Equilibri della barca a vela: centro velico e centro di deriva

La fisica delle imbarcazioni a vela e il loro movimento sono basati sulle forze derivanti dall'interazione con gli elementi in cui sono immerse, cioè l'acqua e l'aria. Ognuno di questi elementi agisce su particolari parti dell'imbarcazione e ne determina le caratteristiche dinamiche.

Centri di forza della barca a vela: il centro velico e il centro di deriva

Per semplificare la trattazione dal punto di vista fisico, assumiamo che tutte le forze a cui è soggetta l'imbarcazione siano rappresentate da vettori forza (aventi direzione, verso e intensità ben precisi - per comprendere meglio questi aspetti visita questa pagina -) che agiscono su punti fittizi chiamati centri di forza.
In particolare, lo scafo raccoglie le forze derivanti dall'acqua e le concentra in un ipotetico punto chiamato centro di deriva mentre le vele generano forze aerodinamiche dalle correnti d'aria che le investono e le concentrano in un altro ipotetico punto chiamato centro velico.

Centro velico e centro di deriva
Centro velico e centro di deriva

Nella nostra pagina riguardo alla dinamica dell'imbarcazione abbiamo già parlato di altri punti fisici di rilievo, cioè del centro di massa e del centro di spinta.

Per avere equilibrio dinamico e per poter avanzare senza dover correggere costantemente la rotta col timone, è necessario che tutte le forze in gioco siano bilanciate e che il centro velico e il centro di deriva siano sullo stesso asse.

Centro velico e centro di deriva allineati sullo stesso asse

Forze agenti sull'imbarcazione

Come già detto, le forze agenti sull'imbarcazione sono di varia natura ma si possono suddividere in tre grandi classi:

  • Forze aerodinamiche: generate dall'interazione tra le vele e l'aria
  • Forze idrodinamiche: generate dall'interazione tra lo scafo e l'acqua
  • Forze peso: bilanciate dalla spinta idrostatica (principio di Archimede)

Andando a scomporre le forze aerodinamiche e idrodinamiche nelle loro componenti longitudinali e trasversali rispetto agli assi dell'imbarcazione, noteremo la presenza di alcuni elementi che ci sono familiari:

  • Spinta: essenziale per la propulsione dell'imbarcazione
  • Forza di scarroccio: componente trasversale della forza aerodinamica
  • Resistenza idrodinamica: dovuta all'attrito viscoso tra lo scafo e l'acqua
  • Resistenza allo scarroccio: generata dalla presenza della deriva al di sotto dell'imbarcazione
Forze agenti sull'imbacazione
Forze agenti sull'imbacazione - schema dell'alto

Momenti delle forze

Come è facile immaginare, questi punti non sono fissi ma possono variare la loro posizione in base a tanti fattori, tra cui l'impostazione delle vele e la posizione dei pesi a bordo.
Bene, e cosa succede se le loro posizioni variano? Le forze non agiranno più sulla stessa retta d'azione e si creerà un momento (o coppia) che indurrà un movimento di rotazione.

Prima di addentrarci in spiegazioni più dettagliate, cerchiamo di capire cos'è un momento (o coppia) di forze: il momento è una grandezza di rotazione dovuta a una forza che agisce a una certa distanza (chiamato braccio) da un centro di rotazione.
Pensiamo a un semplice esperimento: prendiamo un cucchiaio, lo poggiamo su di un tavolo e ne spingiamo un'estremità. In pratica, stiamo applicando una certa forza alla sua estremità e il cucchiaio ruoterà attorno al punto in cui è poggiato sul tavolo. Nel nostro semplice esperimento potremo, quindi, individuare il centro di rotazione e il braccio della forza, oltre a vedere chiaramente l'effetto dovuto all'applicazione del momento, cioè la rotazione del cucchiaio.

Cos'è il momento di una forza
Braccio di una forza e momento

Se ci pensate bene, si sperimenta sempre l'esistenza di momenti di forze quando si naviga di bolina o al traverso, cioè in presenza di forte componente laterale: il fatto che la forza di scarroccio e quella di resistenza non siano allineate è evidente (perché una è applicata al livello della velatura e l'altra sullo scafo) e provoca un momento sbandante che, appunto, fa sbandare l'imbarcazione.
Perché l'imbarcazione non scuffia, allora? Perché al tempo stesso lo sbandamento porta a un incremento del braccio della forza peso e, di conseguenza, a un aumento del momento raddrizzante. Quando momento sbandante e momento raddrizzante si equivalgono, l'imbarcazione raggiunge l'equilibrio nella configurazione sbandata.

Momento sbandante di bolina
Momento raddrizzante della forza peso

Variazioni di posizione del centro velico e del centro di deriva

Ora andiamo a vedere nel dettaglio gli effetti diretti dello spostamento del centro velico o del centro di deriva. Cerchiamo di individuare alcuni casi estremi e vediamo quale sarà il comportamento dell'imbarcazione.

Imbarcazione con sola randa

Supponiamo di avere solo la randa issata: quello che succede è che il centro velico indietreggerà rispetto al centro di deriva, provocando così un momento che porterà la barca all'orza, cioè la porterà a mettersi controvento. Per questo motivo si dice che la randa è una vela orziera.

Barca orziera
Barca orziera e momento all'orza

Imbarcazione con solo fiocco

Pensiamo ora di avere solo il fiocco issato: quello che succede è l'opposto rispetto alla randa e cioè che il centro velico avanzerà rispetto al centro di deriva, provocando così un momento che porterà la barca alla poggia, cioè la porterà a mettersi a favore di vento in fil di ruota. Per questo motivo si dice che il fiocco è una vela puggera (o poggera).

Barca puggera
Barca puggera e momento alla poggia

Effetti dei carichi a bordo

Se le imbarcazioni navigano sbandate (magari per la disposizione dei pesi a bordo), anche se entrambi i centri sono nello stesso piano, si creeranno dei momenti (orzieri o puggeri) a causa del mancato allineamento tra la spinta e la forza di resistenza idrodinamica.
Nel caso di barca sbandata sottovento, il momento tra spinta e resistenza idrodinamica tenderà a portare la barca all'orza; al contrario, in caso di barca sbandata sopravento, il momento sarà alla poggia.

Imbarcazione sbandata sottovento
Barca sbandata sottovento (orziera)
Imbarcazione sbandata sopravento
Barca sbandata sopravento (puggera)

Si avrà un'effetto simile se i carichi vengono portati verso prua o verso poppa, causando uno spostamento del centro di deriva: portando i carichi verso prua, il centro di deriva avanzerà rispetto al centro velico e la barca sarà orziera; al contrario, portando i carichi verso poppa, il centro di deriva indietreggerà e la barca sarà puggera.

Spostamento dei carichi verso prua
Carichi spostati a prua
Spostamento dei carichi verso prua
Spostamento dei carichi verso poppa
Carichi spostati a poppa
Spostamento dei carichi verso poppa

È bene notare che per questioni di sicurezza è sempre meglio avere una barca orziera più che puggera. Infatti, nel caso ci sia qualche problema, la barca tenderà ad andare all'orza e a mettersi controvento, fermandosi.

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