04-06-2009 l.lanceri - fisica in barca 2009 - adriatica a...
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(fluido-)dinamica della barca
nell’acqua e nel vento
Livio Lanceri
Dip. di Fisica - Università di Trieste
INFN - Sezione di Trieste
Trieste, 04-06-2009
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La Barca a Vela
Randa
Fiocco
Opera Morta(sopra linea di
galleggiamento)
Chiglia
(deriva)
Albero
Boma
PruaPoppa
Mure a Dritta
Mure a Sinistra
Opera Viva(sotto linea di
galleggiamento)
Scafo
Centro Velico:punto geometrico
medio della velatura
Centro di Deriva:punto geometrico
medio dell’opera vivaTimone
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Parleremo di…
• Sistemi di riferimento, composizione delle velocità
• Come riescono a volare gli aerei? Ali e portanza
• Un’ala nell’acqua: la chiglia o la deriva
• Un’ala nell’aria: le vele
• Un po’ di terminologia della navigazione a vela
• Qualche esperimento da fare in barca
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Le velocità sono sempre “relative”
• La velocità di un oggetto (p.es. dell’aria, dell’acqua) è sempre
misurata rispetto ad un osservatore (è relativa ad un riferimento)
• Lo stesso oggetto (p.es. l’aria, l’acqua) ha velocità diverse
rispetto ad osservatori diversi
• Le velocità si sommano e sottraggono come “vettori”
• Esempio:
velocità del “vento reale”
= velocità relativa al suolo
o al fondo del mare
velocità del “vento relativo”
= - (velocità della barca rispetto al fondo)
velocità del “vento apparente”
= velocità totale relativa alla
barca
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Velocità e Direzione del Vento
vento
“reale”
vento “di
velocità”
vento
“apparente”
vv
vr
va
Bolina
vento
“reale”
vento “di
velocità”vv
vr
va
Lasco
vento
“apparente”
vento
“reale”
vento
reale
Quello che conta è il vento “apparente” !!!
Aerei, ali e “portanza”
Profilo alare simmetrico
“inclinato”
rispetto al flusso del fluido
Profilo alare asimmetrico
Portanza Portanza
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Aerei, ali e portanzaFluido reale (viscoso): portanza
Fluido ideale (non c’è portanza)
Profilo
simmetrico
Profilo
asimmetrico
Flusso
laminare
Flusso
turbolento
Stallo (perdita di portanza)
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Separazione e turbolenze, stallo
Stallo (perdita di portanza)
Separazione
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Tre modi di capire la portanza
• Bernoulli
– La pressione del fluido è minore dove la sua velocità è
maggiore!
– differenza di pressione (minore sulla superficie superiore!)
• Conservazione della quantità di moto totale
– La velocita` del fluido cambia direzione, quindi…
– (secondo e terzo principio della dinamica!!!)
• “Rotazione”
– Il fluido ha un moto netto di rotazione attorno all’ala
– Simile all’effetto Magnus su un pallone da calcio…
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Chiglia: transizione alle turbolenze
Transizione quando numero di Reynolds 106
R =Lv
μ
viscosità densità
velocità
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Chiglia - separazione, resistenza
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Onda propria e velocità limite
Con l’aumentare della velocità l’onda provocatadalla barca si allunga velocità limite per una
barca che “non plana” sull’onda
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Resistenza all’avanzamento
• Per una tipica barca “non planante” che procede a
velocità di poco inferiore alla propria velocità limite, la
resistenza all’avanzamento ha i seguenti ingredienti
– “attrito” (circa 34%) proporzionale alla superficie bagnata
– “onda” (circa 35%) aumenta rapidamente con la velocità
– “vortici indotti” (circa 10%)
– Tutto il resto… turbolenze etc (circa 20%)
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Le Manovre
BarraBarra del del timonetimone
al al centrocentro
TimoneTimone al al centrocentro
Barra Barra del del timonetimone
a a sinistrasinistra
Timone Timone a a destradestra
MOTO IN AVANTIMOTO IN AVANTI
Asse verticale di
rotazione
Timone
Flusso
d’acqua
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Orzare e Poggiare
…virare
…strambare
orzare
poggiare
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Navigazionedi poppa (o quasi…)
di bolina?
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Navigazionedi poppa (o quasi…)
di bolina?
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La vela di Bolina
SSvv
v <<v <<
p >>p >>
SSPP
SSLL
SSpp = = spintaspinta propulsivapropulsiva
SSll = = spintaspinta lateralelaterale ( (derivaderiva))
SSvv = = spintaspinta velicavelica
TeoremaTeorema di di BernouilliBernouilli
P + v2 + g h = costante
sopravventosopravventov >>v >>
p <<p <<sottoventosottovento
v <<v <<
p >>p >>
v >>v >>
p <<p <<
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E adesso… se la barca si inclina?
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Galleggiamento 1/2
GC
G = G = baricentrobaricentro
C = C = centrocentro di di spintaspinta
G
C
G C
M
M = M = metacentrometacentro
sìsì
nono
Forza di Gravita’ VS Spinta di Archimede
G C
ARCHIMEDE:
Un corpo immerso in un liquido
riceve una spinta verticale pari
al peso del liquido spostato
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Galleggiamento 2/2
Stabilita’ di
Forma
Stabilita’ di
Peso
Stabilita’ di
Forma
Stabilita’ di
Peso
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Flussi laminari
e turbolenti
Lasco, vele
ben regolate:
l’andatura
più veloce !
Lasco, vele
mal regolate
Vento in poppa:
meno veloce!
Bolina,
sola randa
Bolina,
randa
+ fiocco
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Rendimento della vela - 1
Angolo di incidenza
del vento sulla vela
ottimale: circa 15o
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Rendimento della vela - 2
Curvatura della vela
ottimale: circa 14%
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Un esercizio praticoNon si può partire dall’ancoraggio direttamente in bolina:
Prima bisogna poggiare, fino a quando il flusso sulla chiglia
diventa laminare (“ala portante”…!)
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La Fisica e la Barca:La Fisica e la Barca:
Come e PerchéCome e Perché
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•• Il Il GalleggiamentoGalleggiamento