GIUGNO 2018

LA BARCA A VELA E’ ECOLOGICA ?

L’ articolo di questo mese è piuttosto tecnico e, come tale, abbastanza inutile; 
anzi fate a meno di leggerlo che tanto alla fine ne saprete sì più di prima, 
ma ciò che avrete imparato non vi servirà pressoché a nulla (che è il destino di quasi tutti gli articoli tecnici !)...

...Ma se scrivendo le frasi precedenti vi ho incuriosito continuate pure, poi non ditemi però che non vi avevo avvertito.
Sembra che la risposta alla domanda posta dal titolo sia ovvia, tuttavia mi risulta che nessuno abbia affrontato tale argomento come lo farò io.
In effetti la risposta affermativa vale se si tratta di una deriva o di una nave che navighi rigorosamente solo a vela (non ce ne sono più, non lo è nemmeno l’ Amerigo Vespucci), in tutti gli altri casi invece (cioè per tutte le barche a vela da diporto) la faccenda non è poi così scontata.
Con parole povere assai qui cercherò di rispondere con un misto di aerodinamica, termodinamica, buon senso e - naturalmente – un bel po’ di esperienza, che da sola frega tutto il resto.
Come la trattazione di qualsiasi argomento insegna, anche questa trattazione ha i suoi limiti nel senso che il lettore non può pretendere di trovarci la precisione assoluta, ma dovrà accontentarsi della magra approssimazione data dall’ applicazione dei coefficienti con i quali qualsiasi ingegnere mette a posto le cose.
Ne è un esempio lampante la normativa di calcolo antisismica per le costruzioni, frutto di elucubrazioni fantastiche da parte dei professori universitari ma che in definitiva lascia tutto al fatalismo della potenza distruttrice incognita e imprevedibile che solo il buon Dio sa quando, dove e con quale intensità scaglierà.

Tanto per cominciare i dati che troverete inseriti sono quelli ricavati dalla mia barca dopo anni di osservazione e di raccolta; già questo pone dei limiti perché un’ altra barca a vela grande il doppio  o la metà porterà ovviamente a risultati diversi, ma sono certo che per trarre poi le conclusioni finali i dati andranno comunque benissimo così come sono.
Ecco quindi ciò che ho pensato di fare.
Ho messo a confronto le potenze motrici della mia barca quando naviga a vela con quelle quando naviga a motore alla stessa velocità, così da poter verificare quanta dell’ energia che il motore brucia vada effettivamente usata nel muovere lo scafo; questo mi da’ modo di stimare gli sprechi energetici della navigazione a motore.
Il mio vecchio e magnifico Comet 12 è lungo 12.60, largo 4.00, disloca 10 tonn ed è equipaggiato col Nanni Mercedes a gasolio da 40 CV.
Il gioco di vele con cui navigo abitualmente ha una area di 55 mq di genoa e 37 mq di randa, per un totale di 92 mq.
La tabella seguente, frutto di innumerevoli osservazioni e misure, riporta per l’ andatura di traverso:
le velocità della barca in Kn   vb;
le velocità del vento corrispondenti in Kn   v v;
le velocità del vento apparente sulle vele in m/s   va;
le Resistenze di attrito delle vele R= 0.5 x densità aria / 2 x Vapp² in N   Res;
le Portanze delle vele P=1.2 x densità aria / 2 x Vapp² in N   Port;
le Forze di avanzamento (componente di P nella direzione dell’ asse dello scafo) in N   Favanz;
le Potenze espresse dalle vele P=F avanzamento x velocità barca in W   P. 

A mq	vb Kn	v v Kn	va m/s		Res N	Port N	Favanz N	P W
92	4	6	3,7		390	935	655	1347
	5	7	4,4		555	1331	932	2396
	6	9	5,6		877	2104	1473	4547
	7	12	7,1		1446	3471	2430	8750
	8	15	8,7		2166	5198	3639	14975

Tanto per porre in evidenza una prima conclusione, al Comet 12 occorrono 14975 W, cioè quasi 15 KW per navigare a 8 nodi.
Il grafico che segue dà l’ idea di quel che succede all’ aumentare della velocità:

Come è da aspettarsi la relazione non è lineare, perché le resistenze al moto aumentano grosso modo col quadrato della velocità.
Tali dati sono reali (al lordo degli errori di misura) perché sono frutto dell’ osservazione durante l’ esperienza.
Se ora volessi raffrontare la situazione con la navigazione a motore dovrei improvvisamente ammainare le vele e accendere il motore mantenendo la stessa velocità.
Dal punto di vista del calcolo ciò è molto semplice: basta cambiare unità di misura dai W ai CV.
Prima però per curiosità lasciatemi calcolare la forza che le scotte delle due vele devono sopportare: essa è la risultante delle Resistenze di attrito delle vele e delle loro Portanze (Res + Port) in forma vettoriale (estraendo la radice della somma dei quadrati); nella tabella seguente la seconda colonna riporta tali dati: si legge cha a 8 Kn di velocità della barca le scotte devono tirare con 5631 N, cioè 575 Kg ripartite tra randa e genoa (seconda colonna in tabella).
Non poco!

	vb Kn	Fscotte  N	P elica CV	P mot CV	l/h	aria mc
	4	1013	1,8	3,6	0,4	3,8
	5	1442	3,3	6,4	0,8	6,8
	6	2280	6,2	12,1	1,5	13,0
	7	3761	11,9	23,3	2,8	24,9
	8	5631	20,4	39,9	4,8	42,7

