ARTICOLI E CHIACCHIERE COSE TRA NOI
LUGLIO 2010

 

Il mese scorso terminai quel che volevo dire sui catamarani con l’ immagine di Alinghi che qui riporto nuovamente, associata a quella di Oracle...senza più albero.
Mi viene in mente un detto che circolava nei cantieri edili del Veneto parecchi anni fa : osservando il pilastro appena gettato in cantiere, la frase classica dell’ impresario al manovale era: 
"In piè el xe in piè, in boea el xe in boea...Tien duro che vao a tor i schei !"
Che tradotto suona :
“In piedi è in piedi, in bolla è in bolla….Tienilo su così che vado a riscuotere i soldi !”

 L' ALBERO ALARE

Forse qualcuno di voi un po’ avanti con l’ età si ricorderà del modello di un’ auto tedesca che si chiamava Karmann, mi pareva fosse della Volkswagen.
Ogni corpo che si muove in un fluido (liquido o aeriforme) provoca la formazione di vortici, anche se esso è molto affusolato nella forma.
Il signor Von Karmann è molto noto nel campo della fluidodinamica perché riuscì a stabilire dei rapporti dimensionali tra il corpo in movimento e i vortici che si formano.
Il caso più visibile è rappresentato da una bandiera e dalle sue oscillazioni, che sono più o meno le stesse di un alga nel letto di un fiume, ma lo stesso avviene anche se il corpo è rigido, come un’ asta, un’ ala, un filo di ferro, un tubo, una vela.
La formazione dei vortici è dovuta al fatto che le due parti del fluido che lambiscono le superfici opposte del corpo non riescono a starvi aderenti, o meglio vi riescono solo se la velocità del fluido è piccola in relazione alla larghezza del corpo....(La seguente animazione, che ho "rubato" nel Web a Wikipedia, chiarisce bene il fenomeno).

Se la velocità aumenta, o se la larghezza del corpo diminuisce, il fluido si stacca dalle superfici laterali (in gergo si dice che il moto da laminare diventa turbolento) e questo distacco avviene alternativamente sulle due facce laterali, portando così - a valle - alla formazione di vortici alternati.
Bello eh ?
Finché fa sventolare le bandiere sì, se invece fa vibrare ali di aerei, ciminiere, ponti sospesi, alberi di barche a vela, pale di timone, elementi di carrozzeria di auto ecc., le cose possono diventare antipatiche o addirittura distruttive.

DIGRESSIONE NATURALISTICA
Pensate, o magnifici lettori, che la stessa cosa avviene anche a grandissima scala tra il vento e le montagne; ne sono un esempio le immagini seguenti prese al di sopra di formazioni nuvolose che transitano su isole in mezzo all' oceano.

   

La distruzione strutturale avviene se la frequenza di distacco dei vortici va in risonanza (cioè in sintonia) con la frequenza propria di oscillazione della struttura…ma lasciamo perdere perchè non è questo il tema di oggi. 
Torniamo agli alberi delle barche.

Formare vortici vuol dire dissipare energia, il che si traduce in spreco di potenza : del resto è ovvio che spostarsi all’ interno di un fluido richieda energia, ci mancherebbe altro che si riuscisse a viaggiare gratis !

