La portanza delle vele spiegata (finalmente) bene
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Perché le vele sono il motore di una barca a vela? Sembra una domanda semplice, eppure, sulla portanza e sull’effetto del vento sulle vele si è sempre fatta molta confusione, tirando in ballo – sbagliando – anche l’effetto Venturi. Quale migliore “guida” c’è, per illustrare la portanza e i suoi effetti pratici, se non un docente universitario? Lo abbiamo chiesto al professore di Architettura Navale all’Università di Genova, Paolo Gemelli*.
Cosa è la portanza
La ragione per la quale le vele si comportano come siamo abituati ad osservare è uno dei primi dubbi che colgono il velista alle prime armi ma non solo. Considerato però che il funzionamento dei fluidi (come l’aria) intorno a dei profili (come le vele) è governato da regole non sempre di immediata comprensione, nel tempo si sono sedimentate spiegazioni non sempre corrette. Per amor di semplificazione si sono costruite teorie che hanno poco o nulla a che vedere con la realtà osservata.
In breve:
- La forza aerodinamica che agisce sulle vele si compone di due termini: portanza e resistenza; la portanza è perpendicolare alla direzione del vento apparente (il vento apparente, quello con cui navigano le barche a vela una volta in movimento, è la somma vettoriale del vento prodotto dall’avanzamento e del vento reale) e diretta dal lato sopravento a quello sottovento, la resistenza è diretta ed orientata secondo la direzione del vento apparente.
- La forza che consente alla vela di fornire la propulsione all’imbarcazione è dovuta alla maggior pressione del fluido sul lato sopravvento rispetto a quello sottovento; la differenza di pressione è strettamente legata, tramite l’equazione di Bernoulli alle diverse velocità del fluido: maggiore sottovento e minore sopravvento.
- I diversi valori di velocità sono associati alla presenza di una circolazione del fluido intorno alla vela che, attraverso la composizione delle velocità sopra e sottovento, determina una diminuzione ed un aumento rispettivo della velocità.
Perché la vela porta?
Quando un profilo, anche perfettamente piano, è immerso in un fluido in movimento e forma un angolo con esso (angolo di attacco) si genera una spinta F (vedi figura). Questa forza è composta da due termini: il primo prende il nome di portanza P, diretta perpendicolarmente alla direzione del vento apparente; il secondo è la resistenza R, diretta parallelamente al flusso.
L’esistenza di queste forze è dovuta, alle differenti velocità del fluido sul versante sopravvento e sottovento. In conseguenza dell’equazione di Bernoulli questa differenza di velocità si traduce in una differenza di pressione: velocità sottovento maggiore rispetto alla velocità sopravvento quindi pressione minore.
Perché succede?
Perché il fluido, il vento nel nostro caso, si comporti come si osserva nella realtà occorre considerare il suo moto come costituito dalla sovrapposizione di due termini: il primo rappresentato da linee di flusso orientate secondo la direzione di quest’ultimo; il secondo, la circolazione (Fig. 2a in rosso), costituito da linee di flusso chiuse attorno al profilo e dirette dal bordo di uscita verso il bordo di ingresso sul lato sopravvento e nel verso opposto sul lato sottovento.
La sovrapposizione di questi due contributi produce una risultante delle velocità minore sul lato sopravvento rispetto a quella sul lato sottovento per effetto del differente orientamento dei vettori, parzialmente discordi sopravvento (le velocità si sottraggono), concordi sottovento (le velocità si sommano). L’applicazione dell’equazione di Bernoulli mette in relazione l’aumento di velocità con la diminuzione della pressione sul lato sottovento.
Fig. 2 – Se vengono ipotizzate condizioni di assenza di viscosità nel fluido (fluido ideale) il suo moto intorno al profilo è quello rappresentato in figura a) in nero. I punti indicati con le lettere R rappresentano i punti di ristagno in corrispondenza dei quali la velocità del fluido è nulla e la pressione statica è massima. In queste condizioni il comportamento del fluido, in particolar modo in corrispondenza del bordo di uscita (l’estremità destra) del profilo, è assai diverso da quello osservato nella realtà. Solo passando ai fluidi reali (che hanno viscosità diversa da zero) ed introducendo la circolazione (figura a) in rosso) la situazione cambia e ben rappresenta quanto si osserva nella realtà (Figura b) ). La situazione rappresentata in Figura b) relativamente al bordo di uscita si dice soddisfi le condizioni di Kutta.
