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
g = costante di Archimede
d = densità del liquido
v = volume del liquido spostato
S = spinta di Archimede
Peso del liquido spostato: mg = dgv
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
Vi = volume immerso
Di = densità liquido
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 …
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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 idrodinamica
Forza data dal
movimento
dell’acqua
Forza aerodinamica
Forza data dal
movimento dell’aria
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
Sbandamento
Inclinazione della
barca che genera
instabilità
Baricentro
Il punto in cui
si pensa
applicata la
forza peso
Scuffiare
La barca a vela si
inclina e tocca la
superficie
dell’acqua
Scarroccio
Deviazione
laterale della
barca per
effetto del
vento