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Corso di Navigazione Senza limiti dalla costa cura del C.F. Marco Camilletti

NOMENCLATURA ED

ATTREZZATURA NAVALE

Dislocamento e Stazza Stabilità di Forma Stabilità di Peso

Timone Eliche

Lega Navale Italiana – Sezione di Bolzano Corso per il conseguimento della Patente nautica senza limiti



CARATTERISTICHE DELLO SCAFO

• DISLOCAMENTO

Equilibrio di un corpo immerso La legge fisica in base alla quale la nave galleggia è nota come principio d’Archimede. “Un corpo, immerso in un liquido, riceve una spinta diretta dal basso verso l'alto di intensità uguale al peso del volume del liquido spostato". La spinta, quindi, risulta proporzionale alla densità del liquido in cui il corpo è immerso (vale a dire che a parità di volume spostato l'acqua di mare dà una spinta superiore all'acqua dolce) ed al volume della parte del corpo immersa nel liquido.




Un corpo immerso in un liquido si trova soggetto a due forze distinte e dirette in senso opposto.

o Il peso proprio del corpo, diretto verso il centro della terra e cioè verso il basso;

o Il peso della massa di liquido spostato dalla presenza della parte immersa del corpo.

A questa forza, diretta verso l'alto secondo il principio di Archimede, è dato il nome di SPINTA. Affinché il corpo rimanga a galla e mantenga l'assetto voluto (stia in equilibrio) è necessario:

o che le due forze abbiano la stessa intensità (peso e spinta abbiano lo stesso valore);

o che le rette d'azione delle due forze coincidano (peso e spinta agiscano sulla medesima retta, ciascuna in senso opposto all'altro);

o che la spinta necessaria a pareggiare il peso sia ottenuta immergendo solo una parte del corpo. A questo riguardo, notiamo che, nel caso in cui, per ottenere una spinta sufficiente ad uguagliare il peso occorra immergere tutto il corpo, ci si troverebbe nel caso particolare del sommergibile in affioramento. Se poi con tutto il corpo immerso la spinta risultasse insufficiente, allora il corpo, sarebbe destinato inesorabilmente ad affondare.




Passando dal riferimento ad un corpo generico al caso specifico della nave a galla:

o La forza peso, alla quale viene dato il nome di DISLOCAMENTO (indicato con la lettera ∆), è applicata al centro di gravità o baricentro della nave, indicato con la lettera G;

o La forza spinta, indicata con la lettera S, è applicata ad un punto (centro di spinta, che nel caso della immagine è nel punto B1) della massa d'acqua spostata dalla parte di scafo immersa, alla quale viene dato il nome di CARENA. Tale punto è di difficile determinazione, ma si può dimostrare che esso è sulla verticale al piano di galleggiamento passante per il centro del volume della carena (il quale viene chiamato "CENTRO DI CARENA" ed è indicato con la lettera B), ad una quota (cioè ad una profondità) maggiore di quest'ultimo. Allo scopo di semplificare, si conviene di considerare come punto di applicazione della spinta il




centro di carena B. (Nave Dritta) Alla luce di quanto detto sopra, affinché la nave stia a galla, in equilibrio dritta, occorre:

o che i punti G e B appartengano entrambi alla verticale passante per G e normale al piano di galleggiamento della nave;

o che spinta S e dislocamento D si equivalgano; o che lo scafo non sia totalmente immerso.

