Appendici spiegate. Come agiscono chiglia e timone su una barca

Cosa succede sotto la linea di galleggiamento di una barca a vela tradizionale? Che cosa è l’idrodinamica e perché carena e appendici influenzano la velocità di una barca? Partendo dalle basi, ce lo racconta – in più puntate – il professore di Architettura Navale all’Università di Genova, Paolo Gemelli*, già autore per noi degli articoli “La Portanza della Vele“, “Randa e fiocco. Come regolarli con l’aiuto della scienza“, “Interazione randa e fiocco, strato limite e strallo” che sono stati lettissimi.

Nella scorsa puntata vi abbiamo introdotto all’idrodinamica di una barca a vela, spiegando i concetti di carena e di resistenza. Oggi è il turno delle appendici: qual è la chiglia migliore? E la pala del timone? Meglio doppia o singola? Per non parlare dei foil, che cambiano le carte in tavola…

Appendici di carena nelle barche a vela

Nel mondo della vela, le appendici di carena svolgono un ruolo cruciale sia per quanto riguarda le prestazioni, sia la stabilità sia la manovrabilità delle imbarcazioni. La loro progettazione richiede un’attenta considerazione dell’idrodinamica e delle esigenze specifiche dell’imbarcazione, sia che si tratti di navigazione da crociera che di regate.

La chiglia

La chiglia rappresenta un elemento fondamentale in una imbarcazione a vela: consente di limitare lo scarroccio indotto dalla componente laterale del vento e limita lo sbandamento dello scafo per effetto della pressione dell’aria sulle vele.. Nel tempo si sono sviluppate chiglie di diverso tipo che rispondevano ad esigenze di utilizzo che nel tempo si sono progressivamente evolute.

Chiglie Lunghe e Piene: Le vediano su scafi tradizionali e sono caratterizzate da un’estensione considerevole lungo lo scafo. Offrono eccellente stabilità di rotta e garantiscono una buona tenuta al mare a scapito però della velocità e della manovrabilità.

Chiglie a Pinna: Più corte longitudinalmente e con maggior estensione verticale le chiglie a pinna migliorano le prestazioni dell’imbarcazione in particolar modo nelle andature controvento. Possono essere fisse o retrattili, quest’ultime utili per ridurre il pescaggio in acque poco profonde.

Chiglie a Bulbo: Presentano un peso concentrato all’estremità inferiore (il bulbo) finalizzato a massimizzare la stabilità trasversale attraverso l’aumento del momento raddrizzante, riducendo però al minimo l’aumento del pescaggio.

Questa configurazione è particolarmente vantaggiosa per imbarcazioni da regata, dove un basso centro di gravità migliora le prestazioni senza compromettere la sicurezza.

Chiglie Basculanti (Canting Keel): Hanno rappresentato una innovazione nel campo delle imbarcazioni da regata, permettendo di spostare il peso lateralmente per aumentare il braccio di leva quando l’imbarcazione è inclinata, migliorando significativamente la velocità e le prestazioni nelle andature controvento.

Appendici: Timoni, pala singola vs doppia

La scelta tra timone a pala singola o doppia influisce fortemente sulla manovrabilità e sul controllo dell’imbarcazione.

Timone a Pala Singola: Tradizionale e comunemente utilizzato su barche di ogni epoca, offre buona stabilità di rotta ma può diventare meno efficace in condizioni di forte sbandamento o con imbarcazioni ad ampio baglio.

Timone a doppia pala: Fornisce maggiore controllo e reattività, soprattutto in condizioni di forte vento e mare agitato. La configurazione a doppia pala è ideale per imbarcazioni con ampi bagli, migliorando la capacità di governo quando la barca è inclinata, poiché almeno uno dei due timoni rimane immerso, mantenendo l’efficacia del controllo direzionale.

La progettazione delle appendici

La progettazione delle appendici di carena rappresenta un complesso processo ingegneristico che richiede l’analisi globale delle dinamiche tra le componenti strutturali dell’imbarcazione e l’ambiente acquatico in cui essa verrà impiegata. Attraverso l’impiego di avanzate soluzioni di fluidodinamica computazionale (CFD) e metodologie di ottimizzazione basate su algoritmi è possibile simulare ed esaminare l’impatto di differenti configurazioni di appendici sulle prestazioni globali dell’imbarcazione.

Questi strumenti tecnologici avanzati permettono un affinamento mirato della morfologia e delle dimensioni di chiglie, timoni ed altre appendici, al fine di raggiungere l’ottimale sinergia tra velocità, stabilità e manovrabilità, rispettando le necessità specifiche dell’equipaggio e anticipando le condizioni marine previste.

La teoria aerodinamica dei profili alari offre un solido fondamento per interpretare e giustificare, sotto un profilo qualitativo e fenomenologico, le interazioni fluidodinamiche legate alle appendici dello scafo. Tale base teorica facilita un’indagine approfondita sull’interazione di queste strutture con il fluido circostante, influenzando in maniera determinante la performance e la stabilità di rotta dell’imbarcazione.

I profili alari adottati nel contesto navale e nautico si caratterizzano per un marcato allungamento in una delle due dimensioni, presentando tipicamente un bordo d’attacco arrotondato e un bordo di uscita affilato.

Analizzando le forze esercitate da una chiglia, data la sua notevole analogia con le ali di un aeroplano, emerge come le proprietà fondamentali di resistenza e portanza siano intimamente connesse al tipo di profilo alare selezionato.

Tuttavia, è essenziale ricordare che esistono sostanziali divergenze tra il modello teorico della sezione bidimensionale (o, più precisamente, dell’ala di apertura infinita come quello rappresentato in Fig.2) e il contesto pratico di una chiglia operante su uno scafo. Il progettista deve pertanto considerare tali distinzioni nella fase di progettazione e tener conto delle principali variazioni, che si manifestano in termini di resistenza e portanza generata dall’appendice attribuibili a diversi fattori:

– La configurazione geometrica dell’appendice
– L’aspect ratio (in questo caso ill rapporto tra la lunghezza – quanto si estende sotto la chiglia – e la larghezza media nel senso longitudinale)
– La morfologia dell’estremità dell’appendice
– L’interazione con la superficie libera

L’introduzione dei foil

L’introduzione dei foil ha tuttavia rappresentato forse l’innovazione più significativa degli ultimi decenni modificando radicalmente non solo il progetto ma la concezione stessa della navigazione a vela.

Queste particolarissime appendici richiedono una trattazione approfondita alla quale ci dedicheremo in uno dei prossimi articoli.