Fisica nella barca a vela

Luca Dubbini
Marco Tito Bordogna
Prima di iniziare a veleggiare è importante capire come
funziona una vela e i principi secondo i quali viene
generata la sua forza propulsiva. La conoscenza di alcune
nozioni teoriche essenziali vi permetterà di sfruttare al
meglio l esperienza pratica.
Le barche a vela si muovono grazie al vento che scorre la
superficie curva delle vele, in modo molto simile ad un
aereo, che è sostenuto dalla potenza generata dalle ali. Una
vela, come un ala, raggiunge la massima efficienza quando
forma un angolo piuttosto piccolo con il vento: è essenziale
orientare e regolare costantemente le vele, per mantenere
l angolazione ottimale. Se una vela viene lasciata troppo
lasca, si limita a dileggiare come una bandiera, senza
produrre alcuna spinta; se è troppo tesa, il flusso dell aria
si interrompe e la vela stalla , esattamente come un aereo
che vola a velocità troppo bassa.
Non tutta la forza prodotta da una vela si traduce in spinta
propulsiva. Essa può essere scomposta in due vettori, la
spinta e la componente laterale (o di scarroccio), che
spinge la barca di lato e la cui intensità dipende
dell andatura: è al massimo in bolina, al minimo con il
vento in poppa. Se la vela è troppo tesa e stalla, la forza
propulsiva diminuisce e cresce invece la componente di
scarroccio. Con andature al vento la barca tende a scivolare
di lato; chiglia e deriva contrastano questa tendenza, che
non viene mai del tutto eliminata. La differenza tra la rotta
impostata e quella seguita è detta deriva.
Alla forza generata dalle
vele, che tende a spingere
la barca di lato, si
oppongono la deriva o la
chiglia.
Poiché la forza di una vela viene applicata a una certa
altezza dall acqua, la componente di scarroccio tende a far
sbandare la barca. La resistenza laterale generata dalla
deriva o dalla chiglia aumenta tale tendenza, che in una
deriva viene controbilanciato dal peso dell equipaggio, e in
un cabinato dalla chiglia.
E generata dalla distanza
verticale tra i punti di
applicazione della
componente di scarroccio
e di resistenza della
chiglia.
Ora che abbiamo visto quali sono le forze che permettono
il movimento della barca apriamo una piccola parentesi per
quello che è il motore nelle barche a vela: il VENTO.
Scopriremo ora l esistenza di due tipo differenti di vento:
il VENTO REALE e il VENTO APPARENTE.
Il vento reale è quel
vento che noi percepiamo
quando siamo fermi.
Ad Es. se siamo seduti in
spiaggia e decidiamo di
rilevare l intensità e la
direzione del vento i
risultati che otterremo
saranno relativi al vento
reale.
Il vento apparente è invece
la risultante tra il vento
reale, che si percepisce da
fermi, e quello provocato
dal movimento della
barca. I segnavento
indicano il vento
apparente quando la barca
è in moto, il vento reale se
la barca è ormeggiata.
Ora che siamo a conoscenza delle nozioni di base,
affrontiamo più approfonditamente il funzionamento delle
vele. Le vele funzionano come le ali di un aereo: al
passaggio dell aria, generano una forza aerodinamica. In
un aereo l avanzamento, necessario a produrre lo
scorrimento d aria sulle ali, è garantito dal motore; in una
barca il vento sulla vela si converte in forza, una
componente della quale è la forza propulsiva.
Una vela correttamente regolata divide l aria in due flussi:
quello che si muove lungo il lato convesso (sottovento)
percorre una distanza maggiore di quello che scorre sul
lato concavo (sopravento) e la sua velocità aumenta di
conseguenza. Quando un flusso d aria aumenta la velocità,
la sua pressione diminuisce: la differenza di pressione tra i
flussi che scorrono sui due lati risucchia la vela in
direzione sottovento e crea una forza applicabile ad angolo
retto a ciascuno dei punti della superficie della vela. La
risultante di queste forze spinge la barca in avanti.
Il risucchio è facilmente dimostrabile attraverso un
semplice esperimento.
Mettendo un cucchiaino sotto un flusso d acqua continua
vedremo che la parte convessa del cucchiaino viene attratta
verso il flusso d acqua.
Paragonando l acqua al vento e il profilo del cucchiaino al
profilo alare delle vele eccoci dimostrato il risucchio
Tutte le forze che agiscono sulla vela possono essere
considerate come una sola forza applicata a un singolo
punto, detto centro velico (o baricentro). La forza
aerodinamica può essere divisa nella componente di
scarroccio e in quella propulsiva. Una vela a segno
fornisce la sua massima componente propulsiva, a fronte
di una minima componente di scarroccio.
L intensità della componente propulsiva e di quella di
scarroccio dipende dall andatura e dall angolo tra la
vela e la barca. In bolina la propulsione è inferiore a
quella del lasco, ma la componente di scarroccio è
maggiore.
Il flusso d aria, scorrendo lungo la vela, si muove più
velocemente sul lato sottovento, dove la pressione
diminuisce, e più lentamente sul lato sopravento, dove
questa aumenta. Questo provoca un risucchio della
vela da sottovento e genera una forza che agisce ad un
angolo retto su ogni punto della vela: la risultante di
queste forze si considera applicata al centro velico.
Secondo il medesimo principio il fiocco, issato davanti
all albero, genera la propria forza propulsiva, ma
incrementa anche l efficienza della randa: mentre l aria
scorre tra le due vele, viene compressa a causa dello
spazio ridotto e quindi accelera, il che riduce
ulteriormente la pressione sul lato sottovento della
randa aumentandone la potenza. Randa e fiocco
dovrebbero pertanto essere regolati insieme, al fine di
creare tra loro uno spazio omogeneo.
L interazione tra due vele è un elemento cruciale per quanto
riguarda le prestazione. Sebbene il fiocco sia più piccolo della
randa, si rivela , potenzialmente, più efficace, poiché non ha
un albero che disturba il flusso d aria. Se lo spazio che separa
il fiocco e la randa è omogeneo, il flusso d aria subisce un
aumento di pressione, che ne aumenta la velocità; ciò provoca
un ulteriore diminuzione della pressione sul lato sottovento
della randa, aumentandone la componente propulsiva.