LA BARCA A VELA E’ ECOLOGICA ?
L’ articolo di questo mese è piuttosto tecnico e, come
tale, abbastanza inutile;
anzi fate a meno di leggerlo che tanto alla fine ne
saprete sì più di prima,
ma ciò che avrete imparato non vi servirà pressoché a
nulla (che è il destino di quasi tutti gli articoli tecnici !)...
...Ma se scrivendo le frasi precedenti vi ho incuriosito
continuate pure, poi non ditemi però che non vi avevo avvertito.
Sembra che la risposta alla domanda posta dal titolo sia
ovvia, tuttavia mi risulta che nessuno abbia affrontato tale argomento come lo
farò io.
In effetti la risposta affermativa vale se si tratta di una
deriva o di una nave che navighi rigorosamente solo a vela (non ce ne sono più,
non lo è nemmeno l’ Amerigo Vespucci), in tutti gli altri casi invece (cioè per
tutte le barche a vela da diporto) la faccenda non è poi così scontata.
Con parole povere assai qui cercherò di rispondere con un
misto di aerodinamica, termodinamica, buon senso e - naturalmente – un bel po’
di esperienza, che da sola frega tutto il resto.
Come la trattazione di qualsiasi argomento insegna, anche
questa trattazione ha i suoi limiti nel senso che il lettore non può pretendere
di trovarci la precisione assoluta, ma dovrà accontentarsi della magra
approssimazione data dall’ applicazione dei coefficienti con i quali qualsiasi
ingegnere mette a posto le cose.
Ne è un esempio lampante la normativa di calcolo
antisismica per le costruzioni, frutto di elucubrazioni fantastiche da parte
dei professori universitari ma che in definitiva lascia tutto al fatalismo
della potenza distruttrice incognita e imprevedibile che solo il buon Dio sa
quando, dove e con quale intensità scaglierà.
Tanto per cominciare i dati che troverete inseriti sono
quelli ricavati dalla mia barca dopo anni di osservazione e di raccolta; già
questo pone dei limiti perché un’ altra barca a vela grande il doppio o la metà porterà ovviamente a risultati
diversi, ma sono certo che per trarre poi le conclusioni finali i dati andranno
comunque benissimo così come sono.
Ecco quindi ciò che ho pensato di fare.
Ho messo a confronto le potenze motrici della mia barca
quando naviga a vela con quelle quando naviga a motore alla stessa velocità,
così da poter verificare quanta dell’ energia che il motore brucia vada effettivamente
usata nel muovere lo scafo; questo mi da’ modo di stimare gli sprechi
energetici della navigazione a motore.
Il mio vecchio e magnifico Comet 12 è lungo 12.60, largo
4.00, disloca 10 tonn ed è equipaggiato col Nanni Mercedes a gasolio da 40 CV.
Il gioco di vele con cui navigo abitualmente ha una area di
55 mq di genoa e 37 mq di randa, per un totale di 92 mq.
La tabella seguente, frutto di innumerevoli osservazioni e
misure, riporta per l’ andatura di traverso:
le velocità della barca in Kn vb;
le velocità del vento corrispondenti in Kn v v;
le velocità del vento apparente sulle vele in m/s va;
le Resistenze di attrito delle vele R= 0.5 x densità aria /
2 x Vapp2 in N Res;
le Portanze delle vele P=1.2 x densità aria / 2 x Vapp2
in N Port;
le Forze di avanzamento (componente di P nella direzione
dell’ asse dello scafo) in N Favanz;
le Potenze espresse dalle vele P=F avanzamento x velocità
barca in W P.
|
|
|
|
|
||||
A
mq |
vb
Kn |
v v Kn |
va m/s |
|
Res N |
Port N |
Favanz
N |
P
W |
92 |
4 |
6 |
3,7 |
390 |
935 |
655 |
1347 |
|
|
5 |
7 |
4,4 |
555 |
1331 |
932 |
2396 |
|
|
6 |
9 |
5,6 |
877 |
2104 |
1473 |
4547 |
|
|
7 |
12 |
7,1 |
1446 |
3471 |
2430 |
8750 |
|
|
8 |
15 |
8,7 |
|
2166 |
5198 |
3639 |
14975 |
Tanto per porre in evidenza una prima conclusione, al Comet
12 occorrono 14975 W, cioè quasi 15 KW per navigare a 8 nodi.
Il grafico che segue dà l’ idea di quel che succede all’
aumentare della velocità:
Come è da aspettarsi la relazione non è lineare, perché le
resistenze al moto aumentano grosso modo col quadrato della velocità.
Tali dati sono reali (al lordo degli errori di misura) perché
sono frutto dell’ osservazione durante l’ esperienza.
Se ora volessi raffrontare la situazione con la navigazione
a motore dovrei improvvisamente ammainare le vele e accendere il motore
mantenendo la stessa velocità.
Dal punto di vista del calcolo ciò è molto semplice: basta
cambiare unità di misura dai W ai CV.
Prima però per curiosità lasciatemi calcolare la forza che
le scotte delle due vele devono sopportare: essa è la risultante delle
Resistenze di attrito delle vele e delle loro Portanze (Res + Port) in forma
vettoriale (estraendo la radice della somma dei quadrati); nella tabella
seguente la seconda colonna riporta tali dati: si legge cha a 8 Kn di velocità
della barca le scotte devono tirare con 5631 N, cioè 575 Kg ripartite tra randa
e genoa (seconda colonna in tabella).
