
FH
Quale è l’origine delle due forze?
Quale è la loro direzione?
Forza = Resistenza + Portanza
Pescara
Gennaio 2014
Piccolo esperimento automobilistico: cartoncino fuori dal finestrino
direzione aria
direzione automobile
RESISTENZA:
Parallela alla direzione
dell’aria
FORZA
PORTANZA AERODINAMICA
RESISTENZA
PORTANZA:
Perpendicolare alla
direzione dell’aria
Forza = Resistenza + Portanza
Pescara
Gennaio 2014
Mondo dell’aria
prua
FA
PA
Vento apparente
RA la barca scarroccia
RH
PH
FH
Mondo dell’acqua
Asse di simmetria
La deriva è parallela alla acqua;
Non si genera nessuna forza
Resistenza o Portanza ?
Pescara
Gennaio 2014
Navigando con il vento
in poppa
Forza aerodinamica =Resistenza
Portanza =0
FA = RA
Navigando controvento
La portanza gioca un ruolo
fondamentale nella navigazione
controvento P
A
FA
RA
Resistenza
Pescara
Gennaio 2014
o il prezzo da pagare per potersi muovere
Attrito tra le molecole dello scafo
delle vele
acqua
aria
Scia o forma che si genera a poppa della barca
dietro alla vela (non si vede)
Onda a prua e a poppa dovuto al moto dello scafo
Indotta dalla portanza
Scarroccio e sbandamento
Resistenza di attrito
Pescara
Pescara
Gennaio
Gennaio 2014
2013
Interazione tra le molecole della superficie dello scafo e delle vele e un
piccolissimo strato di fluido a contatto con la superficie
A causa della viscosità:
scia
oggetto
Laminare:
• Strati di fluido
paralleli
•Zona piccola
Turbolento:
•Moto disordinato
con vortici
Resistenza di attrito
Pescara
Gennaio 2014
S= Dimensione dei granelli di sabbia
lunghezza
Esempio:
Lunghezza al gall.= 8m
V=7 nodi
S
Dimensione granelli =8mm
S =10-4
Vernice: spruzzo
rugosità: 5mm
S= 5×10-6
V~5.5 nodi
V=7 nodi
pennello
20mm
2×10-5
Pescara
Gennaio 2014
Resistenza diScia
scia o di forma
Oggetto in moto in un fluido
non viscoso
La pressione è uguale ovunque
Oggetto in moto in un fluido
Si forma una scia e la pressione ai due lati
dell’oggetto è diversa
Tra l’alta pressione e la bassa si stabilisce una forza: Resistenza
Laminare
o
turbolento?
Nel flusso laminare le particelle sono più lente, meno energetiche
flusso si separa prima e la scia è più grande
Laminare o turbolento?
Pescara
Gennaio 2014
Laminare
Bassa r. di attrito
Alta r. di scia
Turbolento
Alta r. di attrito
Bassa r. di scia
Risposta: dipende dalla forma !
Corpi tozzi
Aumento r. di attrito < diminuzione r. di scia
Turbolento
(palline da golf, albero)
Corpi affusolati
Aumento r. di attrito > diminuzione r. di scia
Laminare
Pescara
Resistenza d’onda
Gennaio 2014
La barca muovendosi genera un moto ondoso a poppa e a prua
Le onde trasportano energia che è tanto
maggiore quando più l’onda è alta
Dove prendono questa energia?
Dal moto della barca
La lunghezza dell’onda dipende dalla
velocità della barca
resistenza d’onda
V2
2
g
Quando diventa uguale alla lunghezza della barca, Vc (m/s ) 1,25 L(m)
Vc (knots ) 2,4 L(m)
questa cade nella depressione.
