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Dinamica e stabilità delle imbarcazioni

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La dinamica e la stabilità di un'imbarcazione dipendono da tanti fattori, alcuni legati intrinsecamente alla sua costruzione (al tipo di scafo, alla presenza o meno di una deriva), altri legati a fattori esterni, come le masse e, soprattutto, alla loro disposizione all'interno dell'imbarcazione.

Principio di galleggiamento

Per comprendere appieno gli aspetti della dinamica della navigazione, è necessario conoscere il principio base del galleggiamento dei corpi: il principio di Archimede.

“Un corpo immerso (totalmente o parzialmente) in un fluido riceve una spinta verticale (dal basso verso l'alto detta forza di galleggiamento) di intensità pari al peso di una massa di fluido di volume uguale a quella della parte immersa del corpo.”

In base a questo principio, possiamo individuare due punti fisici fondamentali che governano la dinamica di una barca e, in generale, di un corpo immerso in un fluido.

  • Centro di massa o baricentro (G): punto di applicazione delle forze peso di tutte le masse dell'imbarcazione, compreso quella dell'imbarcazione stessa.
  • Centro di spinta o di galleggiamento o di carena (C): punto di applicazione della forza di Archimede.
Esempio di principio di Archimede
Volume di acqua spostata
Volume di acqua spostata

Per avere equilibrio idrostatico è necessario che il peso della massa di acqua spostata eguagli il peso dell'imbarcazione. Ciò significa, in sostanza, che se volessi riempire di acqua il volume evidenziato in giallo nell'immagine sopra, il peso della quantità di acqua che dovrei versare nel volume sarebbe esattamente identico al peso della barca.

Cosa succede se aggiungiamo massa alla barca (carichiamo amici, cambusa, carburante, etc etc)? Se la massa totale della barca aumenta, per l'equilibrio è necessario che anche la forza di galleggiamento aumenti. Per fare ciò, è necessario che il volume di acqua spostata aumenti e che, quindi, l'imbarcazione "vada più a fondo", aumentando il pescaggio e diminuendo il bordo libero.

Incremento pescaggio e riduzione bordo libero
Volume di acqua spostata in caso di carico maggiore
Volume di acqua spostata in caso di carico maggiore

Una delle differenze sostanziali tra il baricentro e il centro di spinta sta nel fatto che, a patto di mantenere inalterate le posizioni delle singole masse/persone e dei carichi all'interno dell'imbarcazione, il baricentro è sempre fisso mentre il centro di spinta varia costantemente di posizione in base ai movimenti oscillatori delle imbarcazioni.

E che succede se "sbilanciamo" la barca e mettiamo più carico solo da un lato? L'imbarcazione ruoterà (sbanderà) aumentando il pescaggio (e quindi il volume di acqua spostato e la forza di galleggiamento) solo da un lato. In questo caso, è evidente di quanto si sposti il centro di galleggiamento (ora nel punto C') rispetto al centro di massa.
Questo spostamento provoca un disallineamento tra le forze e, in seguito a questo, si crea una coppia raddrizzante che tende a riportare l'equilibrio e l'allineamento tra la forza peso e la forza di galleggiamento.

Carico baricentro solo da un lato
Volume di acqua spostata in caso di carico solo da un lato
Volume di acqua spostata in caso di carico solo da un lato

Movimenti dell'imbarcazione: rollio e beccheggio

I movimenti oscillatori delle imbarcazioni sono essenzialmente il rollio e il beccheggio. Entrambi questi movimenti, causando un maggiore affondamento periodico di parti dello scafo, provocheranno una ridistribuzione della pressione di galleggiamento e lo spostamento del centro di spinta.

Movimento di beccheggio
Beccheggio
Rollio barca
Rollio

Metacentro e altezza metacentrica

Prima ancora di parlare di stabilità, è necessario capire come si muove il centro di spinta, soprattutto durante il rollio. Per il momento concentriamoci su una semplice barca a motore senza deriva.

Durante il movimento di rollio, lo scafo ruota e il centro di spinta (o di carena) si sposta continuamente (punto C'). Andando a intersecare la retta di azione della forza di galleggiamento con il piano longitudinale di simmetria troveremo un nuovo punto notevole: il metacentro M.

La distanza tra il baricentro G e il metacentro M si chiama altezza metacentrica (h) ed è di fondamentale importanza per la stabilità di un'imbarcazione.

Metacentro della barca
Metacentro come punto fisso di un pendolo

Questo argomento risulta sempre ostico e difficile da ricordare perché non viene intuito facilmente. Facciamo una prova: mettiamoci solidali con la retta di applicazione della forza di galleggiamento in modo da vederla "fissa" rispetto alla barca. Cosa vediamo? La barca si muove come un pendolo appeso al metacentro e la lunghezza del pendolo è proprio l'altezza metacentrica!

Il metacentro come punto fisso di un pendolo
Il metacentro come punto fisso di un pendolo

Con questa similitudine, è anche più facile comprendere il concetto base della stabilità di un'imbarcazione: affinché una barca sia stabile, è necessario che il suo centro di massa si trovi al di sotto del metacentro. In aggiunta, una barca sarà tanto più stabile quanto più alta sarà la sua altezza metacentrica.

Equilibrio stabileEquilibrio stabile
Equilibrio instabileEquilibrio instabile
Equilibrio indifferenteEquilibrio indifferente

Stabilità di forma e di peso

Relativamente alla tipologia di costruzione dell'imbarcazione, si possono individuare due tipi di stabilità:

  • Stabilità di forma: caratteristica delle imbarcazioni monoscafo con scafo molto largo o dei multiscafi. Il baricentro (G) viene a trovarsi al di sopra del centro di spinta (C).

    Stabilità di forma
    Stabilità di forma per catamarano
  • Stabilità di peso: utilizzata per stabilizzare imbarcazioni monoscafo con scafo molto sottile e barche a vela. Il baricentro (G) viene a trovarsi al di sotto del centro di spinta (C).

    Stabilità di peso

È da notare che molto spesso i grandi yacht a vela utilizzano entrambe le stabilità proprio per ovviare al fatto che la presenza dell'alberatura porta il centro di massa ad essere molto in alto e alla forza laterale sviluppata dalle vele: queste caratteristiche renderebbero la barca molto difficile da stabilizzare ed è per questo che il bulbo è di solito molto pesante e il baglio massimo (larghezza massima) è piuttosto importante.