Fig. 3 – Condizioni di Kutta. In a) le condizioni di Kutta non sono soddisfatte ed il fluido in prossimità del bordo di uscita del profilo dovrebbe, irrealisticamente, compiere una rotazione antioraria risaledo brevemente il versante sopravento. In b) le condizioni di Kutta sono verificate ed il fluido esce in modo più ‘regolare’ dal profilo.
Riferimenti bibliografici
Arvel Gentry; A review of modern sail theory; Proc. of the Eleventh AIAA Symposium on the Aero/Hydronautics of Sailing, 1981
Fabio Fossati; Aero-Hydrodynamics and the Performances of Sailing Yachts
Chi è il nostro “prof”
*Paolo Andrea Gemelli è docente di Architettura Navale presso il corso di laurea in Design del Prodotto Nautico dell’Università di Genova. Dal 1999 ad oggi si è occupato di sicurezza marittima con particolare riferimento al weather routing ed all’intelligence navale. È membro del panel di esperti della European Maritime Safety Agency (EMSA) e dell’Associazione Italiana Analisti di Intelligence e Geopolitica.
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19 commenti su “La portanza delle vele spiegata (finalmente) bene”
Magari sarà anche la spiegazione corretta, ma sullo “spiegata bene” avrei delle riserve….
Magari spiegata bene per un ingnegnegnere navale…
Finalmente ….
Mmm. Non sono d’accordo. È tutto in funzione della risultante del campo di moto. Non c’entra Bernoulli.
Buonasera Daniele, grazie per le sue osservazioni. Non sono certo di aver chiaro cosa intende per ‘campo di moto’. Per quanto riguarda il ruolo dell’equazione di Bernoulli questa ci consente di collegare l’aumento della velocità del flusso con la diminuzione della pressione: senza considerare variazioni di quota (quindi di energia potenziale) l’eq di Bernoulli dice che in un fluido la somma della pressione e del quadrato della velocità (moltiplicato per una costante) deve rimanere costante. Aumentando la velocità la pressione deve necessariamente diminuire.
Non sono un tecnico, ma la spiegazione non è chiara e sinceramente non poteva esserlo in un articolo di poche o molte righe. Inviterei a fare riferimento ai video in rete (durata oltre 1 ora), dove qualche tecnico spiega bene le forze in gioco e la fisica sottostante. In alternativa c’è qualche libro dedicato che in un centinaio di pagine dà le risposte che si cercano.
Un ottimo articolo per chi come me vuole approfondire i principi di fluidodinamica applicati alle vele ed agli scafi.
Da velista ho partecipato ad alcune regate che mi hanno appassionato molto, soprattutto negli aspetti legati al setting perfetto delle vele che contribuisce a fare la differenza nelle velocità alle diverse andature.
Spero di poterne leggere molti altri in futuro.
Grazie,
Carlo.
C’è una discussione animata su perché un ala vola, in aeronautica. E come il principio di Bernoulli risulti secondariamente importante e giusto in quasi tutte le sue parti, ma come quasi tutti i vari piloto anche qua non si prende in considerazione il teorema di Coandà a la legge di Newton. Io non sono pienamente consapevole di tutta la Fisica, ma sicuri che non manchi materiale all’articolo ?
