Perché la fetta di pane cade sempre sul lato imburrato (e cosa c’entra con la Coppa America)

Si avvicina la 37ma edizione della Coppa America. In attesa di un tifo da stadio per la nostra nazionale della vela, Luna Rossa (sperando che faccia una figura ben migliore rispetto agli azzurri del calcio all’Europeo), torna uno degli appuntamenti più attesi del nostro “Giornale della Coppa”. Ovvero le lectio magistralis del prof. italo-brasiliano Elio Somaschini* detto Crapun (testardo, in lombardo), il velista che ha girato per vent’anni il mondo in barca senza strumenti, usando solo un orologio e che ha il dono di saper rendere semplice ciò che semplice non è. 

In questa prima puntata, Somaschini ci spiega, nel suo italiano “contaminato” da oltre 60 anni di vita brasiliana, perché la fetta di pane cade sempre sul lato imburrato. E perché questo c’entra con le barche della Coppa America, i velocissimi AC75 volanti dotati di foil. Buona lettura.

Pitch, Coppa America, fette di pane

Perché la fetta di pane cade sempre sul lato imburrato? Questo importante problema che tormenta l’umanità, ha molto a che vedere con l’America’s Cup.Nella figura 1 abbiamo un aereo. Il suo peso si può considerare come se agisse su quella linea verticale che contiene un punto di equilibrio che chiameremo Centro di Massa (o Centro di Gravità).

Però l’aereo sta volando in orizzontale, in perfetto equilibrio, perciò qualcosa deve fornire una forza verticale in alto per poter annullare la forza Peso: sull’aereo, sono le ali che creano anche una spinta in su, e con ciò annullano la forza peso.

Vero, ma se avete queste due forze come nel disegno, questo aereo punterà il muso verso il cielo e la coda verso terra, perché queste forze non agiscono nella stessa verticale!

La soluzione? Sta nella coda, dove quelle due piccole ali orizzontali garantiscono anch’esse una forza in su e l’aereo diventa stabile (fig.2).

Magari penserete: “Ma se applico la forza delle ali esattamente nella stessa verticale del peso, non avrò bisogno della coda”. Purtroppo la situazione diventerebbe così instabile che non si riuscirebbe a controllare il volo.

“Allora”, vi direte, “se ho capito bene, se il Centro di Massa del mio aereo fosse più avanti della verticale di forza delle ali… la coda dovrebbe essere disegnata per fare forza in giù”. Bravi!

Nella figura 3 ho rappresentato le situazioni possibili.

L’importanza del “drag”

Ma sono stato un po’ imbroglione con voi. Non so se avete notato, all’inizio ho scritto che le ali fanno una forza ANCHE in su. È qui che le lacrime scorrono dagli occhi degli ingegneri dell’America’s Cup.

Quando l’aria o l’acqua o un fluido scorrono su una superficie sorge una forza contraria al movimento, che normalmente chiamano Drag, in italiano, letteralmente, “trascinamento”.

Il ragionamento da fare sempre è: se noi riceviamo, dall’interazione fra il vento e la vela, l’energia per muovere la barca, dobbiamo ridurre al massimo tutte le resistenze che dissipano energia. Il drag è una delle più importanti.

Qui lavorano sodo ingegneri di altíssimo profilo cercando soluzioni alle volte inusuali o persino non intuitive.

Chi ha scoperto il problema del drag è stato il “padre della aerodinamica”, Ludwig Prandtl. Egli è riuscito a creare equazioni e teoremi e un numero speciale (che porta il suo nome) e, come conseguenza, dal 1932 sappiamo molto di più.

Dopo Prandtl, sappiamo che la miglior forma di ala è ellittica, che gli aerei ad ala semplice volano meglio che i biplani e tante altre cose.

Ha creato le basi per far sorgere la NACA (oggi NASA), con la missione di studiare, classificare e testare tutti i profili di ali, cioè quello che chiamiamo Foil.

Dunque, la forza che l’ala fornisce non è verticale, ma bensì inclinata indietro, SEMPRE! Quando il fluido si muove sorge il drag.

Ma allora se la forza è sempre indietro, come fa l’aereo a andare avanti? Qui entra in gioco il motore, che nel caso degli AC 75 si chiama VELA!

Vorrei solo dedicare un secondo del mio pensiero a Otto Lilienthal, pioniere dell’aviazione tedesco che ha perso la vita proprio cercando di poter cambiare il Centro di Gravità durante il volo, ma che ci ha lasciato tutti gli studi e centinaia di voli realizzati e che hanno ispirato l’umanità.

Piccoli concetti: quella forza verticale dell’ala NON é il “lift”, del quale parleremo opportunamente, ma il lift è perpendicolare alla linea mediana del foil, non al piano di volo…

A proposito di fette di pane e AC75 di Coppa America

Ahhh …. mi stavo scordando la fetta di pane e la Coppa America!

Sugli AC75, quando le barche stanno volando e una delle forze si sposta, si rischia il Pitch ( l’infilata di naso, o ingavonata!), con conseguenze terribili. Proprio come con Lilienthal, una volta che comincia il Pitch (normalmente per causa di uno “stool”) non c’è più controllo.

Da qui si vede la complessità di portare una barca così. Senza computer e decine di sensori a bordo, sarebbe impossibile farla volare. Mantenere la barca orizzontale, a quasi 100 km/h, con onde, persone che si muovono e cambiano la posizione del Centro di Gravità (CG), vele che costantemente cambiano regolazioni, il numero di variabili è altíssimo, non so quanto ci sia dietro di pilota automatico…

Adesso che sapete perché un AC può infilare il naso in acqua o tutto a un tratto alzare il naso e impennarsi come il cavallino rampante passiamo al tema più importante.

Prendete una fetta di pane (15 g), spalmate del burro (30 g), poi della marmellata (20 g). Adesso adagiate la fetta in sul bordo del tavolo. Spingete lentamente la fetta verso il bordo del tavolo. Il centro di massa del sistema è più o meno nel mezzo della fetta. E io la spingo ancor di più verso il bordo, finché….

Il centro di massa esce dal tavolo! Allora la fetta comincia a cadere, però allo stesso tempo gira su se stessa (È bello da fare. In casa)! Succede che, con soli 80 o 90 cm di altezza del tavolo, quando la fetta cade non ha il a tempo di fare un giro completo, riesce solo a fare mezzo giro! Siccome all’inizio il burro era sopra ora sarà sotto. Dunque, come in un AC75, la fetta di pane fa un pitch.

Vi lascio con una domanda: “Se un aereo, che pesa così tanto, riesce a volare, chi sta facendo la forza che lo sostiene?“.

Non dite l’aria, l’aria non sostiene neanche una penna!

Salutoni dal Crapun!

E alla prossima puntata!

*Chi è Elio Somaschini

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 i segreti delle barche di Coppa America, gli AC 75

Volete contattare personalmente Elio Somaschini per saperne di più sulla fisica in barca? Volete prenotarvi un posto a bordo di uno Swan 65 con Elio all’America’s Cup di Barcellona? Scrivetegli a crapun@gmail.com

Le ultime lezioni di Elio Somaschini:

• Perché la tua barca da crociera ha già i foil
• La portanza spiegata facile
• Come accorgerti che la tua barca sta bene solo toccando il timone
• Come cambiare forma alle vele per averle sempre al massimo