Considerazioni Progettuali sui Multiscafi circa le loro Capacità Marine di John Shuttleworth per gentile concessione dell'autore e-mail : john@jshuttleworth.fsnet.co.uk sito web: http://steamradio.com/JSYD/default.html

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Teoria
Questo articolo valuta come un multiscafo si comporta sulle onde rispetto al rullaggio ed al beccheggio. La stabilità è valutata sia in relazione al vento ed alle onde. In particolare sarà fatto riferimento al lavoro del Prof Marchaj “Seaworthiness the Forgotten Factor” (Le qualità marine di una barca). I multiscafi sono studiati con gli stessi criteri con cui nel libro sono valutati i monoscafi  , facendo un chiaro confronto   tra vecchi e nuovi progetti di multiscafi e i monoscafi, con particolare riguardo al rovesciamento per onde e vento.
Altri fattori che influenzano la marinità come il beccheggio, il surfing, il rullaggio, lo yawing (ndr vedasi “I movimenti della barca”) sono altresì trattati.

Viene presentata un’analisi vettoriale dalle forze di portanza/resistenza che agiscono su un multiscafo  ed ogni fattore come la resistenza dello scafo, superficie esposta al vento, efficienza della chiglia e dell’attrezzatura ecc sono direttamente messi in relazione alla capacità di stringere il vento.
Questi fattori sono riferiti a diversi tipi di multiscafi ed è chiaramente dimostrato perché i vecchi multiscafi non stringevano bene il vento, e perché invece quelli moderni lo fanno.
Viene presentato e riferito a progetti reali un metodo per calcolare la velocità del vento alla quale uno yacht smetterà di risalire il vento  con la analisi di come migliorare l’abilità controvento in condizioni di burrasca e quindi come migliorare la “marinità”.
Sono presentate inoltre: una breve analisi sulle moderne tecniche di costruzione per diminuire la fatica dei materiali e le grandi concentrazioni di stress nonché gli effetti di danno da collisione con una nota di come il CAD può essere usato per migliorare l’aerodinamica di una barca al di sopra dell’ acqua.

Capacità marina - concetti di base
La marinità di una barca, nel senso più ampio, è la capacità di una barca di assicurare sicurezza e confort al proprio equipaggio in tutte le condizioni metereologiche. Il concetto di marinità non deve essere  considerato solo come condizione di sopravvivenza in una tempesta poiché le imbarcazioni possono   essere perdute sia in condizioni moderate  che  sotto tempesta.
Gli effetti della fatica nei materiali di costruzione e nell’attrezzatura possono risolversi in un cedimento in venti moderati, e la fatica dell’equipaggio dovuta a movimenti estremi può risolversi in un errore di valutazione o l’esaurimento molto prima che si sia verificata una situazione pericolosa.
La collisione per esempio può avvenire in qualsiasi momento ed è un motivo di perdita di molti yacht e, secondo me, un pericolo maggiore che una tempesta.
I
n queste pagine spiegherò alcuni dei molti fattori che influenzano la marinità dei multiscafi, comprendendo le capacità in controvento, la stabilità, il moto sulle onde e rollio e beccheggio. Spiegherò come la costruzione può essere progettata per ridurre le concentrazioni di stress e di come la fatica dei materiali è presa in considerazione.
Indicherò come differenti multiscafi possono essere resi sicuri in caso di collisione in mare. Lungo il percorso mostrerò come il computer può aiutare nel disegno di forme di scafo per controllare il beccheggio, prevenire tendenze all’affondamento della prua e migliorare la forma aerodinamica.

Il lavoro più approfondito sulla marinità negli yacht moderni è dovuto a “Seaworthiness the Forgotten Factor” di C.A. Marchaj. Sfortunatamente il libro si concentra quasi esclusivamente sul disegno del  monoscafo e molto poco è detto sui multiscafi. Poiché lo spazio è limitato, non ridefinirò le formule e i criteri per la marinità, che sono chiaramente spiegate nel libro, invece andrò direttamente a mostrare come un multiscafo si inserisce in questa rappresentazione.
Leggendo Seaworthiness the Forgotten Factor non posso fare a meno di pensare costantemente  quanti pochi dei vizi e problemi attribuiti ai monoscafi riguardino i multiscafi moderni.

Durante gli ultimi 20 anni sono apparsi una quantità di diversi multiscafi  tutti con differenti caratteristiche di navigazione e qualità marine. C’è stato un netto miglioramento nel comprendere i fattori richiesti per rendere un multiscafo sicuro e veloce, producendo barche che sono estremamente marine, come sarà dimostrato nelle seguenti analisi
I fondamentali tipi di multiscafi sono elencati di seguito.

