Equilibrio e Equilibrio e Galleggiamento Galleggiamento

Isabella ScarselliIsabella ScarselliFrancesca XieFrancesca XieMartina PaciniMartina PaciniLinda GuazziniLinda GuazziniElisa AmerighiElisa Amerighi

Ci sono diversi strati d’acqua che influiscono Ci sono diversi strati d’acqua che influiscono sull’avanzamento dello scafo: il primo strato aderisce sull’avanzamento dello scafo: il primo strato aderisce alla parte inferiore della barca, il secondo strato più alla parte inferiore della barca, il secondo strato più esterno allo scafo comincia a scorrere sul primo. Il terzo esterno allo scafo comincia a scorrere sul primo. Il terzo strato scorre più velocemente sul secondo. Il quarto strato scorre più velocemente sul secondo. Il quarto scorre ancora meglio sul terzo fino a che l’ultimo strato scorre ancora meglio sul terzo fino a che l’ultimo strato riesce finalmente a staccarsi dall’acqua circostante. Il riesce finalmente a staccarsi dall’acqua circostante. Il flusso laminare è formato da questi strati che scivolano flusso laminare è formato da questi strati che scivolano l’uno sull’altro.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.

La resistenza dello scafoLa resistenza 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 scafoLa 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 laforma della parte di scafo immersa, il Centro di CarenaC 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 dueforze (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 La stabilità di formastabilità di forma G si G si trova al di sopra di C. In una trova al di sopra di C. In una chiglia larga anche piccoli chiglia larga anche piccoli sbandamenti provocano un sbandamenti provocano un allargamento della distanza allargamento della distanza tra la retta d’azione della tra la retta d’azione della spinta di Archimede e quella spinta di Archimede e quella del peso. Quindi si genera un del peso. Quindi si genera un maggiore equilibrio.maggiore equilibrio.

La stabilità di pesoLa stabilità di peso: G si trova al di sotto : G si trova al di sotto di C, per il peso della chiglia zavorrata. di C, per il peso della chiglia zavorrata. La barca è più stabile perché il baricentro La barca è più stabile perché il baricentro si abbassa molto. La distanza tra la retta si abbassa molto. La distanza tra la retta d’azione della spinta d’ Archimede e la d’azione della spinta d’ Archimede e la retta d’ azione del peso aumenta, retta d’ azione del peso aumenta, generando così un momento raddrizzante generando così un momento raddrizzante maggiore che tende a rendere più stabile maggiore che tende a rendere più stabile la chiglia.la chiglia.

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 Peso del liquido spostato: mg = dgv g = costante di Archimede d = densità del liquidov = volume del liquido spostatoS = spinta di Archimede Applicando il principio di Archimede: S = dvg

Perché un corpo galleggiaSul 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 Di = densità liquidoVi = volume immerso Dc = densità corpo

Sbandamento e stabilitàSbandamento e stabilitàLa barca a vela naviga quasi sempre più o meno inclinata. La La barca a vela naviga quasi sempre più o meno inclinata. La stabilità di una barca è la tendenza di opporsi allo stabilità di una barca è la tendenza di opporsi allo sbandamento. Consideriamo ora le forze sbandanti, Consideriamo ora le forze sbandanti, la la forza aerodinamica, applicata ala , applicata ala centro velico e la e la forza idrodinamica, applicata invece al , applicata invece al centro di derivacentro di deriva. A queste . A queste due forze si oppone un’ ulteriore coppia di forze: la spinta due forze si oppone un’ ulteriore coppia di forze: la spinta idrostatica o spinta di Archimede applicata al idrostatica o spinta di Archimede applicata al centro dicentro di carenacarena e la forza del peso applicata al e la forza del peso applicata al baricentrobaricentro. Se la . Se la barca naviga con un angolo di sbandamento costante le due barca naviga con un angolo di sbandamento costante le due coppie di forze sono in equilibrio. Sotto la raffica la coppia coppie di forze sono in equilibrio. Sotto la raffica la coppia sbandante aumenta e se non interveniamo noi la barca sbandante aumenta e se non interveniamo noi la barca potrebbe potrebbe scuffiarescuffiare.. Abbiamo vari modi per impedire alla Abbiamo vari modi per impedire alla barca di scuffiare possiamo spostarci sempre più barca di scuffiare possiamo spostarci sempre più sopravvento sopravvento e e fuoribordo per aumentare il braccio della fuoribordo per aumentare il braccio della coppia raddrizzante, altrimenti possiamo diminuire la coppia raddrizzante, altrimenti possiamo diminuire la superficie di vela esposta al vento o la superficie di deriva superficie di vela esposta al vento o la superficie di deriva investita dal flusso dell’acqua. Lo sbandamento, lo investita dal flusso dell’acqua. Lo sbandamento, lo scarroccioscarroccio e la velocità sono strettamente collegate tra loro: più la barca e la velocità sono strettamente collegate tra loro: più la barca è sbandata e scarroccia, più la barca naviga veloce e meno è sbandata e scarroccia, più la barca naviga veloce e meno scarroccia. scarroccia.

