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TECNICA La portanza. Perché è fondamentale in barca a vela

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portanzaA lezione con Elio / 2. Dopo la prima lezione in cui vi ha spiegato perché la vostra barca da crociera ha già i foil, nella seconda puntata del suo ciclo il “prof” italo-brasiliano Elio Somaschini vi spiega che cosa sia la portanza e perché è fondamentale in barca. Sapete perché non dovete  navigare con le vele cazzate a ferro? Ve lo svelano gli scienziati Bernoulli, Newton, Euler, Kutta e Joukowski.

L’IMPORTANZA DELLA PORTANZA

Ciao a tutti, amici che amate la vostra barca. Come promesso nello scorso numero, in questa puntata parleremo della portanza, il famoso lift, che è quella che fa sì che la nostra barca si muova (ed è quello che sostiene gli aerei) e per questo è importantissima. Scopriremo, dalla teoria alla pratica, perché navigare con le vele troppo cazzate, ad esempio, diminuisce la velocità della barca e aumenta lo scarroccio. Tutta “colpa” della portanza.

La prima domanda, lecita è: “Come è possibile che un aereo si mantenga per aria volando?”. Ci sono alcune spiegazioni che, anche se sono vere, sono o incomplete o sbagliate!

“Sei pazzo! Sono vere ma sono sbagliate? Che dici?” Calma, vi spiego subito, vediamo un po’ la storia di come siamo arrivati al giorno d’oggi.

TEOREMA DI BERNOULLI E MITI DA SFATARE

La prima spiegazione che impariamo a scuola è il teorema di Bernoulli che dice: “Quando la velocità di un fluido aumenta, la pressione diminuisce”.

Fig. 1

Giustissimo, questo principio spiega benissimo come funzionano i carburatori dei motori, le pistole a spruzzo di pittura e anche il flusso del sangue nelle nostre vene. E’ anche giusto per i fluidi attorno a un profilo aerodinamico, però…(fig. 1)

Fig. 2

Bernoulli in realtà è il cosiddetto “principio della Conservazione della Energia” scritto in un altro modo. È corretto, però non spiega come un aereo vola, perché il fluido che si muove nella parte inferiore (intradosso) non percorre il profilo nello stesso tempo del fluido che si muove nella parte superiore del profilo (estradosso), perciò manca qualche cosa (fig. 2).

Fig. 3

La seconda cosa che altri ci insegnano, poi, è che un’ala ha portanza per il fatto che lei spinge il fluido in giù, perciò avrà la reazione in su. Questo è vero e si chiama legge della azione e reazione di Newton, o se preferite, Conservazione della Quantità di movimento – credo che in italiano si chiami la conservazione del moto P= m.v (fig. 3).

Anche questa spiegazione è vera, però anche lei è incompleta per spiegare come sorge la portanza. Manca qualche cosa.

IL TALENTO DI MR. EULER

Il primo che è stato capace di definire cosa realmente succede è stato un matematico che si chiamava Leonard Euler nel XVIII secolo. Lui è stato capace di creare delle equazioni (piuttosto complicate, ma non troppo) che essenzialmente dicono tre cose:

1) Quando un fluido si muove, la massa del fluido deve essere conservata. Cioè, non si creano e neppure si distruggono molecole del fluido.

2) La quantità di movimento deve conservarsi. Questo è facile da capire nella vita reale, se spingi qualche cosa in giù, tu riceverai una spinta uguale in su.

3) L’energia deve essere conservata. Cioè l’energia non si crea e neppure si distrugge.

È necessario che queste tre premesse siano conservate allo stesso tempo! Non basta conservare la energia (Bernoulli) e non basta conservare la quantità di movimento (Newton). Così come non è sufficiente conservare la quantità di movimento senza conservare la energia o non conservare la massa. Non esiste una sola premessa. O le usi tutte e tre o non spieghi niente!

E LA VISCOSITA’ DEI FLUIDI?

Se poi considerate che in realtà i fluidi hanno viscosità, allora al posto di usare le equazioni di Euler bisogna utilizzare quelle di Navier-Stokes, create nel inizio del secolo XIX (che sono molto più complicate).

Alla fine del secolo XIX, quasi simultaneamente, un matematico tedesco chiamato Martin Kutta e un fisico russo di nome Nikolay Jukovski studiando i flussi nei profili, hanno avuto la splendida idea di mettere una condizione in più: il fluido nella uscita del profilo deve uscire senza fare turbolenze, cioè, il bordo di fuga deve essere sottile e il fluido deve “scorrere”. Così è nata la soluzione di Kutta-Jukowski.

Questa è la soluzione che si usa oggigiorno perché è “semplice”, bella, elegante e quando applicata alla pratica funziona benissimo!

VORTICI? SI, MA QUELLI BUONI

Nel mese scorso abbiamo visto cosa succede quando un fluido (aria o acqua) percorre il profilo di un foil e appreso alcuni concetti relazionati alla resistenza al movimento (drag). Abbiamo poi visto che i vortici generati dalle punte delle ali producono grosse resistenze.