Ovviamente questi sono i casi estremi, e molte barche andranno a cavallo di più categorie.Questo  raggruppamento rappresenta un ordine cronologico solo in modo molto generale. Barche che hanno alcune delle caratteristiche dei tipi più moderni possono essere trovate in multiscafi il cui disegno data più di 1000 anni. D’altro lato barche di tutti i tipi sono ancora progettate e costruite.  Da un punto di vista soggettivo, la sequenza  qui proposta segue strettamente la mia personale esperienza di navigazione e progettazione.  Dapprima ho traversato l'Atlantico circa 17 anni fa sui “tipo 1”, più tardi l’ha attraversato di nuovo sui “tipo 2” e pochi anni fa sui “tipo 3”  . Recentemente la maggior parte dei miei viaggi oceanici di lunga distanza sono stati a bordo di catamarani del “tipo 6”. Per cui le “generazioni” sono più applicabili a me stesso che ad un criterio generale, sebbene molti osservatori dello sviluppo dei multiscafi moderni siano d’accordo con le grandi linee dei singoli tipi.
La chiglia nel senso usato qui sotto è un’appendice per resistere sottovento. La chiglia non è zavorrata come nei monoscafi e può essere fissa, retraibile sia verticalmente che basculante. Il termine  amas designa  gli scafi esterni dei trimarani , altresì spesso chiamati  “outriggers”,o designa lo scafo piccolo dei proa.
 

1) Il tipo più vecchio di trimarani; Relativamente pesanti. Molta superficie al vento. Inefficienti idrodinamicamente e nella forma della chiglia, spesso sia con chiglia fissa che del tutto senza. Piccola superficie velica. Spigoli vivi e molta superficie bagnata. Scarso controllo del beccheggio, Media volume di galleggiamento degli amas ( circa il 110% del dislocamento della barca). Gli amas di solito erano contemporaneamente entrambi in acqua  . Baglio stretto (rapporto lunghezza/baglio = 2). Costruzione spesso incerta, spesso in fogli di compensato. Bassa resistenza alla fatica di lungo termine..

2) seconda generazione di trimarani Diventano più leggeri. Piani velici più ampi. Minori spazi interni. Basso  volume di galleggiamento degli amas (dal 75 al 90%). Baglio largo (Lunghezza/baglio =1,3) Superficie al vento considerevolmente ridotta. Miglioramento nel progetto della struttura.

3) trimarani di Terza generazione. Peso leggero (dovuto all’uso di materiali compositi).Grandi superfici veliche. Baglio ampio (Lunghezza/baglio  da <1,5 a meno di 1.0 nelle barche più piccole). Amas a grande volume di galleggiamento (fino al 200% del dislocamento). Beccheggio molto ben controllato per mezzo dell’uso di differenti forme di scafo tra quello principale e gli amas. Miglioramento delle capacità di navigazione in tutte le condizioni di vela. Bassa superficie al vento. Netto miglioramento nelle strutture dovuto all’uso del CAD e la migliore conoscenza dei materiali compositi.

4) I primi Catamarani. Relativamente pesanti. Baglio stretto (Lunghezza/baglio spesso oltre 2). Poca superficie velica. Forme immerse inefficienti  e chiglie fisse di basso profilo.Catamarani da crociera molto pesanti per gli standard attuali. Ampie e piatte finestrature nella cabina determinavano molta superficie al vento. Spesso erano facili al dondolamento e al beccheggio dovuto alla forma a dondolo e la simmetria degli scafi.

5) Catamarani di seconda generazione. Progetti a ponte aperto. Tutto lo spazio abitabile confinato negli scafi. Superficie esposta al vento molto ridotta. Forme di chiglia molto migliorate; derive retrattili. Larghe poppe e fini prue che causavano la tendenza a affondare la prua di bolina.Prestazioni controvento molto migliorate. Controllo del beccheggio ancora scarso; qualche tentativo di ridurlo usando prue a bulbo. Più larghi dei primi tipi. Pani velici maggiori.

6) Catamarani di terza generazione. Progetti con ponti aperti, con grande spazio di accomodamento negli scafi. Dondolamento eliminato dalla forma degli scafi. Affondamento della prua in bolina eliminato. Superficie al vento in gran parte ridotta per mezzo dell’arrotondamento e delle forme aerodinamiche dei fianchi della coperta. Potenti ed efficienti attrezzature.Derive e timoni sofisticati e rettraibili. Scafi con superfici bagnate minime. Prestazioni controvento eccellenti; Movimento sull’acqua veloce e facile. Molto stabili e baglio molto largo (L/B <1,5). Miglioramento del disegno della struttura come per i trimarani.