La parte di scafo immersa (carena) viene chiamata anche "opera viva", appunto per sottolineare la sua fondamentale importanza ai fini del comportamento in mare della nave. La parte di scafo fuori dall'acqua viene, per contrapposizione, chiamata "opera morta". Le tre condizioni suindicate non sono ancora del tutto sufficienti poichè, un generico equilibrio può essere stabile, instabile o indifferente. Un equilibrio instabile non sarebbe, nel caso della nave a galla, accettabile, in quanto alla minima causa sbandante essa tenderebbe a rovesciarsi. Un equilibrio indifferente, accettato giocoforza in casi speciali, come quello del sommergibile nelle cruciali fasi dell'immersione e dell'emersione, non sarebbe accettabile per la nave a galla in quanto essa non avrebbe un assetto definito, rendendo la vita a bordo insostenibile. L'equilibrio deve quindi essere necessariamente STABILE, vale a dire che ad ogni causa sbandante la nave deve reagire tendendo a tornare nella posizione iniziale, cioè diritta. Questa condizione si verifica quando le posizioni relative del baricentro nave G e del centro di carena B sono tali per cui una qualunque causa sbandante genera una coppia antagonista, analiticamente rappresentata da un momento, definito con le regole della meccanica applicata (prodotto di una forza per un braccio). In architettura navale tale coppia viene chiamata, appunto, COPPIA o MOMENTO DI STABILITA'. La Stazza e il Dislocamento La stazza (detta anche tonnellaggio di registro) di una nave mercantile è rappresentata dal volume complessivo dei locali interni, e si misura in tonnellate di stazza, equivalenti ciascuna a 100 piedi cubi. La stazza lorda comprende tutti gli spazi chiusi e parte delle sovrastrutture. La stazza netta si ricava da quella lorda togliendo il volume dei locali motori e tutti gli altri in cui non possono essere stivate merci.




Il dislocamento invece, visto quanto esplicitato precedentemente può essere assimilato al peso totale della nave che è, come abbiamo visto, pari al peso della massa d'acqua spostata, e si misura in tonnellate metriche = 1000 kg. Tonn. inglese = 100 piedi cubici inglesi = 12 tonn. di registro Tonn. di registro = 0.353 m3

Stabilità trasversale e longitudinale Si definisce STABILITA' di una nave la sua attitudine ad opporsi alle cause sbandanti. Quando si trova a navigare la nave riceverà sovente le onde da una direzione che non coincide con la sua rotta. Per studiare il comportamento della nave, per valutarne cioè la attitudine ad opporsi alle cause sbandanti, si usa prendere in considerazione i due casi estremi:

• onde che provengano esattamente dalla prora; • onde che provengono esattamente al traverso, cioè da una

direzione a novanta gradi dalla rotta.

Nel primo caso si parla di STABILITA' LONGITUDINALE. Nel secondo caso si parla di STABILITA' TRASVERSALE.




STABILITA' TRASVERSALE Quando, in seguito al sopraggiungere di un'onda al traverso, la nave si inclina di un certo angolo “z”. Il centro di gravità (il baricentro G) non si sposta, in quanto esso è fissato una volta costruita e allestita e caricata la nave. Il centro di carena, invece, si sposta, in quanto cambia la forma della parte immersa dello scafo: da un lato esso si sovraimmerge, formando quello che viene chiamato "menisco di immersione"; dall'altro esso emerge parzialmente, formando quello che viene chiamato "menisco di emersione".




Quando la nave sbanda, ad esempio sulla dritta, il centro di carena B si sposta dallo stesso lato, percorrendo, a mano a mano che l'inclinazione aumenta, una curva B1 - B2 - B3, che, per inclinazioni di ampiezza limitata, può essere ragionevolmente considerata come un arco di circonferenza. Il raggio di curvatura del cerchio viene chiamato RAGGIO METACENTRICO TRASVERSALE DI CARENA ed è indicato con la lettera r.

r= RAGGIO METACENTRICO TRASVERSALE Il centro di curvatura, per inclinazioni di ampiezza limitata, può essere considerato come appartenente alla verticale passante per G e per B, viene chiamato METACENTRO ed è indicato con la lettera M. Si può dimostrare che il valore di r è dato dalla relazione: nella quale V rappresenta il volume di carena, I momento di inerzia della figura di galleggiamento rispetto all'asse di simmetria longitudinale della figura stessa.




Indicando con a la distanza esistente fra G e B (altezza del baricentro sul centro di carena), l'inclinazione trasversale della nave di un angolo z provoca la creazione di una coppia di forze antagonista M, la cui intensità è data dalla espressione:

M = D (r - a) sen z alla quale viene dato il nome di COPPIA o MOMENTO DI STABILITA' TRASVERSALE. D (dislocamento)= rappresenta la forza; (r - a) sen z = rappresenta il braccio; del momento di stabilità.




