Pescara La fisica della vela Gennaio 2014 comprendere i meccanismi, migliorare le prestazioni e ...divertirsi!!! Laura Romanò Dipartimento di Fisica Università di Parma [email protected] Pescara Il gioco della simmetria Gennaio 2014 Dal punto di vista fisico, la barca a vela è un sistema a contatto con due fluidi : aria e acqua viscosità h air=1.5×10-5Nsec/m2 h water=1×10-3Nsec/m2 Simmetria : La fisica è la stessa Per governare la barca è necessario che l’aria e l’acqua abbiano una velocità differente e si muovano di moto relativo l’uno all’altro Pescara Gennaio 2014 2 fluidi le forze in barca a vela Quando un corpo si muove in un fluido subisce una forza la cui direzione in generale non è nella direzione del moto e dipende dalla forma del corpo e dall’angolo tra fluido e corpo FA Aerodinamica sulle vele FA 2 forze Idrodinamica sullo scafo FH Per navigare a velocità costante: FA=-FH FH Quale è l’origine delle due forze? Quale è la loro direzione? Forza = Resistenza + Portanza Pescara Gennaio 2014 Piccolo esperimento automobilistico: cartoncino fuori dal finestrino direzione aria direzione automobile RESISTENZA: Parallela alla direzione dell’aria FORZA PORTANZA AERODINAMICA RESISTENZA PORTANZA: Perpendicolare alla direzione dell’aria Forza = Resistenza + Portanza Pescara Gennaio 2014 Mondo dell’aria prua FA PA Vento apparente RA la barca scarroccia RH PH FH Mondo dell’acqua Asse di simmetria La deriva è parallela alla acqua; Non si genera nessuna forza Resistenza o Portanza ? Pescara Gennaio 2014 Navigando con il vento in poppa Forza aerodinamica =Resistenza Portanza =0 FA = RA Navigando controvento La portanza gioca un ruolo fondamentale nella navigazione controvento P A FA RA Resistenza Pescara Gennaio 2014 o il prezzo da pagare per potersi muovere Attrito tra le molecole dello scafo delle vele acqua aria Scia o forma che si genera a poppa della barca dietro alla vela (non si vede) Onda a prua e a poppa dovuto al moto dello scafo Indotta dalla portanza Scarroccio e sbandamento Resistenza di attrito Pescara Pescara Gennaio Gennaio 2014 2013 Interazione tra le molecole della superficie dello scafo e delle vele e un piccolissimo strato di fluido a contatto con la superficie A causa della viscosità: scia oggetto Laminare: • Strati di fluido paralleli •Zona piccola Turbolento: •Moto disordinato con vortici Resistenza di attrito Pescara Gennaio 2014 S= Dimensione dei granelli di sabbia lunghezza Esempio: Lunghezza al gall.= 8m V=7 nodi S Dimensione granelli =8mm S =10-4 Vernice: spruzzo rugosità: 5mm S= 5×10-6 V~5.5 nodi V=7 nodi pennello 20mm 2×10-5 Pescara Gennaio 2014 Resistenza diScia scia o di forma Oggetto in moto in un fluido non viscoso La pressione è uguale ovunque Oggetto in moto in un fluido Si forma una scia e la pressione ai due lati dell’oggetto è diversa Tra l’alta pressione e la bassa si stabilisce una forza: Resistenza Laminare o turbolento? Nel flusso laminare le particelle sono più lente, meno energetiche flusso si separa prima e la scia è più grande Laminare o turbolento? Pescara Gennaio 2014 Laminare Bassa r. di attrito Alta r. di scia Turbolento Alta r. di attrito Bassa r. di scia Risposta: dipende dalla forma ! Corpi tozzi Aumento r. di attrito < diminuzione r. di scia Turbolento (palline da golf, albero) Corpi affusolati Aumento r. di attrito > diminuzione r. di scia Laminare Pescara Resistenza d’onda Gennaio 2014 La barca muovendosi genera un moto ondoso a poppa e a prua Le onde trasportano energia che è tanto maggiore quando più l’onda è alta Dove prendono questa energia? Dal moto della barca La lunghezza dell’onda dipende dalla velocità della barca resistenza d’onda V2 2 g Quando diventa uguale alla lunghezza della barca, Vc (m/s ) 1,25 L(m) Vc (knots ) 2,4 L(m) questa cade nella depressione. In queste condizioni, è impossibile superare l’onda V ( Knots ) 1,34 L(f ) c Resistenza di sbandamento Pescara Gennaio 2014 Sbandamento : 2 effetti Aumenta la superficie bagnata Modifica la formazione ondosa resistenza di attrito resistenza d’onda Portanza Pescara Gennaio 2014 o come funzionano gli aeroplani e i calci di punizione Viscosità dei fluidi 3 ingredienti Teorema di Bernoulli : se in un tubo che contiene