Equilibrio e Galleggiamento Isabella Scarselli Francesca Xie Martina Pacini Linda Guazzini Elisa Amerighi

La resistenza dello scafo Ci sono diversi strati d’acqua che influiscono sull’avanzamento dello scafo: il primo strato aderisce alla parte inferiore della barca, il secondo strato più esterno allo scafo comincia a scorrere sul primo. Il terzo strato scorre più velocemente sul secondo. Il quarto scorre ancora meglio sul terzo fino a che l’ultimo strato riesce finalmente a staccarsi dall’acqua circostante. Il flusso laminare è formato da questi strati che scivolano l’uno sull’altro. Quando la velocità dello scafo aumenta, il movimento laminare di questi strati diventa sempre più turbolento. Per far scivolare meglio la barca sull’acqua, si cerca di ridurre la parte immersa dello scafo.

Quando la velocità è bassa, lo scafo viene maggiormente influenzato dalla forza d’attrito. A mano a mano che si aumenta la velocità entra in gioco una nuova resistenza dovuta alle onde formatesi dallo sforzo dello scafo per aprirsi la strada nell’acqua. Quando è sotto l’azione del vento, la barca a vela tende a scarrocciare di traverso cioè a spostarsi lateralmente. Quando la barca aumenta di velocità, le onde trasversali sono più lunghe e più alte e quando lo scafo ha la sua massima velocità, viene sostenuto da una sola onda che ha una cresta sotto la poppa e l’altra sotto la prua. L’opera viva è la parte dello scafo sotto l’acqua che influisce sul galleggiamento. L’opera morta è la parte fuori dall’acqua. Se uno scafo è ulteriormente immerso, la spinta che lo riporta in superficie è in relazione al volume dell’opera viva più quello dell’opera morta.

Stabilità dello scafo La stabilità è un elemento importante di sicurezza ed è la capacità di opporsi al capovolgimento, provocato dal vento e dal moto ondoso. Si ha stabilità di forma quando gli scafi sono pieni e con una forma arrotondata e stabilità di peso grazie alle zavorre (pesi che servono per impedire il ribaltamento) poste nella chiglia. In entrambi i casi la stabilità dipende dalla posizione di due importanti punti dell’imbarcazione: il centro di gravità e il centro di spinta. Il centro di gravità è il punto di applicazione della risultante dei vari pesi che compongono il carico. Il centro di spinta punto d’applicazione della risultante di tutte le forze che la spinta dell’acqua esercita sullo scafo. (Spinta di Archimede) Il peso agisce sul centro di gravità (G) e la spinta di Archimede passa per il centro di carena o di spinta (C).

Se un’onda sposta lo scafo di un certo angolo varia la forma della parte di scafo immersa, il Centro di Carena C si sposterà in C’ e ci sarà una nuova spinta verticale S applicata a C’; dall’azione della forza di peso P (sempre rivolta verso il basso) e di quella di spinta S (sempre rivolta verso l’alto) nasce la coppia raddrizzante (o momento di stabilità) che tende a far ruotare lo scafo e a riportarlo nella sua posizione dritta. Le due forze (P ed S) uguali e contrarie agiscono finchè C e G non sono tornati in una posizione di equilibrio,cioè sulla stessa verticale. Il metacentro è il punto d’intersezione tra il piano di simmetria e la nuova spinta S innalzata dal centro di carena spostato C’. L’ altezza metacentrica è la distanza tra il metacentro e il baricentro. Più grande è l’ altezza metacentrica, più grande sarà la coppia raddrizzante X e quindi l’imbarcazione sarà più stabile. La stabilità si ha quando il metacentro è al di sopra del baricentro. Se M cade sotto G la tendenza della coppia di forze si inverte e lo scafo inizia a capovolgersi.

La stabilità di peso: G si trova al di sotto di C, per il peso della chiglia zavorrata. La barca è più stabile perché il baricentro si abbassa molto. La distanza tra la retta d’azione della spinta d’ Archimede e la retta d’ azione del peso aumenta, generando così un momento raddrizzante maggiore che tende a rendere più stabile la chiglia. La stabilità di forma G si trova al di sopra di C. In una chiglia larga anche piccoli sbandamenti provocano un allargamento della distanza tra la retta d’azione della spinta di Archimede e quella del peso. Quindi si genera un maggiore equilibrio.

