SETTEMBRE 2017

ALLEGGERIMENTI ?

Il mio amico Nicola mi ha mandato una mail con la seguente richiesta:

Quesito sulla mia barca: se per motivi di peso sostituisco le due placche acciaio inox da 3 mm (una esterna grande, una interna più piccola) messe per rinforzare lo specchio di poppa dopo l’operazione accorcia-allunga del gambo motore con due fogli di carbonio o kevlar, cosa ottengo?
Spessore del carbonio?  Tenuta?
ciao, Nicola

P.S. Smettila di fare il sentimentale…Gli articoli con tecnicismi e formule astruse a noi comuni lettori ignoranti (nel senso che non sappiamo cosa siano) ci suonano sempre bene, ci affascinano e colmano il nostro vuoto culturale.  Carichi di rottura micrometrica, momenti torcenti, seni e coseni, iperboli, capillarità fotostatica, teslabite, rapporti di compressione inversamente proporzionali al quadrato pgreco, ecc.. devono sempre esserci!

Nicola possiede da due anni un Saver 690 (un day-cruiser non pontato motorizzato con un f.b. Honda 4 tempi da 200 CV).
Sostanzialmente mi ha chiesto se sia possibile sostituire le piastre di acciaio di diffusione dei carichi sullo specchio di poppa (sulle quali è imbullonato il motore) con delle piastre in composito e di valutarne la differenza di peso.
Ora proverò per pochissime righe a seguire il consiglio contenuto nel suo P.S., tornando poi al mio solito stile…

…un po’ di pi-grechi introduttivi!  
Il regime tenso-statico e tenso-dinamico delle piastre di diffusione deve essere trattato a prescindere dalle sollecitazioni termo-elastiche delle fibre; un qualsiasi effetto di strech-out non va mai banalizzato attraverso una serie finita di modelli elasto-plastico-distruttivi, ma deve essere sempre mediato con analisi modali e di vibrazione consone con il fibro-rinforzo adottato.
Nel caso in esame pertanto, passando attraverso la modellizzazione storico-empirica delle prove a rottura, è possibile risalire con la taratura del modello matematico a resistenze differenziate alla definizione dei micro-stati di strech in dipendenza dalle direzioni degli assi principali di tensione.
(Se volete posso andare avanti ancora continuando a non dire assolutamente nulla…ma ho deciso di fermarmi qui).
…un po’ di pi-grechi finali!

Bene, non crediate però che alcune dispense di scienza delle costruzioni oggi adottate da qualche insegnante universitario siano molto dissimili da questo modo di esprimersi…viene addotta la giustificazione che i nuovi materiali hanno comportamenti così particolari da dover far uso di nuovi linguaggi per essere descritti.
In effetti, se una decina di anni fa (anche meno) uno avesse pronunciato la frase “scarica l’ app” probabilmente sarebbe stato rinchiuso in un istituto, tuttavia la natura ci offre talmente tanti esempi di comportamenti diversi che le frasi e le similitudini per farsi capire in modo semplice e adeguato ci sono comunque.
Ora veniamo a noi con un linguaggio perlomeno “normale”.

Le sollecitazioni cui vanno soggette le piastre di rinforzo e diffusione sugli specchi di poppa delle barche (a motore) sono abbastanza complesse, ma l’ azione principale è quella dovuta allo sforzo di taglio che, dalle due staffe solidali al motore, si deve distribuire alla struttura dello specchio soprattutto in fase di accelerazione e di ingresso in planata.
Lo sforzo di taglio è praticamente una sollecitazione perpendicolare alla giacitura delle piastre che tende a “tranciare” le piastre e lo spessore dello specchio.
Tre sono gli elementi coinvolti nell’ azione:
Lo specchio di poppa (in genere fatto di vetroresina);
le piastre (in genere fatte di acciaio);
le staffe di sostegno del motore (in genere fatte di alluminio).
Lo sforzo di taglio grosso modo:
interessa lo spessore delle piastre, ma solo lungo il contorno delle staffe del motore;
interessa lo spessore del materiale con cui è composto lo specchio, ma solo lungo il contorno delle piastre.

