Circa le Prestazioni dei Multiscafi
di John Shuttlewort

per gentile concessione dell'autore


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NDR - Questo interessante e dettagliato articolo di J.Shuttlewoth risale alla fine degli anni 80. Abbiamo scelto di pubblicarlo in quanto lo riteniamo valido sia sotto il profilo "storico", per giustificare alcune inversioni di tendenza nella progettazione dei multiscafi, che sotto il profilo "tecnico" in quanto tratta di considerazioni  pienamente attuali

Negli anni passati ho visto diverse volte domande( pubblicate in diverse riviste di yachting) circa le performances dei multiscafi, e, come progettista, inevitabilmente mi chiedono “ quanto andrà veloce,” e “quale sarà la sua capacità di carico?”.
Per me, le prestazioni di una barca non solo implicano la velocità, ma anche il suo confort, la sua “marinità” e la sua sicurezza.
Bisogna tenere ben presente il fatto che uno scafo con capacità marine che possa essere condotto in sicurezza a pieno regime non solo andrà più veloce, ma finirà la gara.
Qualche anno fa Dick Newick parlò dell' ”ingordigia della velocità” ed il modo in cui questa stava spingendo il progetto di multiscafi verso barche più leggere, sovrainvelate e insicure, ma adesso credo che il trend sia cambiato.
E’ vero che negli anni 70 alcuni (me compreso) credettero che attraverso l’incrementare  il rapporto potenza/peso noi potessimo continuare a produrre sempre più velocità e ancora più velocità per lo sviluppo della tecnologia dei materiali . Questo si è dimostrato vero fino a che disegnammo un’imbarcazione che mostrò una nuova generazione di problemi associati a questi scafi molto veloci e ci rese dubbiosi circa l’intera questione del peso estremamente leggero. In questo articolo tenterò a descrivere i problemi e le soluzioni e mostrare come questo lavoro può essere utile allo sviluppo dei multiscafi da crociera nel più ampio concetto di prestazione.

Velocità Se avete un piccolo computer o una buona calcolatrice programmabile potete usare la formula IOMR o la PMA per calcolare la velocità relativa. Comunque questo è un processo laborioso e dubito che molti siano propensi a provarci. Questo è un modo veloce per calcolare la velocità relativa usando :

 dove:      SA = Superfice Velica 100% del triangolo di prua - in sq.ft
                WL= Lunghezza al galleggiamento
                  *  = Dislocamento in libbre 1 ton =2240 lbs
il MR è direttamente proporzionale alla velocità. Per esempio: avete ( o volte acquistare) un trimarano da crociera/regata di 40’ e  volete sapere di quanto varierà la veloctà tra l’assetto “nudo” della regata e quello a pieno carico della crociera. L’area della randa più il triangolo di prua è 850 ft2 . La lunghezza al galleggiamento è di 37’  e il dislocamento è stabilito in 2,9 tonnellate con un carico utle di 1 tonn.
La velocità è proporzionale a MR, quindi quando il "regata" sta facendo 10 kn, il "crociera" farebbe :
in altre parole, caricare una tonnellata sulla barca diminuirà  in media la velocità da 10 Kn a 8,62 Kn.
Praticamente abbiamo trovato che MR nella sua forma più semplice mostra una grande diminuzione della velocità per l'aggiunta di peso, in media, e un risultato più accurato si può ottenere usando MRII = A x MR  dove
Usando MRII nell'esempio qui sopra si ha  un decremento della velocità per un incremento di peso di una tonnellata da 10 Kn a 9.18 Kn. Non di meno, se cercate un modo veloce per comparare due barche, l'MR semplice darà un'idea abbastanza buona di quello che succede. La Figura 1 mostra l'MRII per le condizioni estreme di alcuni progetti. Non è sempre facile fare comparazioni perchè non tutti i progettisti forniscono il dislocamento ed il carico utile sulla base delle  stesse condizioni. I dati di  di cui avete bisogno sono il minimo peso di navigazione includendo ecquipaggiamento di sicurezza, ecquipaggio e provviste, ed il massimo dislocamento che la struttura ed il progetto possano accettare in sicurezza. Nel caso che questi dati fossero indisponibili ho tracciato solo il massimo dislocamento.
Poichè MRII è direttamente proporzionale alla velocità, se Livery Dole III sta facendo 15 Kn, la Tavola mostra la velocità di diverse altre barche. In tutti i casi.
Velocità in venti leggeri . La IOMR, PMA, MR e MRII non danno idea di cosa succeda con venti leggeri o con venti forti. Per prima, la velocità in venti leggeri può essere calcolata con:
Nei venti leggeri, il rapporto potenza/superfice bagnata è molto importante e il peso in queste condizioni è una grande penalizzazione. Nel precedente esempio del trimarano di 40':
 Così, sebbene il "regata" stia facendo 3 Kn, il "crociera" starà facendo 2,58 Kn. Se il peso di un'altro trimarano di 40' con LWL e superfice velica simili è di 5 Tonn. (che è abbastanza possibile) questo farà solo 2,2 Kn e, se il peso fosse 5 Tonn. ma la superfice velica di 650 sq.ft invece di 850 sq.ft., questo farà 1,79 Kn.