Non poco!
vb
Kn |
Fscotte N |
P
elica CV |
P mot CV |
l/h |
aria
mc |
||
4 |
1013 |
1,8 |
3,6 |
0,4 |
3,8 |
||
5 |
1442 |
3,3 |
6,4 |
0,8 |
6,8 |
||
6 |
2280 |
6,2 |
12,1 |
1,5 |
13,0 |
||
7 |
3761 |
11,9 |
23,3 |
2,8 |
24,9 |
||
8 |
5631 |
20,4 |
39,9 |
4,8 |
42,7 |
||
Ma andiamo avanti con i dati contenuti nelle altre colonne della
tabella precedente e quindi con la stessa navigazione, ma fatta a motore.
Poiché dopo molte misurazioni ho accertato che navigando a
motore a 2000 r.p.m. la velocità della barca è di 7 Kn e il consumo è di 2.8
l/h, posso stabilire che la P necessaria del motore è quella che fa tornare i
conti in tal senso.
Quindi le restanti colonne della tabella riportano:
la Potenza effettivamente espressa dal motore in CV Pmot;
il consumo di gasolio in litri/ora l/h;
il consumo di aria per la combustione in mc/ora aria.
Per facilità di lettura considererò i dati relativi alla
velocità della barca pari a 7 Kn, valore che il Comet 12 raggiunge facilmente
sia a vela che a motore.
vb
Kn |
Fscotte N |
P
elica CV |
P
mot CV |
l/h |
aria
mc |
7 |
3761 |
11,9 |
23,3 |
2,8 |
24,9 |
E’ ora possibile trarre alcune conclusioni importanti.
Per navigare a 7 Kn a vela occorre una potenza di 8750 W che
sono 11.9 CV; per far tornare i conti con l’ esperienza (vale a dire con la P
erogata a 2000 r.p.m.) il motore deve erogare 23.3 CV.
Il rapporto tra la Potenza che fa avanzare la barca e
quella effettivamente espressa dal motore è di 0.51, cioè il 49% della energia
fornita dal motore se ne va in attriti interni e dissipativi tra elica e acqua
e non viene utilizzata per fare avanzare la barca.
Oltre a ciò, per erogare questa potenza esso deve consumare
2.8 litri ogni ora di gasolio e “bruciare” 24.9 metri cubi di aria !
Per far ulteriormente tornare i conti con l’ esperienza
quindi, valutando l’ energia ottenibile dalla combustione di 2.8 l/h di
gasolio, il rapporto tra la Potenza che effettivamente muove i pistoni del
motore e quella che viene bruciata nella combustione è 0.6 !
Cioè il 40% della energia bruciata se ne va a causa del
rendimento termodinamico.
Tutto questo significa che se da 1 litro di gasolio io potrei ottenere 100 unità di energia, di
quelle solo lo 0.51 x 0.6 (cioè 30) andranno effettivamente a spingere la barca
!
Il restante 70 se ne andrà
disperso nel mare e nell’ aria sotto forma di aumento di entropia dell’
universo (con sommo dispiacere dei ghiacciai che si
scioglieranno di conseguenza).
Insomma se volessi percorrere 42 M navigando a 7 Kn e impiegando
quindi 6 ore, a vela non consumerei nulla, a motore invece consumerei quasi 17
litri di gasolio e 150 metri cubi di aria.
Immetterei così nell’ atmosfera e nell’ acqua la differenza
tra l’ energia necessaria a far avanzare la barca (8750 x 3600/4186 x 6 = 45150 Kcal) e quella bruciata nel
motore (11150 x 0.780 x 2.8 x 6 = 146109
Kcal)… vale a dire 100959 Kcal…
Più di centomila Kcal sprecate !
A QUESTO PUNTO DATE UNA OCCHIATA QUI
Escluse quindi le derive e il Cutty Sark (nave a vela senza
motore), tutte le altre barche a vela che non navigano solo a vela sono
ecologiche?
Risposta: non proprio e non crediamo ogni giorno di fare meglio
!
Una qualsiasi automobile con la quale ci muoviamo non ha le
vele e i suoi rendimenti aereodinamici e termodinamici fanno comunque abbastanza
pena.
La chiglia pressochè infinita del Cutty Sark, dalla quale non spunta alcun asse dell' elica
POST SCRIPTUM numero 1
I parametri qui impiegati che la Fisica nella sua infinita
vastità (e cinismo) ci ha permesso di scoprire sono:
1 Kn = 1852/3600 m/s
1
Kg = 9.81 N densità aria 1.255
Kg/mc
Cp = 1.2 coeff. di
portanza
Cr = 0.5
coeff. di resistenza
peso specifico gasolio
0.780 Kg/litro potere calorifico
gasolio 11150 Kcal/Kg
1 CV = 735 W
1 W = 1 J/s = 3600/4186 Kcal/h
Volume aria per
combustione gasolio 11.3 mc/Kg
POST SCRIPTUM numero 2
L’ efficienza delle vele è conseguenza della pulizia dei
bordi di entrata e della loro “indisturbatezza”… Che significa?
Vuol dire che il profilo dell’ albero “disturba” senz’
altro molto di più la randa di quanto il profilo dell’ estruso dello strallo
cavo disturbi il genoa.
Inoltre il genoa “vola” in aria libera, la randa invece è
disturbata dai vortici del genoa.
Il che si traduce nel fatto che il genoa ha una efficienza
aerodinamica molto superiore a quella della randa (per alcuni circa il 70% in
più).
Vuol dire che a 8 Kn di velocità la tensione di 5631 N sulle
scotte non è ripartita in proporzione alle rispettive aree delle due vele, ma
sarà molto più elevata sulla scotta del genoa e molto più ridotta su quella
della randa.
Attenzione quindi: 55 mq di genoa tirano molto di più dei
37 mq della randa, ben oltre la proporzione delle due aree.