Ma andiamo avanti con i dati contenuti nelle altre colonne della tabella precedente e quindi con la stessa navigazione, ma fatta a motore.
Poiché dopo molte misurazioni ho accertato che navigando a motore a 2000 r.p.m. la velocità della barca è di 7 Kn e il consumo è di 2.8 l/h, posso stabilire che la P necessaria del motore è quella che fa tornare i conti in tal senso.
Quindi le restanti colonne della tabella riportano:
la Potenza effettivamente espressa dal motore in CV   Pmot;
il consumo di gasolio in litri/ora   l/h;
il consumo di aria per la combustione in mc/ora   aria.
Per facilità di lettura considererò i dati relativi alla velocità della barca pari a 7 Kn, valore che il Comet 12 raggiunge facilmente sia a vela che a motore.

vb Kn	Fscotte  N	P elica CV	P mot CV	l/h	aria mc
7	3761	11,9	23,3	2,8	24,9

E’ ora possibile trarre alcune conclusioni importanti.

Per navigare a 7 Kn a vela occorre una potenza di 8750 W che sono 11.9 CV; per far tornare i conti con l’ esperienza (vale a dire con la P erogata a 2000 r.p.m.) il motore deve erogare 23.3 CV.
Il rapporto tra la Potenza che fa avanzare la barca e quella effettivamente espressa dal motore è di 0.51, cioè il 49% della energia fornita dal motore se ne va in attriti interni e dissipativi tra elica e acqua e non viene utilizzata per fare avanzare la barca.
Oltre a ciò, per erogare questa potenza esso deve consumare 2.8 litri ogni ora di gasolio e “bruciare” 24.9 metri cubi di aria !
Per far ulteriormente tornare i conti con l’ esperienza quindi, valutando l’ energia ottenibile dalla combustione di 2.8 l/h di gasolio, il rapporto tra la Potenza che effettivamente muove i pistoni del motore e quella che viene bruciata nella combustione è 0.6 !
Cioè il 40% della energia bruciata se ne va a causa del rendimento termodinamico.
Tutto questo significa che se da 1 litro di gasolio io potrei ottenere 100 unità di energia, di quelle solo lo 0.51 x 0.6 (cioè 30) andranno effettivamente a spingere la barca !
Il restante 70 se ne andrà disperso nel mare e nell’ aria sotto forma di aumento di entropia dell’ universo (con sommo dispiacere dei ghiacciai che si scioglieranno di conseguenza).
Insomma se volessi percorrere 42 M navigando a 7 Kn e impiegando quindi 6 ore, a vela non consumerei nulla, a motore invece consumerei quasi 17 litri di gasolio e 150 metri cubi di aria.
Immetterei così nell’ atmosfera e nell’ acqua la differenza tra l’ energia necessaria a far avanzare la barca (8750 x 3600/4186 x 6 = 45150 Kcal) e quella bruciata nel motore (11150 x 0.780 x 2.8 x 6 = 146109 Kcal)… vale a dire 100959 Kcal…
Più di centomila Kcal sprecate !

A QUESTO PUNTO DATE UNA OCCHIATA QUI

Escluse quindi le derive e il Cutty Sark (nave a vela senza motore), tutte le altre barche a vela che non navigano solo a vela sono ecologiche?
Risposta: non proprio e non crediamo ogni giorno di fare meglio ! 
Una qualsiasi automobile con la quale ci muoviamo non ha le vele e i suoi rendimenti aereodinamici e termodinamici fanno comunque abbastanza pena.

La chiglia pressochè infinita del Cutty Sark, dalla quale non spunta alcun asse dell' elica

POST SCRIPTUM numero 1
I parametri qui impiegati che la Fisica nella sua infinita vastità (e cinismo) ci ha permesso di scoprire sono:
1 Kn = 1852/3600 m/s                                    1 Kg = 9.81 N                                 densità aria 1.255 Kg/mc
                             Cp = 1.2 coeff. di portanza                         Cr = 0.5 coeff. di resistenza
                    peso specifico gasolio 0.780 Kg/litro              potere calorifico gasolio 11150 Kcal/Kg
                                    1 CV = 735 W                                     1 W = 1 J/s = 3600/4186 Kcal/h
                                             Volume aria per combustione gasolio 11.3 mc/Kg

POST SCRIPTUM numero 2
L’ efficienza delle vele è conseguenza della pulizia dei bordi di entrata e della loro “indisturbatezza”… Che significa?
Vuol dire che il profilo dell’ albero “disturba” senz’ altro molto di più la randa di quanto il profilo dell’ estruso dello strallo cavo disturbi il genoa.
Inoltre il genoa “vola” in aria libera, la randa invece è disturbata dai vortici del genoa.
Il che si traduce nel fatto che il genoa ha una efficienza aerodinamica molto superiore a quella della randa (per alcuni circa il 70% in più).
Vuol dire che a 8 Kn di velocità la tensione di 5631 N sulle scotte non è ripartita in proporzione alle rispettive aree delle due vele, ma sarà molto più elevata sulla scotta del genoa e molto più ridotta su quella della randa.
Attenzione quindi: 55 mq di genoa tirano molto di più dei 37 mq della randa, ben oltre la proporzione delle due aree.