La rappresentazione grafica del momento di stabilità è rappresentata con il cosidetto diagramma di stabilità di una unità navale. Lo studio di questo diagramma è di cruciale importanza ai fini della determinazione degli attributi di stabilità e quindi di SICUREZZA della nave e della sua capacità di affrontare la navigazione. L'area racchiusa fra la curva e l'asse delle ascisse individua la RISERVA DI STABILITA' della nave e rappresenta in sostanza la resistenza totale che la nave può opporre alle cause sbandanti, ovvero il lavoro che le forze sbandanti devono compiere per ottenere il capovolgimento della nave. L'angolo Zc rappresenta l'angolo di capovolgimento della nave; nel senso che quando l'inclinazione lo supera, la coppia generata dalla sbandata, anziché opporsi alla causa sbandante, agevola il capovolgimento.




STABILITA' LONGITUDINALE. Per le inclinazioni dovute a moto ondoso proveniente da prora (o da poppa) si applicano le stesse formule, con un momento raddrizzante dato dalla relazione: M = D (R - a) sen ß In cui con R si indica il RAGGIO METACENTRICO LONGITUDINALE DI CARENA e con ß l'angolo di inclinazione secondo il piano di simmetria longitudinale della nave. Si dimostra che R ha un valore molto maggiore di r (fino a due ordini di grandezza) sicché una volta calcolata e trovata soddisfacente la stabilità trasversale, la stabilità longitudinale viene data per acquisita.




STABILITA’ DI FORMA

Per comprendere le relazioni che determinano la stabilità di forma, è necessario esminare l’espressione analitica del momento (o coppia) di stabilità: M = D (r - a) sen α Prendiamo in considerazione il fattore racchiuso nella parentesi: r - a.

rappresenta la distanza fra il metacentro M ed il baricentro della nave G, misurata sulla verticale al piano di galleggiamento passante per G (e, se la nave è dritta, passante anche per B) e viene chiamata

"ALTEZZA METACENTRICA TRASVERSALE DI CARENA".

L'altezza metacentrica trasversale, è un parametro di basilare importanza per la stabilità. Il momento di inerzia I è legato alla distribuzione della superficie di galleggiamento rispetto all'asse di riferimento, il quale nella stragrande maggioranza dei casi corrisponde alla intersezione fra il piano di simmetria longitudinale della nave ed il piano di galleggiamento. Solo le gondole veneziane ed altre imbarcazioni particolari contravvengono a questa regola. Una superficie larga, distribuita cioè mediamente ad una distanza elevata dall'asse di simmetria, porta ad un valore del momento di inerzia relativamente elevato. Viceversa, una forma assottigliata, con la superficie distribuita mediamente




non lontana dall'asse di simmetria longitudinale, porta ad un valore del momento di inerzia relativamente piccolo. Poiché il valore di r è direttamente proporzionale al valore di I, una forma della superficie di galleggiamento LARGA porta ad un valore di r ELEVATO e quindi ad una coppia di stabilità MIGLIORE perché più grande. A questo aspetto della stabilità, legato alle forme della nave, si dà il nome di STABILITA' DI FORMA.




STABILITA’ DI PESO

Esaminiamo ora l'altro termine racchiuso fra parentesi nella espressione del momento o coppia di stabilità: il termine "a", altezza del baricentro della nave sopra il centro di carena

M = D (r - a) sen α è a detrazione del raggio metacentrico di carena. Vale a dire che esso tende a ridurre la stabilità della nave. Ecco il motivo per il quale la statica studia la distribuzione dei pesi a bordo della nave: un baricentro BASSO, riducendo il termine a, aumenta il valore del momento o coppia di stabilità. Questa considerazione spiega la costante ricerca, da parte dei progettisti navali, ma anche di chi deve quotidianamente affrontare il mare, di privilegiare la collocazione dei pesi in basso. Una nave nella quale i pesi, sono concentrati nella parte bassa dello scafo, in modo che l'altezza del baricentro sul centro di carena sia la più bassa possibile, risulterà più stabile, rispetto ad una nave che abbia un valore di tale parametro maggiore. L'abbassamento del centro di applicazione della forza peso, cioè del baricentro, viene spesso ottenuta in modo artificioso "zavorrando" la nave. L'operazione di zavorramento può essere permanente oppure occasionale. La pratica dello zavorramento permanente risale ai tempi della vela. All'epoca, per migliorare la capacità della nave di opporsi all'effetto




sbandante provocato dall'impatto del vento sulle vele, si usava collocare una certa quantità di pani di ghisa nella zona più bassa della nave: la sentina. In questo modo la coppia raddrizzante veniva molto aumentata per effetto dell'abbassamento del centro di gravità (baricentro) e della conseguente riduzione dell'altezza del baricentro stesso sul centro di carena (il termine "a" dell'espressione della coppia raddrizzante). A questo aspetto della stabilità, legato alla posizione del baricentro e cioè alla distribuzione dei pesi a bordo, viene dato, appunto, il nome di STABILITA' DI PESO