La Natura - che sa benissimo tutto ciò proprio perchè è lei ad averlo inventato - ha dotato alcune specie animali di particolari accorgimenti : si tratta di dispositivi di cui sono dotati gli animali che per sopravvivere devono volare consumando il meno possibile.
Esempi sono gli uccelli migratori (che volano in formazione sfruttando la resistenza del loro collega che “tira” il gruppo), gli albatri e i gabbiani (che per vivere devono volare tutto il giorno per avvistare i pesci e hanno le ali lunghissime e sottili), gli uccelli rapaci (che cacciano in solitudine e che la natura ha dotato di una aletta all’ estremità dell’ ala, proprio come l’ uomo ha poi copiato su alcune chiglie di barche e sulle estremità di alcuni aerei di linea).
Cosa avviene quando l’ albero di una barca (insieme a tutto il sartiame) si muove nel vento ?
Se riuscissimo a vedere la serie invisibile di vortici prodotta sulla vela che sta a valle (cioè sulla randa) resteremmo sbalorditi : praticamente tutta la parte alta della vela ne risente tantissimo e il regime dell’ aria sulle due facce è tutt’ altro che laminare.
Naturalmente il regime laminare sarebbe invece auspicabile per ottimizzare il rendimento della randa; se infatti la balumina della vostra randa è dotata di fiocchetti segnavento, noterete come sia difficile navigare di bolina mantenendo allineato quello più in alto mentre tutti gli altri più in basso lo sono: quando infatti quelli sotto sventolano pressoché orizzontali (i vortici li sentono anch’ essi, ma perlomeno essi lasciano la vela nel verso giusto) quello vicino alla stecca più in alto spesso sta rivolto addirittura sopravvento.
Il motivo è che la randa lì sopra è molto stretta e sta così vicino all’ albero che il regime vorticoso di Von Karmann che si forma attorno al profilo dell’ albero la investe lungo tutta la sua superficie.
Ecco allora che avere un albero rastremato e profilato nel senso del vento è di gran giovamento al rendimento della vela.
Noi sappiamo che l’ orientamento del boma, e quindi della vela che vi è inferita, deve poter variare a seconda delle andature della barca, pertanto risulta ovvio che avere il profilo dell’ albero che segua tale orientamento sarebbe cosa ancor più opportuna.
L’ albero allora può essere anche rotante sul proprio asse e prender finalmente il nome di albero alare.
Se la sua capacità di rotazione è totale, è chiaro che esso non può essere sostenuto dalle sartie, ma deve basarsi solo sul sostegno di mastra e scassa, con relativo intensificarsi delle sollecitazioni su tali parti della coperta e della chiglia (vedi Optimist, Laser e Finn, tanto per citare alcune derive dotate di albero completamente rotante).
Poiché qui stiamo invece parlando di barche o catamarani da crociera, quindi con superfici veliche considerevoli, è necessario “tenere su” l’ albero con qualche manovra fissa; si adottano allora strallo e paterazzo, cioè manovre fisse nel senso prua – poppa, senza sartiame e scaricando comunque sforzi molto concentrati al piede dell’ albero.
In questa situazione l’ albero può ruotare limitatamente entro un certo settore ed è costretto anche ad andare in torsione, soprattutto però esso non lavora più come una trave reticolare (tipo il braccio delle gru edili) sostenuto dai tiranti delle sartie sopravvento, ma come una vera e propria mensola incastrata alla base (come fosse un vero e proprio albero di pioppo).

DIGRESSIONE INFORMATIVA
A qualcuno di voi verrà in mente di proporre di eliminare la vela, intesa come tessuto, e di dotare la barca di un albero talmente alare da essere una vera e propria ala di aereo, ovviamente posizionata in verticale.
La barca a vela potrebbe essere così costituita da uno scafo per galleggiare, un’ ala immersa nell’ acqua che è la pinna di deriva e un’ altra ala “immersa nell’ aria” che fa da vela.
Ottimo ragionamento, infatti qualcuno ci ha già pensato da un pezzo.
E’ evidente che un siffatto modo di armare una barca può andar bene per stabilire i record e non per lasciare la barca all’ ormeggio tutto l’ anno come facciamo noi diportisti: ve l’ immaginate qualche centinaio di barche dotate di ali rigide al posto degli alberi affiancate all’ ormeggio quando arriva un bel temporale ?
Per la verità qualcuno ha anche pensato a soluzioni alternative e più percorribili...date un' occhiata al sito  www.wimor.com

Dette tutte queste cose, si capisce come gli alberi alari costino senza dubbio di più dei comuni alberi e come impongano di dimensionare sullo scafo la mastra e la scassa in modo adeguato.
Oltre al vantaggio aerodinamico c' è anche un vantaggio di stabilità: infatti risparmiare sul sartiame significa applicare meno chilogrammi in alto, cioè avere un baricentro un po’ più basso sulla barca.
Tale vantaggio è però alquanto trascurabile: su una barca di 12 metri (che disloca quasi una decina di tonnellate) significa solamente avere circa 40 Kg in meno (tra sartie e crocette) a riva…Non è molto, ma è pur sempre qualcosa.

Concludendo, l’ albero alare consente di migliorare il rendimento della randa, fatto che in regata può avere il suo valore (soprattutto nel caso l’ armo preveda di portare vele piccole sul triangolo di prua affidando gran parte della propulsione alla randa, proprio come succede nei catamarani).
…E per andare a spasso in crociera ?

Non ritengo ne valga la pena.
I vortici di Von Karmann si formano lo stesso e più è stretto il corpo che avanza nel vento più si formano a velocità contenute; il solo strallo cavo che usiamo per inferire le vele di prua provoca vortici, così come qualsiasi antenna, paterazzo, candeliere, pulpito, manica a vento e chi più ne ha più ne metta, alla faccia dell’ albero alare.
Per non parlare dei vortici che si formano al bordo di uscita della pinna di deriva e timone e che, trattandosi di acqua e non di aria, dissipano una dose di energia ancora più elevata.

A questo punto vale forse la pena di spendere alcune parole sulla frequenza con cui tali vortici si distaccano.

Qui entra in campo un altro personaggio, il signor Strouhal, il quale stabilì che la frequenza di distacco è proporzionale alla velocità e inversamente proporzionale alla larghezza del corpo (basta invertire la formula seguente, risolvendola rispetto a f); è curioso che il rapporto tra queste grandezze è quasi costante e prende il nome - appunto - di numero di Strouhal.

