COSA SONO RESISTENZA E PORTANZA?

Proseguendo il discorso della scorsa puntata, esaminiamo ora che cosa è la resistenza nei due casi limite di resistenza senza portanza, ovvero quando una lama (vela, deriva, ala), si oppone parallela o perpendicolare al flusso di un fluido (aria, acqua).

La resistenza che si esercita sulla lama parallela al flusso di un fluido, dipende essenzialmente dall’attrito sulla superficie (resistenza d’attrito). Per ridurre questo tipo di resistenza, esercitata su uno scafo che scivola sull’acqua, si deve diminuire la superficie di carena bagnata (corretta distribuzione dei pesi nelle varie andature – vedi la seconda puntata) e aver cura di tenere l’opera viva pulita e levigata. La resistenza di pressione è invece quella che si esercita sulla lama che si oppone perpendicolarmente al flusso di un fluido, e dipende essenzialmente dal suo urto frontale sulla superficie. Quando lo scafo avanza si apre un varco nel mare come un aratro nel campo, il flusso d’acqua esercita su di esso una notevole resistenza di pressione che ci interessa diminuire tenendo la barca piatta, alzando la deriva, cercando la massima velocità e la planata. In questo caso, quando cioè la barca si solleva dall’acqua (ne riparleremo), la resistenza di pressione diminuisce drasticamente lasciando sul campo solo una modesta componente di resistenza d’attrito (dovuta ad una limitata superficie di carena bagnata verso poppa). Questa resistenza di pressione, invece, sarà proficuo aumentarla sulle vele, quando siamo nelle andature portanti (possiamo farlo alzando lo spinnaker e/o lascando il più possibile per incrementare la superficie esposta al vento).

è meno intuitivo, invece, il discorso sulla portanza. Senza addentrarci in dimostrazioni matematiche e fisiche, cerchiamo di capire come nasce la portanza, partendo da immagini visualizzate nella galleria del vento. Il moto laminare delle linee di flusso del vento deviato da una vela. La linea di ristagno separa il flusso che passa sopravvento alla vela da quello che invece le passa sottovento.

Consideriamo la sezione del tubo di vento che va dalla prima linea di flusso che passa indisturbata sopravvento alla vela, alla prima che invece passa indisturbata sottovento. Si nota subito, dall’andamento di queste linee (visualizzabili nella galleria del vento con l’ausilio di particelle sospese nel fluido in movimento), che transita più aria nella sezione B, rispetto a quella che passa nella sezione D. Si può anche vedere che tutte le linee di flusso che passano per la sezione maggiore A, transitano anche per la minore B. Il vento passando da A a B, entra in una strettoia e accelera. Come pure tutte le linee di flusso che passano per la sezione C, transitano anche per la maggiore D. Il vento, passando da C a D, frena. La minor spaziatura tra le linee indica maggior velocità e viceversa. Per un principio di fisica (Legge di Bernoulli), l’incremento della velocità del vento in B è associato ad una diminuzione di pressione. Tale diminuzione sul lato sottovento (sezione B), accompagnata da un incremento di pressione sul lato sopravvento (sezione D), dovuto al decremento di velocità che ha il vento passando da C a D, dà luogo a una differenza di pressione fra i due lati della vela. Sopravvento, quindi, la pressione è maggiore e l’aria « spinge» sulla vela, mentre sottovento la pressione è minore e l’aria «tira» la vela. Nella figura n. rappresentiamo anche il diagramma (colore verde) della distribuzione delle differenze di pressione nei vari punti della vela, ricavato dalle diverse velocità che, ricordiamolo, sono direttamente visualizzate nel disegno, dagli addensamenti delle linee di flusso (più sono addensate, maggiore è la velocità). La risultante di tutti i contributi delle differenze di pressione, spinte sopravvento e «risucchi» sottovento, è una forza aerodinamica (blu), circa perpendicolare alla corda della vela. Se scomponiamo questa forza, possiamo ricavare la resistenza e la portanza, che è, in questo caso, notevolmente maggiore della resistenza. Si può osservare che i contributi maggiori sono prodotti nel primo terzo della vela. In altre parole una vela lavora più efficacemente vicino alla caduta prodiera che verso la balumina. Inoltre, si può vedere che la diminuzione di pressione sottovento è notevolmente maggiore dell’aumento di pressione sopravvento. Quindi la vela nelle andature strette (moto laminare, dove predomina la portanza), lavora di più sul lato sottovento che su quello sopravvento. Il contrario avviene invece nelle andature portanti (moto turbolento) dove, come abbiamo visto, predomina la resistenza.

