Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
Nelle prossime lastrine si fanno volutamente talmente tante approssimazioni
sulle forme di un timone e sulle forze che entrano in gioco, che non è
possibile considerarle “esatte” ed “adatte” ad uno studente universitario.
Sono state pensate per gli studenti del 3° nautico che hanno bisogno di
capire le differenze tra i vari tre tipi di timone, a prescindere dalle dimensioni
del mezzo “timone” e della nave o imbarcazione dove questo timone deve
essere montato.
La spiegazione che segue deve far capire in maniera sommaria quanto un
succede i fase di progettazione, sperimentazione, costruzione e montaggio
di un timone.
In sostanza sono propedeutiche per affrontare gli stessi argomenti in quarta
ed in quinta nautico capitani, nella materia di “teoria della nave” ove la
spiegazione prevede più chiarezza e precisione.
Il Prof.
Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
1) Timone appeso
Barra
Anima
(perno di
rotazione)
Pala
Impugnatura
della barra
• Se immergo l’oggetto rappresentato in figura (somiglia vagamente ad
un timone appeso) all’interno di una vasca, ove posso provocare un
flusso che simuli la velocità in nodi di una nave, questo oggetto si
posizionerebbe ovviamente nella stessa direzione del flusso.
• Se lo devo far ruotare intorno all’asse di rotazione, devo applicare
una forza sull’impugnatura della barra. Più veloce è il flusso
dell’acqua e maggiore è la forza che devo applicare sulla barra.
• Ovviamente non c’è bisogno di alcuna forza per mantenere il
suddetto timone nella posizione di riposo (barra al centro).
• Altrettanto ovviamente se, dopo aver provocato una rotazione
applicando una forza sulla barra, si lascia la barra, il timone torna
rapidamente nella posizione di riposo (barra al centro).
FLUSSO DELL’ACQUA
Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
1) Timone appeso
Barra
Anima
(perno di
rotazione)
Pala
Impugnatura
della barra
• Se metto e fisso il timone in posizione perpendicolare al flusso, su
tutta la superficie della pala del timone vengono provocate dal flusso
delle forze perpendicolari alla pala.
1,2 metri
• Anziché considerare tutte le forze separatamente si considera la
forza risultante, applicata al baricentro della pala (chiamata da ora in
poi Fp(90) (forza sulla pala a 90°)
• Immaginiamo che la forza risultante sulla pala sia pari a 15N e la pala
sia lunga 1,2 metri. Sul perno di rotazione (Anima del timone)
sarebbe provocato un momento rotatorio di 15N * 0,6m = 9Nm (0,6
perché la forza è applicata al baricentro che si trova a metà della pala
e quindi il braccio è 0,6m)
FLUSSO DELL’ACQUA
Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
1) Timone appeso
Barra
Anima
(perno di
rotazione)
35°
Pala
Impugnatura
della barra
• Se metto e fisso il timone a 35° (l’angolo massimo di barra per il timone appeso) la forza
risultante (che chiameremo Fp(35) Forza sulla pala a 35°), è minore a quella di 90° ma
da essa è dipendente in funzione del seno. In pratica Fp(35) = Fp(90) * sen 35°.
IMPUGNATURA
• In pratica la forza a 90° si divide in due forze, una perpendicolare al timone, che è quella
utile, ed una parallela, che non produce effetti rotatori ma sforza sull’anima del timone.
• Se una persona deve fare un’accostata decisa, spostando la barra di 35°, deve essere
in grado di resistere al momento rotatorio provocato dalla suddetta forza (MFp = Fp(35°)
* braccio = Fp(90°) * sen35° * braccio). Nell’esempio delle lastrine precedenti MFp = 15N
* sen35° * 0,6m = 8,60N * 0,6m = 5,16N*m
• La persona che deve fare l’accostata ha la mano sull’impugnatura alla fine della barra.
Dovendo bilanciare il momento rotatorio causato dal flusso dell’acqua, ha a disposizione
come “braccio” tutta la barra (solo un cretino metterebbe la mano più vicina all’anima
per fare l’accostata). Se la barra è lunga ad esempio 1,4 metri, per sapere quanta forza
si deve applicare sull’impugnatura, bisogna dividere il momento della forza sulla pala
(5,16N*m) per la lunghezza della barra (1,4m). Nell’esempio la forza da applicare
sull’impugnatura Fb (“forza sulla barra”) risulta essere uguale a 3,7N
FLUSSO DELL’ACQUA
Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
1) Timone appeso
Barra
Anima
(perno di
rotazione)
Impugnatura
della barra
Pala
• Se non riesco a produrre una forza di 3,7N sull’impugnatura della barra, come è
possibile ridurre lo sforzo senza “allungare” la barra? Se inserisco una “compensazione
parziale cosa succede?
• Il flusso dell’acqua provoca una forza anche sulla compensazione, questa forza (sempre
perpendicolare alla pala inclinata di 35°) è dalla stessa parte della barra e quindi riduce
la forza che bisogna applicare sull’impugnatura.
• Esempio di esercizio:
• Forza sulla parte della pala a poppa dell’anima, misurata a 90° = Fp(90) = 15N
• Forza sulla compensazione, misurata a 90° = Fc(90) = 7N (su una comp. Del 100%)
• Lunghezza della pala a poppa dell’anima = 1,2 metri
• Lunghezza della compensazione = 0,6 metri
• Percentuale in altezza della compensazione = 55%
• MFp = 15*sen35*0,6 – 7*sen35*0,3*0,55 = 5,16N*m – 0,66N*m = 4,5N*m
• Fb = 4,5N*m / 1,4m = 3,2N
FLUSSO DELL’ACQUA
Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)
1) Timone appeso
Barra
Anima
(perno di
rotazione)
Impugnatura
della barra
Pala
• Se bisogna ridurre ulteriormente la forza sull’impugnatura posso compensare
completamente il timone (percentuale di compensazione in altezza del 100%)
• Esempio di esercizio:
• Forza sulla parte della pala a poppa dell’anima, misurata a 90° = Fp(90) = 15N
• Forza sulla compensazione, misurata a 90° = Fc(90) = 7N (su una comp. Del 100%)
• Lunghezza della pala a poppa dell’anima = 1,2 metri
• Lunghezza della compensazione = 0,6 metri
• Percentuale in altezza della compensazione = 100%
• MFp = 15*sen35*0,6 – 7*sen35*0,3 = 5,16N*m – 1,2N*m = 3,96N*m
• Fb = 3,96N*m / 1,4m = 2,8N
FLUSSO DELL’ACQUA