Cioè tanto più si corre veloci (oppure tanto più si ha a che fare con una sartia piuttosto che con un albero) tanto più è elevata la frequenza (cioè la vibrazione) con cui si distaccano i vortici.

SECONDA DIGRESSIONE NATURALISTICA
La Natura è veramente super-fantastica: tutte le nostre leggi fanno ridere in confronto alle sue creazioni: pensate alle ali di uccelli dalle dimensioni estreme, tipo i colibrì e gli albatri.
La frequenza  con cui batte le ali un colibrì paragonata a quella con cui (quasi) non batte le ali un albatro è in relazione con la lunghezza dell’ ala, perché tra una battuta e l’ altra nell’ aria si forma il vortice…quindi la frequenza del vortice dipende dalla lunghezza dell’ ala.
Questa faccenda della frequenza di distacco dei vortici gravita quindi intorno al numero di Strouhal che numerosi sperimentatori hanno cercato di quantificare…Pare che il valore 0,21 sia stato verificato in numerosissimi fenomeni, sia per il colibrì che per l’ albatro (incredibile !).
Non riesco ad immaginare cosa succederebbe se un albatro battesse le ali con la frequenza di un colibrì (sarebbe impossibile, come montare il motore di una Ferrari su una bicicletta da corsa), mentre è facilmente prevedibile cosa succederebbe se un colibrì battesse le ali con la frequenza di un albatro !

A noi diportisti cosa può interessare la frequenza di distacco dei vortici ?
Dal punto di vista del rendimento delle nostre barche poco o niente: è molto difficile che la frequenza propria di oscillazione di una sartia o di una appendice della barca sia uguale a quella di distacco dei vortici (e quindi che si creino problemi di collasso della struttura per risonanza).
Piuttosto può capitare che alcune appendici (per esempio i timoni) abbiano le armoniche proprie di vibrazione successive alla prima in risonanza….so che questo discorso è difficile e non mi dilungo qui a spiegarlo, ma il risultato è che il timone perde di efficienza, frena la barca e soprattutto fa avvertire una fastidiosa vibrazione rumorosa che può percuotersi a tutto lo scafo: mi è capitato di indagare su un caso del genere, ma è stata una rarità.

SECONDA DIGRESSIONE INFORMATIVA sulle armoniche
Se a qualcuno può interessare sapere di queste cose perchè ha riscontrato delle vibrazioni sulla sua barca in navigazione, mi può interpellare: sarò lieto di parlarne.

L’ unico caso che ritengo possa creare problemi a noi naviganti vacanzieri è quando l’ albero stesso entra in risonanza e produce un rumore continuo di sottofondo oscillante di frequenza al variare della velocità del vento: molti vecchi Grand Soleil 34, che hanno l’ albero poggiato in coperta, soffrono di tale inconveniente.
Di notte può essere fastidioso perchè può disturbare il sonno non solo agli armatori dei GS 34 ma anche a quelli delle barche ormeggiate nelle vicinanze.
Può essere poetico dormire con lo stormire delle fronde, ma lo è di meno stare svegli con un sordo ululato che continua nella notte.
Il rimedio può consistere nell’ attorcigliare una o più drizze intorno all’ albero.
Se non ci credete provate ad osservare con attenzione alcune antenne radio poste sul tetto delle auto, vedrete che hanno l’ asta sagomata a spirale…il principio è lo stesso : le alterazioni del contorno della superficie dell’ antenna interrompono il susseguirsi regolare del distacco dei vortici rendendolo più irregolare, cioè smorzando la regolarità della frequenza.
E’ chiaro che se si navigasse in queste condizioni la struttura muovendosi sprecherebbe ancora più energia, ma se la barca è ferma all’ ormeggio il nostro interesse è quello di dormire in pace, non già quello di risparmiare energia…
E buona notte !

Un momento prima di andare in stampa ci è venuto in mente un altro caso di interesse diportistico attinente alla frequenza di distacco dei vortici.
Si tratta delle esche artificiali di pesca alla traina, che diventano una ulteriore applicazione della relazione di Strouhal : a parità di velocità di traino un’ esca lunga 10 cm vibra molto più rapidamente di un’ esca lunga 20 cm e, se voglio che lo scodinzolo dell’ esca sia verosimile, devo variare la velocità della barca a seconda della grandezza dell’ esca.
I pescatori sanno benissimo che più grande è l’ esca più veloce deve essere la traina (e più grosso sarà il predatore).
Spesso ignorano però che il predatore può non venire dall’ acqua ma dall’ aria…i gabbiani infatti talvolta si tuffano sulle esche artificiali al traino delle imbarcazioni e il risultato non è piacevole, né per i gabbiani, né per i pescatori. 

Ciao Alessandro dalla provincia di Como; spero di essere stato esauriente.


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