Buonasera Andrea, grazie per il suo intervento. Lei comprenderà che un articolo di divulgazione, introduttivo ad un tema complesso come la dinamica dei fluidi, non può avere pretese di completezza.
una vela NON è un’ ala. non nel 99% dei casi dove la barca non è velocissima. nei windsurf e nei catamarani o nei CA parliamo di ali. invece si comporta come un deltaplano che sta atterrando. in una situazione di prestallo. con moto vorticoso e non laminare nell’estradosso. e un angolo di incidenza importante sull’ infradosso (sopravvento). nelle ipotesi considerate la vela sembra una tavola… nessuna barca navigherebbe (se non in poppa piena) con una vela piatta. la parte fondamentale della vela è il giro d’albero… la curvatura che forza il moto lineare del vento a diventare per un piccolo tratto, circolare. se la vela fosse un’ala la massima spinta si avrebbe con la vela a 90gradi rispetto alla barca… tutti i velisti sanno che occorre cazzare per partire. poi il vento apperente cambia e il discorso diventa più complesso…
Buonasera Marco, grazie per le sue osservazioni. La forma piatta del profilo utilizzata nell’articolo, immagino comprenderà, è un’estremizzazione puramente didattica finalizzata a far comprendere l’assoluta generalità di quanto detto e la sua indipendenza da un particolare profilo.
Una vela piatta é un profilo estremamente semplice, puó generare portanza e resistenza verosimilmente come una lastra piana, quindi in grado di trascinare una barca
Giusto un commento: la forza di portanza può in generale deviare dalla perpendicolare alla direzione del vento apparente in funzione della geometria dell’ala (vela), sicuramente localmente. Inoltre, forse solo per aiutare a chiarire, la contro-rotazione indotta dalla circolazione è parte della forza che crea la portanza: la circolazione introduce un momento sull’ala, che non potendo essere controbilanciato (non c’è un elemento di ancoraggio, fisso) introduce una spinta nella direzione opposta che si somma appunto a quella indotta dalla differenza di pressione sopra-sottovento dell’ala. Tuttavia, credo che possiamo dire che ancora non è completamente compreso questo fenomeno! Come anche la semplice mela che cade, la gravità… :D:D Più scaviamo più troviamo
sono una velista dalla passione tardiva ( come età anagrafica) ma molto recente e mi sono resa conto che alla fine, assodati alcuni principi base che, sì, si possono studiare sui libri, anche senza essere ingegneri aerospaziali, quello che conta davvero è navigare navigare e navigare, soprattutto con velisti capaci ed esperti che sappiano trasmetterti, oltre alla passione, quei consigli pratici che fanno la differenza…. alla fine le manovre corrette ti devono venire per istinto, perchè senti il vento e riesci a fare le mosse giuste senza doverci pensare troppo… e questo purtroppo si acquisisce solo con la pratica …..
Hai ragione Giovanna, ma se l’esperto velista non ti spiega perché regola le vele in un certo modo e in certe condizioni di vento non serve navigare navigare navigare ………..quando sarai da sola senza l’esperto cosa farai ?
W la vela !!!!!!
Posso provare? Grazie. Il baricentro questo sconosciuto: ogni corpo solido ha un baricentro, cioè ha un punto di applicazione in cui si concentrano le forze: nell’uomo, il baricentro = ombelico! E li vettore, freccia, forza che è orientata verso il centro della Terra: forza di gravità. Ogni forza si identifica per punto di applicazione e direzione della freccia, vettore, forza. Nelle barca? il punto di incontro tra la perpendicolare che unisce la due sartie, base dell’albero, derive mobili, 470, 4,70 metri quadri di vela, e la retta centrale che unisce prua a poppa = punto di baricentro. Punto di applicazione del vettore. Nelle auto, idem. Se bravi, barca, auto neutra: auto gira solo 2 ruote, ma F1, può essere sovrasterzante o sottosterzante, se sovrasterzante, più forza centrifuga e mono accelerazione centripeta, vi potete chiame Alonzo, se sovrasterzante in curva, cioè verso out pista: vedete i “sorci verdi” . Auto gira per risultante tra momento torcente e moto rettilineo uniforme! La barca, idem, può essere, orxiera o poppiera! Ora risultate e bisettrice: mettiamo vento al traverso, 90 gradi di incidenza, su baricentro e 0 gradi, moto rettilineo uniforme: bisettrice cioè forza risultante, 0÷90, ovvero direzione in avanti di 45 gradi, punto di applicazione il baricentro della barca, punto di incontro tra “sartie & asse longitudinale:; punto di applicazione & direzione del vettore.. grazie Giovanni Consalvo
Miii….che confusione! Intenzionale?