La Figura 2 mostra l'MRII più il LWF per tutte le barche della Fifura 1. La differenza tra i leggeri "regata" e i pesanti "crociera" è più marcata in queste condizioni.
Per lo standard attuale, per essere in grado di vincere una OSTAR, avete bisogno di un MRII da 1,25 a 1,5 e, per vincere in una regata con predominanti venti leggeri, un MRII più LWF di 1,65 o più alto.Si deve anche notare che le velocità sottovento è misurata per mezzo del MRII più LWF perchè nei multiscafi veloci il vento apparente in andature portanti è molto basso. Spesso nell'ordine dei 3 o 6 Kn, ed in queste condizioni il rapporto Potenza/peso è molto importante.
Venti Forti.  La velocità data da MRII e MRII piùLWF, sono validi fino al momento in cui la vela deve essere ridotta. A quel punto la stabilità della barca diventa il fattore limitante e la massima velocità è stata raggiunta. Comunque, questa non è una condizione semplice da calcolare e dipende da molti fattori. La formula semplice per la stabilità è :

Dove 1/2 B è la metà della distanza tra la linea centrale degli scafi (cat) o degli amas (tri), C.E.è la distanza tra il centro velico e il centro di gravità, VA è la velocità del vento apparente in Mph che può rovesciare la barca in acque calme.
Nel caso di Livery Dole III, con tutta randa e fiocco, VA è 35 Mph. Comunque in navigazione, la spinta dinamica delle onde che passano sotto lo scafo trasmetterà un momento rotatorio all'intero scafo e la vela dovrà essere ridotta prima.

Dislocamento Apparente. Se la velocità della barca (al limite della stabilità) è calcolata secondo l' MRII, la massima velocità che può essere raggiunta su Livery Dole IIi, a questo punto, dovrebbe essere di 33.9 Kn, ma questo non tiene conto della forza di sbandamento che deriva dalle vele. Come la barca sbanda ad un massimo di 22°, quando lo scafo principale si solleva, l'intera barca sopporta un incremento nel dislocamento apparente dovuto alla coppia sbandante delle vele (FD), guardate la Figura 3. Nel Caso di Livery Dole III, l' FD raggiunge un massimo di 1,3 Tonn.Usando il dislocamento apparente in MRII otteniamo una velocità massima di 31,3 Kn.
Comunque la forza di sbandamento è associata con una forza laterale di 3 Tonn che deve essere contrastata dalla portanza della deriva. La deriva è anch'essa ad un angolo di 22° dalla verticale, cosi che la pressione idrostatica della deriva decrementerà la forza di sbandamento dello scafo principale di FD.

Lo scafo principale si solleverà prima di quanto indichi il semplice calcolo di stabilità. Se il calcolo attuale viene eseguito per Livery Dole III, potrà mostrare che il momento raddrizzante, come lo scafo principale si solleva, è ridotto approsimativamente metà FD a causa di quest'effetto. Usando questo nuovo valore per il momento raddrizzante, il limite di stabilità si raggiunge a 33 Mph, con una corrispondente massima velocità di 28,7 Kn che è esattamente la massima velocità raggiunta nel reale.

Utilizzo del pieno potenziale della barca. Come ho menzionato prima, pensavamo che incrementando la superfice velica e diminuendo il peso, la barca potesse andare più veloce,  e mentre questo è vero con un certo limite in condizioni dal vento leggero a moderato, è certamente provato che non sia il caso in regate come la Ostar, dove le prestazioni controvento e l'integrità strutturale sono di vitale importanza.
In questi giorni quando i trimarani sono progettati con amas con meno del 100% del dislocamento totale, la vela deve essere ridotta prima che sia stato raggiunto il pieno potenziale dell'attezzatura. Questa era una seria limitazione alla velocità, ma ha significato che una barca leggera con una grande superfice velica non doveva essere sovrastressata, e apparve che la tendenza sarebbe continuata. Comunque, non appena aumentammo il galleggiamento degli amas al 130% (nel caso di Great Britan IV), ma mantenedo ancora una una grande superfice velica su una barca veramente molto leggera  trovammo immediatamente che la potenza che la barca poteva sviluppare era eccessiva per la struttura. Tenedo a mente che la pressione sulle vele è pari al quadrato della velocità del vento. Per esempio, se Brittany Ferries ha un ama con il 90% di galleggiamento, invece del 140%, la vela dovrebbe essere ridotta quando la spinta sulle vele raggiunge 3,88 Tonn., ma con un ama al 140% , quando la spinta sulle vele è di 5,58 Tonn..
Un aumento del 44%, , così,  incrementando il galleggiamento degli amas, i carichi dell'attrezzatura possono essere  incrementati di circa un'altra metà. Così, al fine di utilizzare il pieno potenziale della barca, questa deve essere più rigida, più resistente e pertanto, più pesante.