Prendiamo due fogli di carta leggera e, frapponendo tra loro i due indici delle mani per distanziarli, soffiamo fra di essi. Questi si avvicineranno fino a toccarsi, invece di allontanarsi come ci si potrebbe aspettare. Oppure, soffiamo parallelamente ad un lato del foglio. Questo, contrariamente alle aspettative, si solleverà come fosse risucchiato. Per quanto riguarda l’idrodinamica, invece, possiamo sperimentare l’effetto della portanza ormeggiando la nostra deriva lungo una banchina dove sia presente una corrente parallela ad essa. La corrente, passando tra la banchina e la fiancata della barca, anzichè distanziarla la farà avvicinare. Oppure, avviciniamo la parte convessa di un cucchiaio al flusso d’acqua di un rubinetto. Il cucchiaio sarà risucchiato all’interno del flusso.

CIRCOLAZIONE INTORNO ALLA VELA

Un altro concetto fluido-dinamico piuttosto importante, che si può comprendere dall’evoluzione (visibile nella galleria del vento) dell’andamento del flusso di un fluido deviato in moto laminare, è quello della circolazione dell’aria intorno alla vela (ala, lama o deriva). Quello che si vuole esporre di seguito, oltre ad essere un altro valido approccio alla portanza, ci sarà utile più tardi, quando parleremo di interazioni tra randa e fiocco. Prima che si verifichi l’andamento del flusso dell’aria, dove è già presente la portanza, le linee di flusso che vediamo nella galleria del vento investire inizialmente la vela, hanno un andamento diverso.

è stato sperimentato che subito dopo, l’andamento del flusso subisce un primo cambiamento. Dalla balumina della vela, infatti, si formano, e successivamente si distaccano, uno o più vortici (detti vortici iniziali). Questi vortici nascono perchè le linee di flusso sopravvento alla vela devono compiere, inizialmente, un tragitto irregolare intorno alla balumina. Secondo il principio, enunciato per la prima volta dallo scienziato tedesco Hermann von Helmholtz, ad ogni vortice ne deve corrispondere un altro uguale ma opposto. Ecco quindi come si spiega la circolazione d’aria intorno alla vela, formata in seguito alla nascita dei vortici iniziali, ed uguale e opposta a questi. Questa circolazione non è visibile nella galleria del vento, ma la si può dedurre dal cambiamento sostanziale che ha il flusso deviato dalla vela, passando dal momento iniziale al momento finale, a seguito della formazione ed al successivo distacco dei vortici iniziali.

EFFETTI COMBINATI DI RANDA E FIOCCO

Molte affermazioni false sono state scritte e dette su questo argomento. Una delle teorie erronee più accreditate sul funzionamento dell’accoppiata randa-fiocco, ancora ben radicata nel bagaglio culturale di molti velisti, è quella che chiama in causa l’effetto Venturi, secondo il quale l’aria incanalata in un passaggio in cui la sezione d’uscita è minore di quella d’entrata, accelera. Gli aerodinamici hanno dimostrato, ormai da molto tempo, che questo principio sacrosanto non è applicabile nella fessura tra le due vele dove, come vedremo, passano poche linee di flusso che anzichè aumentare la portanza sulla randa, come si vorrebbe credere (per la diminuzione di pressione dovuta ad una presunta maggior velocità), la fanno diminuire. Vediamo di analizzare cosa succede al moto laminare di un flusso d’aria deviato questa volta da due vele.

