I foil su una barca a vela. Come funzionano, vantaggi e svantaggi

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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.

Nelle scorse puntate vi abbiamo introdotto all’idrodinamica di una barca a vela, spiegando i concetti di carena e di resistenza, poi ci siamo occupati di chiglia e timone. Oggi è il turno dell’ultima evoluzione in fatto di appendici, ovvero i foil. Le “ali” che permettono di far volare una barca sull’acqua (in questo caso si parla di navigazione “full foiling”) o comunque di ridurre la superficie bagnata della carena generando una spinta dal basso verso l’alto (lift). Come agiscono su uno scafo e come influenzano la progettazione di una barca?


Foil: funzionamento, vantaggi e svantaggi

I foil funzionano sfruttando principalmente la portanza: una forza che si genera quando un profilo alare si muove in un fluido. Questa forza consente il sollevamento dello scafo dall’acqua ed una riduzione della resistenza conseguente alla diminuzione della superficie immersa della carena. Va detto che l’efficacia dell’azione dei foil si rende manifesta al di sopra delle veliocità minime che consentono il sollevamento dello scafo. Al di sotto dei valori minimi i foil non generano sufficiente portanza rappresentando, al contrario, un incremento della superficie bagnata, il che rende necessaria la possibilità di ritrarli.

L’origine della portanza può essere spiegata con il teorema di Kutta-Joukowski: un principio fondamentale dell’aerodinamica che collega la portanza generata da un corpo immerso in un fluido (come un profilo alare) a tre fattori chiave:

  1. Circolazione (Γ): Misura la rotazione del fluido attorno al corpo (rappresentabile come un vortice che gira intorno al profilo alare).
  2. Densità del fluido (ρ): Indica la quantità di materia presente in un dato volume del fluido (ad esempio, l’acqua).
  3. Velocità indisturbata (V∞): La velocità del fluido che si avvicina al corpo da lontano.

Il teorema di Kutta-Joukowski afferma che, in un fluido ideale la portanza generata da un’ala è proporzionale al prodotto delle tre grandezze appena citate ed è diretta perpendicolarmente alla velocità indisturbata del fluido.

In condizioni reali come quando il profilo si muove nell’acqua di mare, il fluido è caratterizzato dalla presenza di viscosità e rotazionalità (ossia la presenza di vortici), e questo causa la comparsa di fenomeni altrimenti assenti: come la dissipazione di energia e la formazione di differenti regimi di flusso (laminare o turbolento) che influiscono sulla generazione di portanza.

Quando ad uno scafo, ad esempio un IMOCA 60, vengono aggiunti dei foil l’equilibrio delle forze cambia come illustrato in figura 1.

Foil funzionamento - Fig. 1
Fig.1 – Rappresentazione delle forze agenti su un Imoca 60. La forza generata dal foil (portanza) viene scomposta nelle componenti verticale (verde, blu e giallo) e laterale (arancione).

Partendo dall’analisi delle forze sulle appendici è subito evidente che il vettore che rappresenza la portanza (freccia nera) viene scomposto nelle due componenti: laterale (arancione) e verticale (verde). Sul piano velico (anch’esso un profilo alare che genera portanza) la componente verticale è rappresentata in blu ed è orientata verso il basso.

Abbiamo dunque due sistemi di forze: uno diretto verticalmente ed uno diretto orizzontalmente.

Al primo sistema appartengono le componenti verticali della portanza (rappresentate in verde o blu), la forza peso (indicata con il termine ‘Newton’ in figura 1 e rappresentata in blu) e la spinta di Archimede (applicata nel centro di carena e rappresentata in giallo).

Al secondo sistema appartengono invece le componenti laterali della portanza (rappresentate in arancione), dirette verso destra o verso sinistra a seconda che si riferiscano alle appendici oppure al piano velico.

Mettendo tutto questo insieme possiamo finalmente analizzare l’equilibrio di questa particolare imbarcazione. Se scomponiamo i possibili movimenti in traslatori e rotatori possiamo facilmente applicare le regole della fisica elementare ed ottenere quanto di seguito.


Foil – Movimenti traslatori sull’asse verticale

Le forze che agiscono verticalmente sullo scafo sono principalmente due: la forza peso (in blu indicata con ‘Newton’) che tende a farlo affondare e la spinta di Archimede (gialla), proporzionale al volume dell’opera viva, che, al contrario tende a spingerlo verso l’alto e farlo galleggiare. In assenza di altre forze lo scafo trova un suo punto di equilibrio che eguaglia le due forze secondo un certo piano di galleggiamento (corrispondente ad una determinata immersone).

Fig. 2 – Foil a L

Nel caso rappresentato in figura abbiamo alcuni elementi aggiuntivi costituiti dalle appendici e dal piano velico che generano effetti che si sovrappongono a quelli appena indicati. Per analizzarli occorre considerare però anche l’asse orizzontale.