Stabilità diagonale. Con amas più larghi, un'altro problema molto più serio viene alla luce  in relazione al centro di galleggiamento degli amas e di come questo ha effetto sulla qualità longitudinale dello scafo principale. Una volta che le barche sono capaci di sviluppare il 50%  in più di potenza, la stabilità diagonale diventa il fattore limitante da raggiungere. La Figura 4 mostra come si muove il centro di sforzo come le vele sono lascate.

Quando si poggia dal navigare stretti controvento per raggiungere la massima potenza, troviamo che se il centro di gallegiamento (C.B.) dell'ama non si muove in avanti abbastanza quando il galleggiante è premuto più profondamente nell'acqua, l'intera barca tenderà a ruotare lentamente in giù e, alla fine, il timone sarà incontrollato causando una spettacolare e repentina straorzata.
La posizione del galleggiamento degli amas può essere controllata dalla sezione, in modo che come il galleggiante è pressato più forte, il C.B. si muova in avanti, come mostrato nella figura 5. Una volta che avete una barca capace di navigare con lo scafo principale che sfiora la superfice dell'acqua, è essenziale che la barca possa dirigere la prua quando questa sbanda. Se questa mantiene la sua posizione orizzontale, il timone salirà dall'acqua come lo scafo principale si solleva. Costringendo la prua a sollevarsi prima della poppa, il timone perderà il contato con l'acqua per ultimo.

Prestazioni controvento. Navigando duro sottovento questa rotazione in su della prua permette allo scafo principale di generare molta più portanza dinamica e mantiene le traverse anteriori fuori dalle onde mentre il momento rotatorio generato dall' amas ha un notevole effetto nello smorzare il beccheggio. Uno dei problemi più significativi nelle barche molto leggere con una grande superfice velica  nell'andare controvento in condizioni di vento da moderato a forte era , a parte il beccheggio (che adesso può essere in buona parte controllato dagli amas), il momento  che in una barca leggera è basso.  Al fine di essere in grado di navigare attraverso i flutti uno tende a tenere su più vela per mantenere la velocità di avanzamento ed evitare che le onde fermino la barca, il risultato finale è che l'attrezzatura comincia presto a strapparsi dallo scafo.E in una barca che sia capace di sviluppare il 50% in più di potenza a causa della dimensione dei galleggianti, il controllo dell'attrezzatura si perde a causa della extra flessione associata al maggiore carico di pressione.
La lezione è non essere troppo leggero a spese della resistenza e della rigidità, se volete una barca all-around. Se andrete a navigare sottovento o in prevalenti arie leggere dovreste riuscire a spuntarla con un rapporto potenza/peso molto alto. D'altro canto, se potete affrontare la tecnologia più costosa, è possibile disegnare una barca leggera che sia forte abbastanza e poi aumentare il peso con zavorra d'acqua.

Pitchpoling. La maggior parte di rovesciamenti in regata è dovuto al pitchpoling. Prendete il caso di una barca che stia navigando sottovento  con spinnaker in 30 Kn di vento reale. La barca può star facendo da 20 a 24 Kn in modo regolare, improvvisamente questa surfa in una mare ripido e affonda la prua. La Figura 6 mostra le forze quando sta rapidamente decelerando.
Le forze in causa nel pitcpole sono
1. Il momento angolare della barca che ruota sulla prua dipende dalla decelerazione
2. La spinta del mare contro il la coperta anteriore
3. il repentino aumentare della pressione sullo spinnaker e sulla randa
4. la forza di sollevamento delle onde sulla poppa.
 

 L'unico momento di forze disponibile per contrastare questo è il peso della barca moltiplicato la distanza tra il centro di gravità (W) ed il centro di galleggiamento(CB) della parte immersa degli scafi. Se la prua affonda a 20 Kn e una superfice di 9 sq.ft (circa 0,83 m2)di coperta si sommerge, la spinta può essere di 3.000 lbs (circa 1360Kg)o più.
Nel frattempo, come la barca decelera, la spinta sullo spinnaker aumenta del quadrato del vento apparente. Questo può facilmente aumentare da 6 a 20 Kn che  può causare un decuplicare della pressione su un  braccio di leva di metà  altezza dell'albero.