Forse qualcuno di voi (come me) avrà pensato: “hummm se riesco a fare un profilo che non fa vortici, la mia barca volerà meglio… hummm! Chissà…”.

Purtroppo ho una brutta notizia da darvi: se un profilo non produce vortici non esiste la portanza!

Senza scendere tanto nei dettagli, i vortici creati nelle estremità delle ali (e del timone, bulbo e vela) sono dannosi, questi devono essere eliminati a tutti i costi, però ci sono altri vortici, che sono essenziali.

Quando il fluido scende nella parte finale del profilo, ha una velocità maggiore di quella del fluido che viene dalla parte di sotto del profilo. Velocità maggiore significa pressione minore. Ecco che questo fluido che sta scendendo trova una barriera nel suo movimento, creata dal fluido più lento, e che era una pressione maggiore (Bernoulli). Perciò il movimento del fluido dopo che lascia il profilo, dovrà necessariamente “arricciarsi” in su e creare un vortice.

In fisica ci sono alcune leggi di conservazione che non si possono violare, com per esempio la conservazione della energia e alcune altre. Proprio per rispettare le leggi della natura, questo vortice deve creare, in chi lo genera una rotazione inversa.

Foto 1

Questa si chiama circolazione ed è la causa della portanza. Meglio di uno schizzo ecco una foto. La foto è stata mostrata da Al Bowers (Chief Scientist al NASA’s Neil A. Armstrong Flight Research Center, Edwards, Calif.) durante una conferenza pochi anni fa (foto 1).

Fig. 4

Dunque, per poter funzionare, una ala deve produrre vortici, quelli buoni, non quelli cattivi. Se sono riuscito a spiegare bene le cose, adesso sapreste spiegare perché un profilo simmetrico con angolo di attacco zero non crea portanza (fig. 4)?

Perché non getta il fluido in giù, dunque non genera i vortici e non si può avere circolazione = portanza!

Fig. 5

Adesso incliniamo un pochettino il nostro foil e l’angolo di attacco diventa diverso da zero (fig. 5)

Si creano vortici buoni là dietro e conseguentemente si crea una circolazione che è il nostro desiderato lift.

ECCO PERCHE’ NON DEVI CAZZARE TROPPO LA VELA!

Adesso incliniamolo ancora di più (fig. 6). Qui succede una brutta cosa! Il fluido non riesce più a scorrere il profilo, si stacca e genera un vero caos e, quei buoni vortici che esistevano prima, quasi non esistono più, il risultato sarà una circolazione molto minore e con questo il lift sarà molto minore. Kutta-Jukowski non funziona più, la resistenza aumenta, la portanza diminuisce.

Fig. 6

Quando uno cazza troppo la vela, è questo che sta facendo! La barca soffre, si inclina, scarroccia tremendamente, gli sforzi aumentano, la velocità diminuisce, gli sforzi sulle strutture aumentano, in cucina cade tutto, la moglie comincia a gridare, i bambini piangono, la faccia del comandante comincia a stamparsi di terrore, urla dappertutto… e la veleggiata rovinata.

Avete già visto questo succedere quando il vento stringe un pochettino o ci sono dei grossi cumulonembi che si avvicinano? Sono sicuro che tutti noi all’inizio della nostra vita come velisti ci siamo cascati qualche volta.

Credetemi, questo è l’errore più commesso da chi inizia a fare vela.

Purtroppo non solo da chi inizia. Nelle prossime puntate ne parleremo quando vedremo come regolare le vele per veleggiare meglio. Confesso che quando ho iniziato a veleggiare (windsurf negli anni 70-80) ero sempre l’ultimo nelle regate e facevo una forza da matti per tenere su la vela! Quando ho capito quale era l’errore, la cosa è migliorata molto: arrivavo penultimo (scherzo)!

La cosa importante da tenere in mente è: cazzare troppo le vele non aumenta la velocità della barca, anzi la diminuisce! Portanza è uguale a circolazione, circolazione è Kutta, e Kutta è fluido che scorre senza turbolenze nel bordo di uscita  delle vele.

Nelle prossime puntate vedremo come regolare bene le vele. Le vele devono essere trattate con dolcezza, ben regolate. La vostra barca vi ringrazia e conferma che “veleggiare è trasformare la fisica in poesia”. 

Elio Somaschini

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elio somaschiniCHI E’ IL “PROF” VELISTA PIU’ AMATO DEL WEB

Fisico, velista, marinaio (ha navigato per 20 anni intorno al mondo senza strumenti, solo con un orologio). Elio Somaschini, scoperto dal Giornale della Vela, è in breve tempo diventato uno dei “divulgatori” più seguiti del web. Il suo segreto? Ha il dono di rendere semplici e comprensibili a tutti concetti complessi, applicando dei principi fisici alla pratica. Elio vi fa capire il perché state facendo qualcosa. In questo ciclo di lezioni vi spiega come sfruttare al meglio appendici e vele per navigare felici, voi e la vostra barca.

Volete contattare personalmente Elio Somaschini per saperne di più sulla fisica in barca? Volete a verlo a bordo, o per un trasferimento? Scrivetegli a crapun@gmail.com

 


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