un fluido aumenta la pressione deve diminuire la velocità Differenza di pressione genera una forza: Alta pressione Bassa pressione Pescara Una spiegazione (poco corretta) Gennaio 2014 Portanza Alta velocità Forma dell’ala di un aereo: le molecole Bassa pressione d’aria sulla parte superiore si muovono più velocemente di quelle sulla parte Alta pressione inferiore Differenza di pressione produce Bassa velocità PORTANZA Modello non corretto 1. La portanza si sviluppa anche su oggetti piatti 2. Gli aerei possono volare anche rovesciati Ipotesi scorretta: non è detto che due molecole che si separano debbano riincontrarsi alla fine dell’ala cartoncino Pescara Gennaio 2014 Linee di flusso attorno ad una vela ben regolata Quasi tutte le linee si spostano sottovento All’ingresso il punto di ristagno è sopravvento e all’uscita segue la curvatura Il flusso rimane ben aderente e segue la curvatura Effetto Coanda Pescara Gennaio 2013 Le molecole di acqua a contatto con la superficie dell’uovo vengono bloccate a causa della viscosità . Le molecole del secondo strato di acqua, attratte dalle prime, ruotano e quelle successive ruotano un po’ meno così via tra uno strato e l’altro . L’acqua segue la curvatura della superficie Forza esercitata sull’uovo dall’acqua Forza esercitata sull’acqua dall’uovo Effetto Magnus Pescara Gennaio 2014 o i tiri in porta ad effetto Se ad una palla che si sposta orizzontalmente si imprime una rotazione questa deflette perchè subisce una forza: la portanza portanza LIFT traslazione rotazione rototraslazione 1922 – BUCKAUuna strana imbarcazione Pescara Gennaio 2014 Cosa centra la palla rotante con la vela, il cartoncino, la lastra piana …? Simmetria delle linee di flusso Zona critica Il flusso si separa e si forma una scia con emissione di un vortice in senso antiorario portanza Traslazione Rotazione Rototraslazione Resistenza indotta Pescara Gennaio 2014 La differenza di pressione tra i due lati della vela produce un passaggio d’aria sotto il boma o sopra l’angolo di penna (Effetto tridimensionale) Si generano vortici di estremità che costano energia spesa a danno della velocità della barca. Perché indotta, perché vortici? Quando il 1° vortice se ne va, compensano la circolazione d’aria Una vela alta e stretta ( con maggior allungamento) è più efficiente e risente meno dei vortici di estremità Dalla portanza Forza propulsiva e scarroccio Pescara Gennaio 2014 Forza propulsiva FA Forza di scarroccio FA poppavia della perp. vela Forza propulsiva FA Forza di scarroccio FA pruavia della Perp. vela Una corretta regolazione delle vele deve puntare ad una grande forza propulsiva ed una piccola forza di scarroccio La forza aerodinamica deve essere non solo intensa, ma anche ben orientata Pescara I diagrammi polari delle vele Gennaio 2014 portanza CPA 1 2 RA ariaVVA SV C RA 2 a60 1 2 PA ariaVVA SV C PA 2 Vento apparente controvento portanti x resistenza CRA Pescara Gennaio 2014 Orientazione forza aerodinamica: angolo di anticipo = angolo tra perp. al boma e forza aerodinamica Pescara Gennaio 2014 Punti particolari del diagramma polare Massima portanza Massimo rapporto portanza-resistenza (punto di massima efficienza) Si traccia la tangente da 0,0 alla curva; il punto di contatto corrisponde all’angolo di incidenza di massima efficienza (~26°) (punto massimo della polare) (~29°) Pescara Gennaio 2014 Punti particolari del diagramma polare Massima forza propulsiva e piccola componente di scarroccio Bolina: 35° tra rotta e vento app. Tracciare perp alla rotta, tangente alla curva Scarroccio Il punto di tangenza individua l’angolo di attacco che fornisce la spinta in avanti più grande e minor scarroccio:~27° Forza propulsiva VA rotta Interazione randa-vela di prua Pescara Gennaio 2014 Modello errato: Effetto Venturi! P grande P piccola V piccola V grande Dove c’è il restringimento l’aria aumenta la sua velocità e la pressione diminuisce… …la randa spinge di più Pescara Gennaio 2014 Invece: Interazione randa-vela di prua randa isolata Tra le due vele passa meno aria Il restringimento è un piccolo disturbo randa e fiocco Arrivati in baia…. …spero sia stato un buon vento
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