Noi ignoriamo quanto ai punti 1 e 4, in una barca di 40', se il centro di galleggiamento si muove in avanti di 3' quando la prua va giù, i valori potrebbero essere in quest'ordine di grandezza:
Momento massimo della coperta sommersa  45,000 ft lbs
Decremento al rallentamento della barca           15,000 ft lbs  (A)
Momento dello spinnaker 5,000 ft lbs
Aumento al rallentamento della barca          45,000 ft lbs (B)
Totale massimo momento rotatorio          60,000 ft lbs (A+B)

Se il dislocamento della barca è di 6,500 lbs il momento raddrizzante di contrasto  sarebbe di 19,500 ft lbs. Così, anche senza i punti 1 e 4, la barca si ingavonerà molto presto. Se lo spinnaker viene tolto la barca si riprende.
E' ovvio che se si può prevenire l'affondamento della coperta , la primaria causa di ingavonamento sarà rimossa. Per primo, l'effetto rallentante (inizialmente 8,000 lbs nell'esempio sopra) sarà rimosso e se la barca non si rallenta allora la pressione sullo spinnaker non aumenterà. L'altro fattore di vitale importanza è che il centro di galleggiamento si muova più avanti possibile come la prua precipita giù. Considerando i fattori 1 e 4, è ovvio che una prua ben svasata e una  poppa stretta aiuteranno a prevenire il pitchpoling.
E' anche importante che la svasatura abbia inizio ragionevolmente vicino alla linea di galleggiamento per rallentare il momento rotatorio.
Se la riserva di galleggamento nella prua è  proprio al livello della coperta non potrà mai essere usata prima che la coperta vada sotto. Inclinare la prua in avanti e svasare lo scafo in basso sono le più valide vie di prevenire il pitcpoling.
E' possibile un buon rapporto di riserva di galleggiamento in avanti al dislocamento e l'area dello spinnaker per arrivare a limiti di sucurezza. Al presente il fattore di sicurezza permesso è a cura di ogni singolo progettista ma se le barche continueranno ad ingavonarsi dovremo incorporare dei limiti di sicurezza nei regolamenti  di rating.

Conclusione. Ho tentato di soffermarmi sui trimarani in riferimento all' ottenimento di prestazioni. E' interessante notare che nel caso di una catamarano da regata il massimo grado di sbandamento sarebbe più o meno nell'ordine di 5° invece di 22° per i trimarani. A 5° la spinta al rovesciamento delle vele è irrilevante e quindi il dislocamento apparente non aumenta. Questo dà al catamarano da regata un vantaggio superiore nel risalire, quando navighi vicino al limite. Comunque, il trimarano ha le migliori performances in arie leggere come risultato dall'avere meno superfice bagnata quando naviga orizzontale. Il vantaggio (dei cat) quando si risale può essere pareggiato e/o annullato  usando dei folis per consentire al trimarano di navigare tutte le volte in  orizzontale. Sto pertanto sviluppando un sistema di foils per i miei progetti di trimarani da regata. Come sviluppiamo la conoscenza dei materiali e delle strutture le barche possono essere fatte più larghe senza aumentare il peso, questo aumenterà la massima velocità e migliorerà le prestazioni controvento. Mi sembra logico aumentare la lunghezza dei galleggianti a vicino  a quella della L.O.A. della barca. Così uno scafo sottile può essere disegnato con molto dislocamento e può essere aumentata la stabilità diagonale. Ma molto importante è che l'effettiva L.W.L.  in navigazione veloce sia prossima alla L.O.A.. Negli anni passati abbiamo dimostrato che il raggiungimento in sicurezza di ambiti di velocità superiori sia più che  solo una questione di aumentare il rapporto potenza/peso.
Il disegno delle barche stesse deve cambiare affichè questa potenza sia totalmente utilizzata. E' solo portando le barche da regata al loro limite che sono venute alla luce imperfezioni di progetto  che sarebbero state riportate nei progetti da crociera. Se spingiamo il limite delle prestazioni sempre più in alto, allora raggiungiamo margini di sicurezza per il crocierista che non spingerà mai così a fondo. Molti crocieristi dicono " non sono interessato alle prestazioni". Io credo che dovrebbero esserlo. Una barca che in sicurezza  possa essere condotta alla massima velocità  sarà più sicura e confortevole in crociera e non c'è migliore test per un progetto che regatare in una tempesta.
 
 

John Shuttleworth