Poiché globalmente la resistenza per cm²  degli strati dello specchio è inferiore a quella dell’ acciaio o alluminio che forma piastre e staffe, le piastre devono avere uno sviluppo del contorno ovviamente il più grande possibile, per lo stesso motivo per cui si affonda nella neve se si cammina con gli scarponi ma non si affonda se si cammina con gli sci.
Pertanto lasciando inalterato lo specchio e volendo intervenire sulle piastre non si potrà ridurne l’ area, ma si potrà solo intervenire sul loro spessore e sul materiale di cui sono fatte.
Per poter fare una qualche valutazione occorrono dei dati, che indicativamente sono:
Tensioni di rottura Acciaio Kg/cm²:                4000 a trazione      2300 a taglio
Tensioni di rottura fibra Carbonio Kg/cm²:      20000 a trazione     
Tensioni di rottura fibra Kevlar Kg/cm²:          30000 a trazione    
Sono valori molto indicativi (soprattutto per il C) e sono riferiti ALLA TRAZIONE DELLE FIBRE; quindi è ben comprensibile come per una fibra o una serie di fibre (che sono dei fili o delle trecce di fili ) sia praticamente impossibile definire una rottura a taglio;... a trazione sì, ma a taglio…..
Infatti dobbiamo sempre pensare che nei materiali compositi tra una fibra e l’ altra c’è la resina epossidica che compone a ”costruire” la sezione (in questo caso la piastra); pertanto la sezione è composta sia di resina che di fibre...(per gran parte da resina).
Il discorso si fa quindi molto ma molto complicato, perché ciò che i materiali compositi rispetto all’ acciaio non hanno è l’ isotropia (non sono fatti dello stesso materiale in tutte le direzioni) e ciò che invece hanno è la fragilità (non avvisano di quando stanno per cedere)….Ma di queste cose abbiamo già abbondantemente parlato in questo sito.
Questa precisazione (in realtà molto poco precisa) ci fa capire subito che non possiamo paragonare direttamente le resistenze a rottura di una piastra di acciaio (che ha lo stesso valore per tutte le direzioni) con una di composito (che ne varia il valore a seconda della direzione della densità delle fibre, cioè di quante ne sono state annegate nello spessore della resina).
Se fosse così semplice, per esempio, una piastra di acciaio da mm 3 resisterebbe a trazione quanto una di Kevlar da mm 3 x (4000/30000) = 0.4 ,  basterebbe cioè una piastra da 4 decimi di millimetro di Kevlar per fare lo steso servizio di quella in acciaio!
Ma è impossibile costruire una “piastra di solo Kevlar”…e anche se riuscissimo a farla di resina con le fibre di Kevlar annegate ve la sentireste di serrare i bulloni del f.b. su una piastra in resina e Kevlar da 4 decimi di millimetro?
Io no.

La rottura avverrebbe nello spessore di resina che verrebbe “tenuto insieme” dalle fibre del composito, ma non allo stesso modo e in tutte le direzioni.
Insomma mentre con le vele, dove gli sforzi viaggiano preferibilmente lungo determinate direzioni, adottare delle pellicole con dentro annegate le fibre che “tengono botta alle trazioni” è una cosa buone e bella, con le piastre di diffusione invece adottare le fibre per “tener botta agli sforzi di taglio” non lo è per nulla.
Allora che ci resta da considerare in pratica?
Ammettendo che la piastra di resina con annegate le fibre di C o Kevlar possa raggiungere lo stesso valore di resistenza di rottura a taglio dell’ acciaio (sia diverse formulazioni teoriche dei criteri di resistenza (*) e sia diverse prove sperimentali hanno portato a risultati di circa 2800 Kg/cm², quindi molto vicini al valore dell’ acciaio di 2300 Kg/cm²) si potrebbe sostituire le due piastre da 3 mm di acciaio con due piaste di 3 mm di composito.
Resterebbe da valutare quindi solo il risparmio di peso.
Considerati i pesi specifici dell' acciaio (7.85 Kg/dm³) e della resina (1.5 Kg/dm³) e considerando lo spessore di 3 mm, il risparmio di peso per ogni m² di piastra sarebbe circa di 23.55 – 4.5 = 19.05 Kg/ m².
Insomma se le piastre hanno una area complessiva di mezzo metro quadrato alla fine si guadagnerebbero 9.5 Kg !
Vale la pena?
A questo punto, scusatemi, ma mi fanno proprio da ridere coloro che sostituiscono una ruota del timone in alluminio con una in fibra di carbonio per risparmiare peso…

   

Il peso specifico dell’ alluminio varia a seconda delle leghe ma si aggira sui 2.6 – 2.8 Kg/ dm³ con  resistenze vicine a quelle dell’ acciaio.
Domanda: quanto si risparmierebbe in peso operando la sostituzione se la ruota ha il diametro di 1 m ed è dotata di 5 razze?
Risposta: se il diametro del tubo della ruota è di 2 cm con spessore 2 mm e quello delle razze è di 1 cm con spessore 1 mm, il risparmio di peso è di circa 7 etti !
Insomma, scusatemi nuovamente, ma è sufficiente che il timoniere faccia pipì prima della partenza della regata che il guadagno di peso è già stato ottenuto.

Che dite?...
Poco ingegneristico?
Semplicistico?
Obsoleto?
Volgare?
…Sì, forse sì, ma terribilmente reale! (**)

(*) Era da tempo che non usavo gli asterischi….
I criteri di resistenza per i compositi sono:
”Criterio della tensione massima”; “Criterio della deformazione massima”; “Criterio di Tsai-Hill”, “Criterio di Hoffman”; “Criterio di Tsai-Wu”
Ora che lo sapete avrete senz’ altro colmato un vuoto culturale insopportabile!
Ne sono particolarmente orgoglioso e contento: aiutare i lettori ad un consapevole incremento del loro patrimonio culturale è forse la principale finalità di questo modesto sito.

(**) Quando ero ragazzo (le fibre di carbonio non esistevano) infatti ero solito fare pipì prima di ogni regata…

P.S.

A proposito degli specchi di poppa dei motori fuori bordo vi propongo il seguente filmato con foto: si tratta del mitico Severino De Cassan (di lui ho già parlato in questo sito a proposito dell' isola di Premuda in Croazia, dove il paesaggio e i tramonti sono così belli da fargli affermare: "In zenòcio ghe andarìa a Premuda!" - Traduzione: "In ginocchio ci andrei a Premuda!") impegnato alla guida del "FreeWheeling". 
A voi i commenti!

SEVERINO