7) Catamarani di quarta generazione. Fondamentalmente come il tipo 6 ma con cabina di ponte molto aerodinamica per una grande abitabilità e bassa superficie al vento. Peso leggero mantenuto ma con grande capacità a portare peso per la crociera veloce.

8) Altri tipi.I proa (Atlantici con ama sul lato sottovento e Pacifici con ama sul lato sopravvento) e trimarani con foils. In generale questi sono modelli sviluppati solo per le regate e hanno problemi speciali che richiedono particolari conoscenze, esperienza e abilità di conduzione per la sicurezza. Per mancanza di spazio in questo articolo questi tipi non saranno trattati in nessun loro dettaglio .

Sebbene mi concenti specialmente sui progetti da crociera, molti dei concetti di progettazione derivano da progetti da regata di successo.
Infatti i progetti da regata che spingono al limite le prestazioni sono un test eccellente per le barche da crociera, particolarmente i regata progettati per le grandi manifestazioni d’altomare come la OSTAR e la 2star, che sono entrambe prevalentemente controvento attraverso il Nord Atlantico . In queste regate, la facilità di governo e di navigazione, la capacità di andare controvento, l’integrità della struttura e la marinità sono di suprema importanza.

E’ interessante notare che questo miglioramento, con il conseguente enorme aumento delle qualità marine e della velocità, ha avuto luogo nello stesso periodo nel quale si sono deteriorate le qualità marine dei monoscafi.
La ragione principale è che lo sviluppo dei multiscafi ha avuto luogo senza le restrizioni di alcun regolamento di rating, con il solo criterio per determinare il successo di un progetto del miglioramento la tenuta al mare e le performances generali con la conseguenza dello sviluppo di progetti di barche da crociera estremamente marini.

I movimenti della barca in navigazione e gli effetti sull'equipaggio.
Ci sono 6 forme principali di movimento in navigazione (rif.1) che  combinandosi in diversi modi  compongono il movimento dinamico di una yacht in mare
1. Rollio
Con l’eccezioni dei tipi 2 come sopra, i multiscafi sono virtualmente immuni dal rollio. Questo significa che la barca sta sull’acqua come una zattera; seguendo la superficie del mare, dando molto confort all’equipaggio in navigazione, specialmente sottovento.
Quando si trovano a secco di vele, i cat e i tri mostrano caratteristiche differenti. Inizialmente i catamarani hanno un momenti di inerzia di rollio molto alto (Ir) perché il peso della barca è principalmente concentrato sulla linea centrale degli scafi.. La spinta di galleggiamento della barca è anche questa concentrata alle estremità della linea di centrobarca, dando un forte smorzamento del rollio. I catamarani da crociera a ponte aperto beneficiano di più di quest’effetto  mentre i trimarani con amas a basso volume di galleggiamento meno.
Nei trimarani il peso è concentrato vicino al centro di gravità (CG) riducendo l’Ir e gli amas ci mettono  di più per fornire galleggiamento allo sbandare della barca  e questo riduce  lo smorzamento. In un tri con amas a basso galleggiamento questo effetto può portare al rovesciamento sotto onde (quando a secco di vele) come verrà mostrato più avanti e differenti tecniche di conduzione sono richieste per assicurare la sicurezza di questo tipo di multiscafo in una tempesta.
 2. Beccheggio e dondolamento
Molti dei primi multiscafi erano inclini al dondolamento ed al beccheggio. Questo era causato dalla forma a culla  del profilo dello scafo troppo accentuata e dalla  stretta sezione a V sia a prua che a poppa.  Con il miglioramento delle forme degli scafi tendendo verso forme ad U specialmente a poppa il beccheggio rimase ancora un problema, a causa della ampiezza delle sezioni di poppa che facevano sì che il mare  alzasse le poppe al passare della barca sulle onde e portando la prua in giù.
Comunque noi sappiamo che il beccheggio può essere fortemente ridotto da sezioni più fini a poppa associate a un  centro di galleggiamento che si muove in avanti quando lo scafo si immerge ed all’indietro quando questo si solleva (ref 2 and 3 ). Questo effetto può essere ottenuto in entrambi cat e tri dando un movimento molto confortevole e facile nelle andature al vento. Allo stesso tempo le prestazioni al vento sono migliorate perché la direzione del  vento apparente è più stabile sulle vele.
3. Yawing.
Qualsiasi tendenza a straorzare è stata virtualmente eliminata nei moderni multiscafi per il basso pescaggio (per la forma ad U della sezione e per il basso peso) e per l’uso di derive retraibili. Una volta che la chiglia è rimossa mentre si naviga sottovento, non c’è virtualmente nessun rischio di straorzare, fintanto che non affonda il forefoot (la parte più profonda e stellata della prora). Questo effetto può essere prevenuto riducendo per prima il forefoot e guadagnando rapidamente spinta di galleggiamento nelle sezioni anteriori sopra la linea di galleggiamento.
Le simulazioni al computer dello scafo con differenti tagli di prua e a varie posizioni della linea di galleggiamento, sono adesso parte essenziale del processo di progettazione per controllare propriamente le caratteristiche di navigazione sia sopravvento che sottovento. Vedete la figura 1.( ref 4 ).
4. Surfing.
Un multiscafo può surfare facilmente, facendo veloci navigazioni in  oceano aperto. Navigando sotto  venti di più di 40 Kn è normale, confortevole e facile. Il vento apparente viene ridotto dall’alta velocità della barca. Comunque particolare attenzione deve essere riposta nella dimensione e disegno del timone per mantenere un buon controllo a velocità di planata superiori a 20 Kn.
Pale a sezione aerodinamica  a forma di vanga ellittica e bilanciata ridurranno il carico  sul timone e la resistenza alle alte velocità. Gli assi dei timoni devono essere molto forti per essere in grado di fare consistenti timonate a così alte velocità . Preferisco usare acciaio inox o titanio piuttosto che carbonio per gli assi perché all’ultimo il timone si piega se sovraffaticato invece di tranciarsi. Progetto con un fattore di sicurezza di 1,5 con timone a 90° rispetto al flusso d’acqua a 25 Kn. Questa situazione è abbastanza probabile se la barca comincia a straorzare e sbandare sotto un’onda e il timone è girato a tutta chiusura (35 gradi).
Una volta che la velocità del vento sia così forte che il planare sottovento diventa pericoloso e se la barca non fa progressi controvento o giace a secco di vele (questo può essere il caso per tipi 1,2 e 4) sarà essenziale impiegare un’ancora galleggiante per controllare la velocità della barca. Molto è stato scritto su questo soggetto e certamente è una via di sopravvivenza per un multiscafo in un forte tempesta. Dal punto di vista del progettista è essenziale fornire punti d’attacco sulle prue e sulle poppe adeguatamente forti.