Indubbiamente l’equazione di Bernulli trova ‘applicazione , non trascurerei però una moderna teoria dell’università di Aukland , sposata in Italia dal Prof. Galli Dell’istituto di Fisica Nucleare di Bologna circa la Deflessione dell’aria per cui le particelle d’aria in ordine sparso trattandosi di un fluido innescano una rotazione intorno ad un profilo alare generando una forza centripeta , a questa forza si oppone secondo uno il III principio della dinamica di Newton una forza opposta centrifuga .”portanza” tale teoria conclude che la vela esercita sull’aria una forza centripeta come l’aria esercita sulla vela una forza centrifuga “portanza”. Roberto Genova Istruttore LNI
Mi sono laureato nel 1972 (!!!) in ingegneria aeronautica con una tesi sperimentale dal titolo “Aerodinamica della vela”, dopo ore e ore in galleria del vento con un modello in scala della deriva con cui allora regatavo, producendo le polari portanza-resistenza e quindi propulsione-deriva, compresa la variazione del centro aerodinamico e i relativi momenti, a tutte le andature. Vi assicuro che la vela si comporta come un’ala rigida a tutti gli effetti (quando ben regolata), anche se non molto efficiente, soprattutto per la presenza nociva dell’albero proprio nel punto più delicato del bordo d’attacco (alle andature dal traverso alla bolina). Le vele delle moderne meravigliose barche della coppa America sono sempre più ali a tutti gli effetti, avendo trasformato il profilo dell’albero in un vero e proprio bordo d’attacco profilato (rotante a seconda dell’andatura) dai cui bordi si dipartono due superfici veliche che si uniscono al bordo d’uscita: eccoci arrivati ad un vero e proprio profilo alare d’un certo spessore, con la stessa progressione dai profili curvi ma senza spessore degli aerei dagli inizi fino agli anni ’20 del secolo scorso (simili alla vela classica, ma senza l’effetto nocivo dell’albero), fino ai profili spessi più efficienti degli aerei degli anni ’30 (date le velocità dell’aria in ballo, non è necessario andare oltre).
Per quanto riguarda le leggi fisiche che spiegano il funzionamento dell’ala-vela, si dovrebbe ripartire dalle fondamenta: una qualsiasi superfice che deflette un fluido (con minore o maggiore efficienza, a partire dalla lastra piana) genera una variazione della quantità di moto (massa x velocità vettoriale) del fluido stesso e quindi una forza sulla massa del fluido che, per reazione, nel nostro caso, si scarica sulla vela. Bernoulli va bene se si vuole studiare in dettaglio il comportamento dell’ala-vela, ma solo alle andature dal traverso alla bolina. La variazione della quantità di moto lo spiega invece a tutte le andature, comprese quelle di poppa, in cui la vela agisce come un paracadute, ovvero come un’ala completamente stallata, che genera tutta resistenza (ma che per la barca si trasforma in spinta) e niente portanza.
Per Giovanna: l’esperienza è importante, ma può trasmettere anche errori: dopo la mia tesi, invece, ho cominciato a vincere regate.
Solo per sottolineare quanto esposto dall’ing.Francesco, che ha studiato il comportamento aerodinamico di una vela in galleria del vento, in particolare la bassa efficienza. Pur potendosi realizzare quasi gli stessi coeff di portanza di un profilo a doppia curvatura, la vela paga pesantemente dal lato resistenza. Solo per fare un esempio basilare,puranente indicativo,un profilo uso aeronautico puó arrivare in resistenza ad un Cr di 0.04, una vela,come la mia,se va bene 0.4,compreso il contributo positivo del genoa.É un valore peggiore di 10 volte tanto. Complice la forma, la presenza dell’albero,le sezioni alte della vela che ne rimangono abbondantemente in ombra.
Reynolds, resistenza indotta, variazione Cr in funzione dell’incidenza, rugositá superficiale, paranetri volutamente teascurati.
( per ing Francesco, ho lasciato i miei recapiti a questa redazione, vorrei parlarle se possibile)