20 Gen La fisica della vela: come funziona una barca a vela?
Tutto quello che devi sapere per capire come funziona una barca a vela
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Come funziona la barca a vela?
Se stai leggendo questo articolo probabilmente anche tu ti starai chiedendo: “Come funziona la barca a vela? Quali sono i principi per i quali posso navigare fra le onde del mare spinto dalla forza del vento?”.
La risposta a queste domande può sembrare molto intuitiva ma non è affatto così.
In effetti c’è un grande dibattito su alcune delle definizioni principali che coinvolgono la vela. Ad esempio la semplice definizione di “portanza” genera molte discussioni poiché alcuni ritengono che il vento “spinga” una vela mentre molti altri ritengono che il vento provochi una sorta di “risucchio” della vela generando così un movimento.
In base alla mia esperienza di istruttore di vela e velista, vorrei pertanto portare un contributo a questo dibattito cercando di semplificare la cosa il più possibile e renderla utile a chi ama questo sport. Un dibattito che, specie per chi ancora è un principiante, non necessita di ulteriori complicazioni esclusivamente concettuali che non aiutano granché quando si naviga in barca a vela.
I principi fisici del funzionamento di una barca a vela
Ancora prima di effettuare delle operazioni basilari sulla tua barca, come ad esempio la centratura di una barca, voglio elencarti quali sono i principi basilari che regolano la vela, proprio come farò durante i miei corsi di vela.
Qui di seguito infatti trovi i principi che si utilizzano per spiegarti come funziona una barca a vela:
- ” … 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);
- ” …. la pressione è una spinta applicata in modo uguale ed uniforme 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);
- “… Per ogni forza, che un corpo A esercita su un altro corpo B, ne esiste istantaneamente un’altra uguale in modulo e direzione, ma opposta in verso, causata dal corpo B che agisce sul corpo A“. (terzo principio della dinamica, detto anche principio di azione e reazione).
La portanza di una vela: un concetto molto dibattuto
A titolo esemplificativo di quanto alcuni concetti riguardanti come funziona una barca a vela siano tutt’oggi dibattuti vorrei prendere il caso della portanza.
Prendiamo il profilo di una vela di una barca e lasciamola investire da un flusso di aria.
Per spiegare il concetto di portanza alcune teorie immaginano l’aria come fosse composta da 2 particelle, gemelle ed inseparabili, che si muovono in modo rettilineo lungo la vela. Quando le particelle incontrano la vela si separano per passare una sopra e una sotto. Mentre nel lato concavo della vela una particella si muove ancora in modo “ abbastanza” rettilineo e senza ostacoli, nella parte convessa, l’altra particella deve necessariamente fare più strada. E’ dunque costretta ad accelerare la sua velocità per ritrovarsi insieme alla gemella alla fine della vela.
La teoria è verosimile ma che le molecole di aria siano inseparabili e debbano necessariamente ritrovarsi alla fine della vela non è affatto dimostrato da nessuna teoria scientifica.
Inoltre per un velista (scettico di natura) basta vedere una vela per capire che questa teoria è un po’ superficiale; essendo la vela simmetrica non ha un profilo più lungo e uno più corto.
Ma allora, perché una vela porta?
Come funziona la barca a vela? La verità dietro il concetto di portanza
I dettagli reali di come un oggetto generi portanza sono molto complessi ma cerchiamo di capire come funziona senza perderci in improbabili dimostrazioni.
Le molecole d’aria non sono gemelle ed inseparabili, ma sono libere di muoversi con velocità diverse attorno a un profilo alare che ci si muove attraverso. Quindi la loro velocità può avere potenzialmente valori diversi in luoghi diversi del nostro profilo.
A questo punto ci è utile il terzo principio enunciato sopra (semplificazione di Bernoulli) che mette in relazione la pressione di un gas alla velocità: quando la velocità di un fluido aumenta, diminuisce la sua pressione e viceversa.
Le variazioni di velocità e dunque di pressione determinano una forza detta aerodinamica che si scompone in portanza e resistenza.
La portanza in sintesi
Quando l’aria che procede in linea retta incontra la curva del profilo, comincia a muoversi con andamento circolare. Ogni fluido che passa da un moto rettilineo ad uno circolare sviluppa un’accelerazione centripeta, diretta verso il centro (se non ci fosse significa che l’oggetto sta andando in linea retta).
L’accelerazione centripeta, rappresenta una variazione di velocità (che in questo caso consiste in un cambio di direzione dell’aria e non di intensità) che sta ad indicare che sul nostro profilo sta agendo una forza che si può ipotizzare diretta verso il centro della nostra curva.
A questo punto il terzo principio della dinamica ci dice che a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria; dunque l’azione forzata di curvatura del flusso di aria produce una re-azione sulla vela uguale e contraria. La vela imponendo una deviazione al flusso d’aria riceve una spinta contraria che le permette di avanzare.
Quanto il concetto di portanza può essere utile in regata lo si capisce solamente attraverso una buona regolazione delle vele; sulla definizione comunque vi invito a leggere l’articolo uscito qualche mese fa su www.giornaledellavela.com.
