La fisica della vela

comprendere i meccanismi, migliorare le prestazioni e ...divertirsi!!!

Pescara Gennaio 2014

Laura Romanò

Dipartimento di Fisica

Università di Parma

laura.romano@fis.unipr.it

Il gioco della simmetria Pescara Gennaio 2014

Dal punto di vista fisico, la barca a vela è un sistema a contatto con due fluidi : aria e acqua

h air=1.5×10-5Nsec/m2

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

h water=1×10-3Nsec/m2

Simmetria : La fisica è la stessa

viscosità

Pescara Gennaio 2014 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

2 fluidi 2 forze Aerodinamica sulle vele

Idrodinamica sullo scafo

FA

FH

FH

FA

Per navigare a velocità costante:

FA=-FH Quale è l’origine delle due forze? Quale è la loro direzione?

le forze in barca a vela

Piccolo esperimento automobilistico: cartoncino fuori dal finestrino

direzione automobile direzione aria

RESISTENZA: Parallela alla direzione dell’aria

PORTANZA: Perpendicolare alla direzione dell’aria

Forza = Resistenza + Portanza Pescara Gennaio 2014

PORTANZA FORZA AERODINAMICA

RESISTENZA

Vento apparente

Mondo dell’aria

Mondo dell’acqua

RA

FA PA

La deriva è parallela alla acqua; Non si genera nessuna forza

prua

RH PH

FH

la barca scarroccia

Asse di simmetria

Pescara Gennaio 2014

Forza = Resistenza + Portanza

Navigando con il vento in poppa

La portanza gioca un ruolo fondamentale nella navigazione controvento

Forza aerodinamica =Resistenza Portanza =0

Navigando controvento

FA = RA FA

RA

PA

Pescara Gennaio 2014

Resistenza o Portanza ?

o il prezzo da pagare per potersi muovere

Attrito tra le molecole dello scafo acqua delle vele 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

Pescara Gennaio 2014

Resistenza

Indotta dalla portanza

Scarroccio e sbandamento

Pescara Gennaio 2013

Interazione tra le molecole della superficie dello scafo e delle vele e un piccolissimo strato di fluido a contatto con la superficie

Laminare: • Strati di fluido paralleli •Zona piccola

Turbolento: •Moto disordinato con vortici

oggetto

Resistenza di attrito Pescara Gennaio 2014

A causa della viscosità:

scia

Pescara Gennaio 2014

Resistenza di attrito

Esempio: Lunghezza al gall.= 8m

V=7 nodi

Dimensione granelli =8mm

S =10-4

V=7 nodi

Vernice: spruzzo pennello

rugosità: 5mm 20mm

S= 5×10-6 2×10-5

Dimensione dei granelli di sabbia lunghezza

S=

S

V~5.5 nodi

La pressione è uguale ovunque

Si forma una scia e la pressione ai due lati dell’oggetto è diversa

Oggetto in moto in un fluido non viscoso

Scia Pescara Gennaio 2014

Oggetto in moto in un fluido

Tra l’alta pressione e la bassa si stabilisce una forza: Resistenza

Resistenza di scia o di forma

Laminare o turbolento?

Nel flusso laminare le particelle sono più lente, meno energetiche flusso si separa prima e la scia è più grande

Pescara Gennaio 2014

Laminare o turbolento?

Laminare

Bassa r. di attrito Alta r. di scia

Turbolento

Alta r. di attrito Bassa r. di scia

Risposta: dipende dalla forma !

Corpi tozzi (palline da golf, albero)

Aumento r. di attrito < diminuzione r. di scia

Corpi affusolati Aumento r. di attrito > diminuzione r. di scia

Pescara Gennaio 2014

Laminare o turbolento?

Turbolento

Laminare

Pescara Gennaio 2014

Resistenza d’onda

Le onde trasportano energia che è tanto maggiore quando più l’onda è alta

Dove prendono questa energia?