TIMONE

E’ l’organo che permette il governo della nave. E’ costituito da:

• Pala: Parte immersa sulla quale agisce la pressione dell’acqua

• Asse: Struttura portante intorno alla quale ruota la pala

• Testa: parte superiore dell’asse sulla quale si inserisce la barra.

Il timone può essere manovrato direttamente grazie ad una asta detta “barra”. Generalmente, il sistema della barra diretta, si adotta sulle unità minori mentre sulle unità maggiori il timone è azionato da una ruota che per mezzo di appositi rinvii permette il movimento della pala del timone.

La forma della parte immersa di un timone è del tutto simile a quella di un profilo alare di tipo biconvesso simmetrico. Naturalmente, dalla efficienza del timone dipendono le capacità evolutive della nave. Il timone può funzonare soltanto se c’è un cospicuo movimento di filetti fluidi intorno ad esso. In altre parole il timone è tanto più efficiente quanto maggiore è la velocità dell’imbarcazione mentre perde efficienza al rallentare del moto sino a diventare del tutto nulla con nave ferma. Per aumentare l’efficienza del timone si suole porlo immediatamente dietro all’elica dell’imbarcazione. In alcuni casi è l’elica stessa che funge da timone, ad esempio nei motori fuoribordo ove si ottiene l’evoluzione dell’imbarcazione grazie all’orientazione della spinta dell’elica.




Esaminiamo ora il funzionamento del timone. Con barra al centro il timone non offre alcuna resistenza all’avanzamento nell’acqua e dunque l’imbarcazione procede dritta. ruotando la pala del timone da un lato es Dritta, la pala del timone offre una resistenza al moto e l’acqua esercita una pressione sulla faccia prodiera della pala. Questa spinta,costringe la poppa ad andare dal lato opposto, nel caso in esame verso sinistra, quindi la prora andrà verso il lato opposto rispetto alla poppa ovvero a dritta.

Ricordarsi che, la poppa accosta più velocemente della prora, che l’asse di rotazione è posto a circa un terzo dalla prora. Queste peculiarità sono ovviamente da tenere presenti nel caso di navigazione in acque ristrette e nelle manovre di ormeggio; queste ultime sono ulteriormente complicate dalla diminuita efficienza del timone dovuta alla scarsa velocità. Quando si manovra il timone, si ottiene oltre agli effetti sopra esposti, anche un rallentamento dell’andatura, dovuto alla resistenza del timone, un leggero moto di deriva della barca dal lato ove accosta la poppa, uno sbandamento dello scafo dalla parte esterna della curva a causa della forza centrifuga ed una immersione della prora. Tutto questi fenomeni che possono sembrare molto esigui sono tenuti in altissima considerazione durante le regate veliche e sovente la barca vincente è quella che ha un timoniere in grado di usare correttamente e con estrema parsimonia il timone.




ELICA

E’ l’organo meccanico di propulsione (utilizzato in mezzi che si muovono nell'aria o in acqua) costituito da una serie di pale calettate su un mozzo, che ruotando si avvita nel fluido in cui è immerso a somiglianza di una vite nella madrevite. La superficie anteriore, nel senso normale del moto di avanzamento, si dice Dorso, mentre si chiama Faccia la superficie opposta L’elica, in geometria è una linea tracciata su una superficie cilindrica che interseca tutte le generatrici con un angolo costante (inclinazione dell'elica); la distanza tra due punti dell'elica su una stessa generatrice del cilindro è detta passo dell'elica.