La portanza generata sia dal piano velico sia dalle appendici produce contributi sia verticali che si sovrappongono alla spinta di Archimede ed alla forza peso, sia orizzontali che tendono uno a far scarrocciare la barca, l’altro (la componente orizzontale di chiglia e foil) a mantenerla in rotta.

Adesso è però necessario analizzare anche il secondo tipo di movimento: quello rotatorio.


Foil – Movimenti rotatori

 Le equazioni cardinali della statica stabiliscono che affinche un corpo sia in equilibrio statico (in modo un po’ impreciso si potrebbe dire ‘non trasla e non ruota’ ma sarebbe più corretto parlare di un corpo che ha accelerazioni nulle) è necessario che sia la risultante delle forze esterne sia quella dei momenti esterni siano uguali a zero. Tutte le forze e tutti i momenti devono essere equilibrati.

Se il concetto di forza è abbastanza intuitivo quello di momento lo è un po meno. Può essere utile immaginare di dover aprire una porta spingendola. Se la nostra mano agirà sulla maniglia riusciremo ad aprirla senza difficoltà, tuttavia se invece facciamo forza in prossimità dei cardini la forza necessaria sarà molto maggiore.

Figura 3. Foil a C

Questo succede perché per mettere in movimento la porta, che si muove di moto rotatorio incernierata sui cardini, è necessario applicare una forza ad una certa distanza dall’asse di rotazione (i cardini), maggiore sarà questa distanza (braccio della forza) minore sarà la forza necessaria. Il prodotto della forza per il suo braccio si chiama ‘momento della forza’. Il momento si considera positivo se genera una rotazione oraria (vista dall’asse).

Nel nostro caso abbiamo due momenti distinti: un momento sbandante ed un momento raddrizzante. Anche in questo caso l’imbarcazione trova un suo punto di equilibrio tra il momento delle forze che tende a sbandarla trasversalmente ed il momento raddrizzante che tende a riportarla nella posizione originaria.

Se immaginiamo (più o meno correttamente…) che l’asse di rotazione passi per il fondo dello scafo e proviamo ad immaginare quale rotazione, oraria o antrioraria, generi ciascuna delle forze considerate in precedenza possiamo facilmente comprendere il meccanismo appena indicato.

In particolare, come si osserva dalla figura 1, producono sbandamento la componente laterale della portanza generata dal piano velico e la componente verticale della portanza della chiglia.

Contribuiscono invece al momento raddrizzante: la forza peso, la spinta di Archimede e la componente verticale della portanza del foil immerso.

Risulta quindi chiaro che l’alterazione di una qualsiasi delle forze che agiscono sullo scafo influisce sul suo equilibrio complessiovo nel contesto di una situazione fortemente dinamica come quella di una imbarcazione a vela che naviga in condizioni di vento ed onda spesso fortemente variabili.


I vantaggi

Velocità: Le barche con foil possono raggiungere velocità nettamente superiori a quelle tradizionali, fino a raddoppiare la velocità del vento. Pensiamo ai catamarani di Coppa America che sfrecciano sull’acqua a oltre 50 nodi, un vero e proprio spettacolo di velocità e adrenalina.

Efficienza: Riducendo la resistenza all’acqua, si aumenta l’efficienza della barca, permettendo di navigare con meno vento e consumi inferiori. Un vantaggio non solo per le barche da regata, ma anche per quelle da crociera che possono navigare a vela con maggiore autonomia e consumi ridotti.

Stabilità: I foil possono migliorare la stabilità della barca, riducendo lo sbandamento e rendendola più controllabile.


Gli svantaggi

Complessità: Le barche con foil sono più complesse da progettare, costruire e manovrare. Richiede un equipaggio altamente qualificato e una conoscenza approfondita della tecnologia per poter sfruttare al meglio le potenzialità dei foil.

Costi: I sistemi di foil sono costosi e richiedono una manutenzione specifica. L’utilizzo di questa tecnologia è ancora appannaggio di barche da regata e di armatori facoltosi.

Sicurezza: La navigazione con foil può essere più rischiosa in caso di collisioni o manovre errate. La mancanza di esperienza e la scarsa conoscenza dei rischi possono portare a incidenti gravi.

Paolo Andrea Gemelli


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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1 commento su “I foil su una barca a vela. Come funzionano, vantaggi e svantaggi”

  1. Mancano due esempi che mi aspetto nelle prossime puntate. Il DSS è il sistema più semplice, arrivato sulla produzione in serie anche per il diporto. Non servono presentazioni. Una novità sono i foil a T retrattili del Pogo 3F che si adatta alle condizioni del mare: a seconda dell’inclinazione, si comportano come un DSS e ruggerboard combinati o come arm foil superando i noti limiti in altura e pescaggio dei bracci derivati dagli AC.

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