Significati vari …Significati vari …• SbandamentoSbandamento: inclinazione della barca, che genera : inclinazione della barca, che genera

instabilità.instabilità.• Forza idrodinamicaForza idrodinamica: forza data dal movimento dell’acqua: forza data dal movimento dell’acqua• Forza aerodinamicaForza aerodinamica: forza data dal movimento dell’aria: forza data dal movimento dell’aria• Centro velicoCentro velico: il punto in cui sono applicate tutte le : il punto in cui sono applicate tutte le

risultanti delle forze che agiscono sulle velerisultanti delle forze che agiscono sulle vele• Centro di derivaCentro di deriva: il punto di applicazione delle forze : il punto di applicazione delle forze

esercitate dall’acqua sulla parte immersa dello scafo esercitate dall’acqua sulla parte immersa dello scafo quando esso è in movimentoquando esso è in movimento

• Centro di carenaCentro di carena: o centro di spinta, è il punto dove sono : o centro di spinta, è il punto dove sono applicate tutte le forze che agiscono sullo scafoapplicate tutte le forze che agiscono sullo scafo

• BaricentroBaricentro: il punto in cui si può pensare applicata la forza : il punto in cui si può pensare applicata la forza pesopeso

• ScuffiareScuffiare: la barca a vela si inclina e tocca la superficie : la barca a vela si inclina e tocca la superficie dell’acquadell’acqua

• SopravventoSopravvento: parte della barca esposta alla direzione in cui : parte della barca esposta alla direzione in cui soffia il ventosoffia il vento

• ScarroccioScarroccio: deviazione laterale della rotta della barca per : deviazione laterale della rotta della barca per effetto del ventoeffetto del vento

Forza idrodinamicaForza idrodinamica

Forza data dal Forza data dal movimento movimento dell’acquadell’acqua

Forza aerodinamicaForza aerodinamica

Forza data dal Forza data dal movimento movimento

dell’ariadell’aria

SopravventoSopravvento

Parte della Parte della barca esposta barca esposta alla direzione alla direzione in cui soffia il in cui soffia il

ventovento

Centro di carenaCentro di carena

Punto in cui sono Punto in cui sono applicate le applicate le

risultanti delle risultanti delle forze cheforze che agiscono agiscono

sullo scafosullo scafo

Centro velico e di derivaCentro velico e di deriva

Centro velico: Centro velico: punto in cui sono punto in cui sono

applicate le applicate le risultanti delle risultanti delle

forze che forze che agiscono sulle agiscono sulle

veleveleCentro di deriva: Centro di deriva:

punto di punto di applicazione delle applicazione delle

forze eserciate forze eserciate sull’acqua sulla sull’acqua sulla parte immersa parte immersa

dello scafo dello scafo quando esso è in quando esso è in

movimentomovimento

SbandamentoSbandamento

Inclinazione della Inclinazione della barca che genera barca che genera

instabilitàinstabilità

BaricentroBaricentro

Il punto in cui Il punto in cui si pensa si pensa

applicata la applicata la forza pesoforza peso

ScuffiareScuffiare

La barca a vela La barca a vela si inclina e si inclina e

tocca la tocca la superficie superficie dell’acquadell’acqua

ScarroccioScarroccio

Deviazione Deviazione laterale della laterale della

barca per barca per effetto del effetto del

ventovento