L’elica ha un senso di rotazione che può essere destrorsa o sinistrorsa:

• Elica Destrorsa

o Vista da poppa, le pale girano in senso orario (marcia avanti)

Effetti: Marcia Avanti la poppa accosta a dritta

• Elica Sinistrorsa

o Vista da poppa, le pale girano in senso antiorario (marcia avanti)

Effetti: Marcia Avanti la poppa accosta a sinistra




Dati caratteristici dell’elica saranno dunque :

• il numero delle pale

• il diametro

• il senso (sinistrorso o destrorso)

• il passo

La combinazione delle varie caratteristiche fornirà delle eliche specifiche per imbarcazioni diverse. E’ infatti ovvio che imbarcazioni differenti debbano avere propulsori diversi, un veloce Off-Shore avrà delle necessità diverse da una barca da trasporto e quindi anche eliche con caratteristiche differenti.

In generale, semplificando molto, un elica con diametro piccolo e passo lungo è adatta a scafi leggeri e veloci mentre una con grosso diametro e passo più breve è indicata nelle imbarcazioni da trasporto ove è necessaria una notevole capacità di spinta.

E’ importantissimo dimensionare in modo corretto tutte le caratteristiche relative all’elica, ad esempio un passo elica non coretto può portare anzitempo al fenomeno della “Cavitazione”.

Il fenomeno della cavitazione è la formazione di un “vuoto” in corrispondenza della lama delle pale dell’elica e contemporaneamente una sottilissima ed eccessiva emulsione dell’aria contenuta nell’acqua. Ovviamente la formazione del “Vuoto” e dell’emulsione creano una discontinuità nel fluido che porta ad una diminuzione di spinta. Questo fenomeno se non conosciuto porta generalmente, da parte dell’utente non esperto, ad un ulteriore incremento del numero di giri del motore (vista la diminuzione inspiegabile di velocità), l’aumento di giri del motore non fa altro che aumentare ulteriormente il vuoto e l’emulsione facendo diminuire ancora la velocità e quindi si innesca un pericoloso circolo vizioso che può avere risultati deleteri sia per il motore che per l’elica. Questo fenomeno può portare nei casi estremi a grippaggio del motore o rottura del mozzo dell’elica in ogni caso il fenomeno della cavitazione porta al consumo anzitempo delle pale dell’elica.




Passo dell’elica

Abbiamo detto che la distanza tra due punti dell'elica su una stessa generatrice del cilindro è detta passo dell'elica. Il passo così determinato è detto passo teorico ed è la distanza che l’elica percorrerebbe se l’acqua fosse solida compiendo un giro completo. L’acqua sebbene sia incomprimibile è cedevole, l’elica avanza meno del dovuto questo avanzamento reale è definito passo effettivo. La differenza tra il passo teorico e quello effettivo è detto regresso.




ESERCITAZIONE DI CARTEGGIO

Trovare la prora da tenere per percorrere una rotta prefissata sotto l’influenza di una corrente nota. Carta didattica da Punta Tagliamento a Pola Dati meteo: Calma di mare e di vento Visibilità 15 mg Ore 12.00 Alle ore 12.00 la vostra unità navale si trova in posizione:

φ 45°30’ Nord λ 13°10’ Est

Il punto di arrivo della vostra navigazione è : φ 45°40’ Nord λ 13°20’ Est

Indicare l’angolo di rotta Rv La Velocità propria è :

Vp = 5 In zona è presente una corrente nota di intensità e direzione: Dc = 150 Vc = 2 Indicare la Prora da imporre per seguire la rotta indicata e giungere a punto di arrivo. Arrivate alle ore 16.00 sul punto B. Date fondo e vista l’indisponibilità di un posto di ormeggio nel porto di Grado, decidete di recarvi nel porto di Umag.

Impostare la rotta per giungere nel porto considerando che non volete transitare nella zona regolamentata segnata sulla carta.

Indicare:

Le rotte per raggiungere Umag,

Gli orari di accostata

I punti stimati (1 punto ogni ora)

L’orario di previsto arrivo calcolando una velocità di 5 Knots

(Vento e corrente Assenti)




Arrivati in prossimità di Umag fate il punto ottico rilevando:

Boa luminosa per 057

Fanale ingresso porto per 078

Fanale Umask 106

Posizionare il punto ed eventualmente rifasare la posizione.

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