La spinta di Archimede Se un corpo solido viene immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’ alto applicata al centro di carena C pari al peso P (applicato al Centro di gravita G) del volume d’acqua spostato. Questa spinta si chiama spinta idrostatica. Infatti il corpo immerso nel liquido peserà di meno. Il primo che studiò questo fenomeno è Archimede,matematico siracusano vissuto dal 287 al 212 a.C. Archimede scoprì che un corpo immerso in un liquido riceve da esso una spinta verso l’alto,detta spinta di Archimede,uguale al peso del liquido che sposta. m = massa del liquido Peso del liquido spostato: mg = dgv g = costante di Archimede d = densità del liquido v = volume del liquido spostato S = spinta di Archimede Applicando il principio di Archimede: S = dvg

Perché un corpo galleggia Sul corpo agiscono quindi 2 forze: la forza peso, che spinge verso il basso, e la spinta di Archimede che spinge verso l’ alto. Se P>S il corpo si muove verso il basso. Il peso è maggiore della spinta di Archimede quando la densità del corpo è maggiore di quella del liquido. Se P<S il corpo viene spinto verso l’alto e galleggia. Quando il corpo è parzialmente fuori dal liquido, il volume della parte immersa diminuisce e quindi anche la spinta di Archimede diminuisce. Il corpo continua a galleggiare finché la spinta diventa uguale al peso e si ha l’ equilibrio. Se un corpo galleggia una parte sta immersa nell’ acqua e una sta fuori. In questo caso bisogna considerare la parte immersa. Ve/ Vi = Di-Dc/ Dc Ve = volume emerso Di = densità liquido Vi = volume immerso Dc = densità corpo

Sbandamento e stabilità La barca a vela naviga quasi sempre più o meno inclinata. La stabilità di una barca è la tendenza di opporsi allo sbandamento. Consideriamo ora le forze sbandanti, la forza aerodinamica, applicata ala centro velico e la forza idrodinamica, applicata invece al centro di deriva. A queste due forze si oppone un’ ulteriore coppia di forze: la spinta idrostatica o spinta di Archimede applicata al centro di carena e la forza del peso applicata al baricentro. Se la barca naviga con un angolo di sbandamento costante le due coppie di forze sono in equilibrio. Sotto la raffica la coppia sbandante aumenta e se non interveniamo noi la barca potrebbe scuffiare. Abbiamo vari modi per impedire alla barca di scuffiare possiamo spostarci sempre più sopravvento e fuoribordo per aumentare il braccio della coppia raddrizzante, altrimenti possiamo diminuire la superficie di vela esposta al vento o la superficie di deriva investita dal flusso dell’acqua. Lo sbandamento, lo scarroccio e la velocità sono strettamente collegate tra loro: più la barca è sbandata e scarroccia, più la barca naviga veloce e meno scarroccia.

Significati vari … Sbandamento: inclinazione della barca, che genera instabilità. Forza idrodinamica: forza data dal movimento dell’acqua Forza aerodinamica: forza data dal movimento dell’aria Centro velico: il punto in cui sono applicate tutte le risultanti delle forze che agiscono sulle vele Centro di deriva: il punto di applicazione delle forze esercitate dall’acqua sulla parte immersa dello scafo quando esso è in movimento Centro di carena: o centro di spinta, è il punto dove sono applicate tutte le forze che agiscono sullo scafo Baricentro: il punto in cui si può pensare applicata la forza peso Scuffiare: la barca a vela si inclina e tocca la superficie dell’acqua Sopravvento: parte della barca esposta alla direzione in cui soffia il vento Scarroccio: deviazione laterale della rotta della barca per effetto del vento

Forza data dal movimento dell’acqua Forza idrodinamica Forza data dal movimento dell’acqua

Forza data dal movimento dell’aria Forza aerodinamica Forza data dal movimento dell’aria

Parte della barca esposta alla direzione in cui soffia il vento Sopravvento Parte della barca esposta alla direzione in cui soffia il vento

Centro di carena Punto in cui sono applicate le risultanti delle forze che agiscono sullo scafo

Centro velico e di deriva Centro velico: punto in cui sono applicate le risultanti delle forze che agiscono sulle vele Centro di deriva: punto di applicazione delle forze eserciate sull’acqua sulla parte immersa dello scafo quando esso è in movimento

Inclinazione della barca che genera instabilità Sbandamento Inclinazione della barca che genera instabilità

Il punto in cui si pensa applicata la forza peso Baricentro Il punto in cui si pensa applicata la forza peso

La barca a vela si inclina e tocca la superficie dell’acqua Scuffiare La barca a vela si inclina e tocca la superficie dell’acqua

Deviazione laterale della barca per effetto del vento Scarroccio Deviazione laterale della barca per effetto del vento