Come
Una Barca a Vela può Risalire il Vento
Portanza
Il vento spinge o
trascina la nostra barca?
"Il vento
soffia....e spinge..." risponderebbe chiunque, ma lo devo smentire, e
affermare che il vento ha solitamente più efficacia a trascinare una vela che a
spingerla. Proprio così, il vento non soffia sulle vele spingendole, ma le
lambisce e le aspira, trascinando con esse la barca.
I tre principi fisici che permettono questo, si possono semplificare nel
seguente modo:
- " ... un corpo
sul quale agiscono due forze contrapposte si sposta nella direzione della
forza che ha minore intensità, se le forze sono uguali il corpo resta
immobile".(estensione del II° principio della dinamica al nostro
caso)
- " .... la
pressione è una spinta applicata in modo uguale sulla superficie di un
oggetto, come tanti piccoli pesi uguali su tante piccole parti uguali di
superficie dell'oggetto, che nella loro somma formano una forza applicata
sullo stesso".( definizione elementare di pressione )
- " ... lungo il
suo percorso, un fluido in movimento, dove è costretto ad accelerare
diminuisce la sua pressione, dove è costretto a rallentare
l'aumenta".( semplificazione del principio del Bernoulli)
Pensiamo al profilo
di una ala di gabbiano posto solidamente fra due linee parallele, una sopra e
una sotto al profilo, come un canale in cui fra una riva e l'altra sia posto il
profilo dell'ala.
Analizziamo ora due
particelle di fluido, accoppiate verticalmente, gemelle e inseparabili, che si
muovano in modo rettilineo lungo la canalizzazione che incontrando il profilo
debbano separarsi per passare una sopra e una sotto al profilo.
Mentre nel lato concavo
una particella si muove ancora in modo rettilineo senza ostacoli, nella parte
convessa, non potendo attraversare la linea del profilo e dovendo fare più
strada, la seconda particella sarà costretta ad accelerare la sua velocità
affinché si possa ritrovare insieme alla sorella alla fine del profilo.
Ottenendo due diverse velocità, ricordandoci che al variare della velocità
varia la pressione, otterremo sui due lati due diverse intensità di pressione e
se ora liberassimo il profilo permettendogli di muoversi, vedremo che questi si
sposterebbe verso il lato superiore.
Per il terzo principio enunciato, è accaduto che sul lato superiore del profilo
la pressione è diminuita, quindi significa che la forza applicata sul profilo
verso il basso è diminuita, mentre nel lato inferiore non essendoci stata una
sostanziale variazione di velocità, la pressione è rimasta invariata e quindi
anche la forza applicata.Così determinandosi la contrapposizione di due forze
diverse sul profilo, esso si sposterà verso la forza più debole che si è
formata, cioè verso l'alto.
Non solo, la forza
generata sulla parte alta ha invertito la sua direzione, invece
di premere sul profilo lo risucchia.
Per verificare questo fenomeno propongo di eseguire la seguente prova.
Prendiamo un foglio di
carta da lettere, poniamolo davanti al nostro mento facendo si che fletta
incurvandosi, ora soffiamo leggermente sulla parte superiore della superficie
flessa del foglio. Le particelle di aria percorreranno il foglio rimanendovi
aderenti, dato la convessità la velocità di esse aumenterà, si abbasserà la
pressione al punto di invertire la direzione della forza che questa esercita sul
foglio, ed esso si solleverà.
Questo effetto si
definisce Portanza.
Questo è il segreto che
permette ai gabbiani di stare fermi in aria con le ali semplicemente distese al
vento, agli aerei di volare e alle barche a vela di avanzare. Il profilo alare,
rubato alla natura, ha permesso all'uomo di raggiungere mete e gradi di civiltà
oltre i limiti raggiungibili dall'invenzione della ruota.
Laminarità e stallo
Abbiamo visto lo scorrere
regolare delle particelle d'aria sopra e sotto il profilo, lo scorrere aderente
alla superficie si definisce Laminarità.
Perché ciò avvenga bisogna però che la velocità del fluido e l'inclinazione
del profilo si mantengano in determinati valori. Infatti se il profilo si
orientasse con un incidenza maggiore rispetto alla posizione descritta, , le
particelle di aria che scorrono sul lato superiore tenderebbero a causa della
loro velocità a distaccarsi dal profilo stesso.
Facciamo finta che
siano come tante motociclette lanciate su un dosso, più il dosso scende
rapidamente o più la velocità delle motociclette è elevata, tanto più le
motociclette tenderanno a saltare la discesa del dosso, senza poggiarvi le ruote
a causa dell'inerzia.
Inoltre le particelle sul
lato inferiore verranno ostacolate, e all'uscita del profilo si troveranno
lontane da quelle superiori , creando vuoti tra di esse con turbinii e salti di
pressione. Questo genererà lo Stallo
del profilo, cioè la perdita della portanza, che genera solo una vibrazione del
profilo stesso.
Se invece diminuisse la
velocità del fluido, le variazioni di pressione diverrebbero semplicemente
tanto scarse da non generare nessuna forza.
Ecco perché gli aerei
non possono decollare con drastiche inclinazioni o basse velocità, e perché
come vedremo le vele dovranno esser ben orientate e ben regolate al vento.
Una volta capito le leggi
fisiche che stanno alla base della navigazione a vela approfondiamo
i vantaggi della disposizione delle vele nell'armamento più comune cioè quello
a sloop.