Dal moto della barca resistenza d’onda

La barca muovendosi genera un moto ondoso a poppa e a prua

)f(34,1)(

)m(4,2)(

)m(25,1)m/s(

LKnotsV

LknotsV

LV

c

c

c

g

V2

2 La lunghezza dell’onda dipende dalla velocità della barca

Quando diventa uguale alla lunghezza della barca, questa cade nella depressione. In queste condizioni, è impossibile superare l’onda

Pescara Gennaio 2014

Resistenza di sbandamento

Sbandamento : 2 effetti

Aumenta la superficie bagnata resistenza di attrito Modifica la formazione ondosa resistenza d’onda

o come funzionano gli aeroplani e i calci di punizione

Teorema di Bernoulli : se in un tubo che contiene un fluido aumenta la pressione deve diminuire la velocità

3 ingredienti

Viscosità dei fluidi

Differenza di pressione genera una forza: Alta pressione Bassa pressione

Pescara Gennaio 2014

Portanza

Alta velocità

Bassa velocità

Bassa pressione

Alta pressione

Portanza Forma dell’ala di un aereo: le molecole d’aria sulla parte superiore si muovono più velocemente di quelle sulla parte inferiore

Differenza di pressione produce PORTANZA

Ipotesi scorretta: non è detto che due molecole che si separano debbano riincontrarsi alla fine dell’ala

Modello non corretto

1. La portanza si sviluppa anche su oggetti piatti cartoncino

2. Gli aerei possono volare anche rovesciati

Pescara Gennaio 2014

Una spiegazione (poco corretta)

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

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 .

Forza esercitata sull’uovo dall’acqua

Pescara Gennaio 2013

Effetto Coanda

L’acqua segue la curvatura della superficie

Forza esercitata sull’acqua dall’uovo

o i tiri in porta ad effetto

LIFT

Se ad una palla che si sposta orizzontalmente si imprime una rotazione questa deflette perchè subisce una forza: la portanza

1922 – BUCKAU- una strana imbarcazione

Pescara Gennaio 2014

Effetto Magnus

portanza

traslazione rotazione rototraslazione

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

Traslazione Rotazione Rototraslazione

portanza

Pescara Gennaio 2014

Resistenza indotta 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?

Una vela alta e stretta ( con maggior allungamento) è più efficiente e risente meno dei vortici di estremità

Dalla portanza Quando il 1° vortice se ne va, compensano la circolazione d’aria

Forza propulsiva e scarroccio Pescara Gennaio 2014

Forza di scarroccio

Forza propulsiva

FA FA

Forza propulsiva Forza di

scarroccio

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

FA poppavia della perp. vela

FA pruavia della Perp. vela

Pescara Gennaio 2014

I diagrammi polari delle vele

resistenza

a60

Vento apparente

port

anza

PAVVAariaA

RAVVAariaA

CSVP

CSVR

2

2

2

1

2

1

CRA

CPA

x

controvento

portanti

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

Massimo rapporto portanza-resistenza (punto di massima efficienza)

Massima portanza (punto massimo della polare) (~29°)

Si traccia la tangente da 0,0 alla curva; il punto di contatto corrisponde all’angolo di incidenza di massima efficienza (~26°)

Pescara Gennaio 2014

Punti particolari del diagramma polare

Massima forza propulsiva e piccola componente di scarroccio

Bolina: 35° tra rotta e vento app.

VA rotta

Tracciare perp alla rotta, tangente alla curva

Il punto di tangenza individua l’angolo di attacco che fornisce la spinta in avanti più grande e minor scarroccio:~27°

Forza propulsiva

Scarroccio

Pescara Gennaio 2014

Interazione randa-vela di prua

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

Interazione randa-vela di prua

randa isolata randa e fiocco

Tra le due vele passa meno aria

Invece:

Il restringimento è un piccolo disturbo

Arrivati in baia…. …spero sia stato un buon vento