Si nota subito che molte linee di flusso, che con la sola randa passano fra albero e strallo, con le due vele alzate sono deviate sottovento al fiocco, migliorandone l’efficienza. Questo effetto deviante che la randa ha sul fiocco provoca anche un cambiamento favorevole della direzione del vento che investe la vela di prora. Si dice cioè che il vento sul fiocco ridonda, da buono, viene più da poppa rispetto al vento normale, e la barca quindi riesce a fare una bolina più stretta. L’angolo di incidenza delle linee di flusso che investono il fiocco è maggiore di quello formato dalle linee di flusso che investono la randa. Ed è per questo motivo che la randa a segno è sempre più cazzata del fiocco. Infatti, se proviamo a navigare di bolina, prima con la sola randa e poi con tutte e due le vele, ci accorgiamo che alzando anche il fiocco, riusciamo a risalire meglio il vento. Non perchè il fiocco, preso singolarmente, sia la vela più efficiente, come molti credono (una barca con il solo fiocco stringe il vento meno di una con la sola randa). È la presenza della randa, opportunamente regolata, che determina la maggiore efficienza della vela di prora. L’efficienza del fiocco, viene invece incrementata con la presenza della randa. Quindi la randa fa lavorare meglio il fiocco. Inoltre l’effetto positivo della randa sul fiocco, è maggiore di quello negativo che questo ha sulla randa. Il limitato decremento di efficienza che la randa ha, accoppiata con il fiocco, è dovuto al fatto che fra le due vele passa poca aria e quindi il «risucchio» sottovento alla randa è minore. Da un altro punto di vista, però , questo effetto indesiderato, rende più ordinate le linee di flusso che passano sottovento alla randa, diminuendo le possibilità di stallo (rottura del regime laminare del flusso, formazione di vortici, e conseguente riduzione d’efficienza). Ovvero, il poco vento che passa tra le due vele frena vicino all’albero (le linee di flusso sono più distanziate), e questa riduzione di velocità abbassa le probabilità della formazione di turbolenze da parte delle linee di flusso che passano così più dolcemente tra randa e fiocco. Ma perchè la randa devia tutta quell’aria sottovento al fiocco, facendone così passare poca nella fessura fra le due vele? Abbiamo già accennato alla circolazione d’aria intorno alla vela che si somma al flusso iniziale del vento. Il fatto che sia teoricamente ragionevole che la velocità del flusso nella fessura tra randa e fiocco sia minore è confermato dall’immagine della galleria del vento ( nella fessura, e sopravvento alla randa, le linee di flusso sono poche e molto distanziate). Nella fessura le circolazioni sono antagoniste e di conseguenza è corretto aspettarsi una riduzione di velocità. Sottovento al fiocco, invece, la circolazione è concorde con la direzione del flusso, ed è quindi facile aspettarsi una maggior velocità (la circolazione si somma al flusso). Anche sopravvento alla randa è spiegabile la riduzione di velocità, perchè la circolazione è discorde con la direzione del flusso. Una prova pratica che si può fare, per verificare quanto abbiamo detto finora, è quella di misurare con un anemometro le diverse velocità del vento, prima sotto al fiocco (velocità maggiore), poi nella fessura tra le due vele (velocità minore), e infine sopravvento alla randa (dove la velocità diminuisce ulteriormente). Un altro fenomeno che riguarda l’interazione fra le due vele è conosciuto da molti velisti come sventamento della randa ad opera del fiocco. Questo è un modo di dire poco appropriato, perchè dà l’idea di un flusso d’aria che urta contro il fiocco e rimbalza sul lato sottovento della randa. La tendenza che ha la randa (quando è accoppiata al fiocco) di riempirsi al contrario nella zona vicino all’albero, è dovuta semplicemente alla minore velocità che ha l’aria, passandole sottovento. Il calo di velocità, come abbiamo già visto, si traduce in una maggiore pressione che può portare la randa a gonfiarsi al contrario in prossimità della caduta prodiera. Questo effetto indesiderato, che il fiocco esercita sulla randa, è spesso imputabile al fatto che, di bolina stretta, si tende a cazzare troppo la vela di prora. Molte volte tuttavia, grazie alla maggiore efficienza della vela di prora (quando è accoppiata alla randa), le barche risalgono meglio il vento con il fiocco molto cazzato e la randa leggermente sventata.