In queste condizioni, è impossibile superare l’onda V ( Knots ) 1,34 L(f )
c
Resistenza di sbandamento
Pescara
Gennaio 2014
Sbandamento : 2 effetti
Aumenta la superficie bagnata
Modifica la formazione ondosa
resistenza di attrito
resistenza d’onda
Portanza
Pescara
Gennaio 2014
o come funzionano gli aeroplani e i calci di punizione
Viscosità dei fluidi
3
ingredienti
Teorema di Bernoulli :
se in un tubo che contiene un fluido
aumenta la pressione deve diminuire la velocità
Differenza di pressione genera una forza:
Alta pressione
Bassa pressione
Pescara
Una spiegazione (poco corretta)
Gennaio 2014
Portanza
Alta velocità
Forma dell’ala di un aereo: le molecole
Bassa pressione
d’aria sulla parte superiore si muovono
più velocemente di quelle sulla parte
Alta pressione
inferiore
Differenza di pressione produce
Bassa velocità
PORTANZA
Modello non corretto
1. La portanza si sviluppa anche su oggetti piatti
2. Gli aerei possono volare anche rovesciati
Ipotesi scorretta: non è detto che due molecole che si
separano debbano riincontrarsi alla fine dell’ala
cartoncino
Pescara
Gennaio 2014
Linee di flusso attorno ad una vela
ben regolata
Quasi tutte le linee
si spostano sottovento
All’ingresso il punto di
ristagno è sopravvento
e all’uscita segue la curvatura
Il flusso rimane ben aderente e segue la curvatura
Effetto Coanda
Pescara
Gennaio 2013
Le molecole di acqua a contatto con la superficie
dell’uovo vengono bloccate a causa della viscosità . Le
molecole del secondo strato di acqua, attratte dalle
prime, ruotano e quelle successive ruotano un po’ meno
così via tra uno strato e l’altro .
L’acqua segue la curvatura della superficie
Forza esercitata
sull’uovo dall’acqua
Forza esercitata
sull’acqua dall’uovo
Effetto Magnus
Pescara
Gennaio 2014
o i tiri in porta ad effetto
Se ad una palla che si sposta orizzontalmente si imprime una
rotazione questa deflette perchè subisce una forza: la portanza
portanza
LIFT
traslazione
rotazione rototraslazione
1922 – BUCKAUuna strana
imbarcazione
Pescara
Gennaio 2014
Cosa centra la palla rotante con la vela,
il cartoncino, la lastra piana …?
Simmetria delle linee di
flusso
Zona critica
Il flusso si separa e si forma una scia con
emissione di un vortice in senso antiorario
portanza
Traslazione
Rotazione
Rototraslazione
Resistenza indotta
Pescara
Gennaio 2014
La differenza di pressione tra i due lati della vela produce un passaggio
d’aria sotto il boma o sopra l’angolo di penna (Effetto tridimensionale)
Si generano vortici di estremità che costano energia
spesa a danno della velocità della barca.
Perché indotta,
perché vortici?
Quando il 1° vortice
se ne va, compensano la
circolazione d’aria
Una vela alta e stretta ( con maggior
allungamento) è più efficiente e risente
meno dei vortici di estremità
Dalla portanza
Forza propulsiva e scarroccio
Pescara
Gennaio 2014
Forza
propulsiva
FA
Forza di
scarroccio
FA poppavia della
perp. vela
Forza
propulsiva
FA
Forza di
scarroccio
FA pruavia della
Perp. vela
Una corretta regolazione delle vele deve puntare ad una grande
forza propulsiva ed una piccola forza di scarroccio
La forza aerodinamica deve essere non solo intensa,
ma anche ben orientata
Pescara
I diagrammi polari delle vele
Gennaio 2014
portanza
CPA
1
2
RA ariaVVA SV C RA
2
a60
1
2
PA ariaVVA SV C PA
2
Vento apparente
controvento
portanti
x
resistenza
CRA
Pescara
Gennaio 2014
Orientazione forza aerodinamica:
angolo di anticipo
= angolo tra perp. al boma
e forza aerodinamica
Pescara
Gennaio 2014
Punti particolari del
diagramma polare
Massima portanza
Massimo rapporto
portanza-resistenza
(punto di massima efficienza)
Si traccia la tangente da
0,0 alla curva; il punto di
contatto corrisponde
all’angolo di incidenza di
massima efficienza (~26°)
(punto massimo della
polare) (~29°)
Pescara
Gennaio 2014
Punti particolari del
diagramma polare
Massima forza propulsiva e piccola componente di scarroccio
Bolina: 35° tra rotta e vento app.
Tracciare perp alla rotta,
tangente alla curva
Scarroccio
Il punto di tangenza individua
l’angolo di attacco che fornisce
la spinta in avanti più grande
e minor scarroccio:~27°
Forza propulsiva
VA
rotta
Interazione randa-vela di prua
Pescara
Gennaio 2014
Modello errato: Effetto Venturi!
P grande P piccola
V piccola
V grande
Dove c’è il restringimento l’aria aumenta la sua velocità e la
pressione diminuisce…
…la randa spinge di più
Pescara
Gennaio 2014
Invece:
Interazione randa-vela di prua
randa isolata
Tra le due vele
passa meno aria
Il restringimento è un piccolo disturbo
randa e fiocco
Arrivati in baia….
…spero sia stato un buon vento