5. Swaying.
Un moderno multiscafo a dislocamento leggero che sta di traverso al mare senza vele e con le derive alzate, planerà  trasversalmente con facilità su un frangente. Sarà dimostrato più avanti che questa è un’importante caratteristica nella marinità dei multiscafi sotto tempesta. I primi multiscafi con le chiglie fisse e i trimarani del tipo 2 tendevano ad inciampare sulle loro chiglie o i loro amas quando venivano colpiti da un frangente. Un baglio stretto aumentava il pericolo di rovesciamento in questa situazione.
Se il moto laterale di uno yacht deve essere fermato, per esempio a causa di un pericolo sottovento, questo può essere ottenuto sia impiegando un’ancora galleggiante o mettendo già la deriva sopravvento (questo si applica solo ai catamarani). La deriva sopravvento può funzionare come un freno senza impartire un momento rotatorio alla barca. Se la barca non ruota, questa non si rovescerà.
6. Heaving.
Questo è un problema complesso da definire per un multiscafo, perché i due scafi immersi stanno in punti diversi di un’onda ad ogni momento dato. Nondimeno sono meno affetti dall’heaving dei monoscafi perché gli scafi sono più stretti, permettendo alla barca di tagliare l’onda in navigazione . Perdita di dislocamento apparente sulla creste delle onde e momento rotatorio impartito dell’effetto heaving sullo scafo sopravvento favoriranno il rovesciamento di un multiscafi sovrainvelato a causa del vento e l’azione delle onde. Del rovesciamento favorito dall’heaving  si è fatta esperienza particolarmente nei trimarani del tipo 2 e i catamarani del tipo 4. Questo è di particolare importanza e ne tratteremo più diffusamente nella prossima sezione.
Stabilità
Questo è generalmente un soggetto molto contestato e un pò incompreso quando si discute di qualità marine dei multiscafi ed è probabilmente la più grande paura che i marinai inesperti hanno riguardo a questo tipo di imbarcazioni.
Mentre è vero che alcuni multiscafi si sono rovesciati, è chiaro da quanto sopra che ci siano differenti tipi di multiscafi, e non di meno ci sono differenti modi nei quali questi possono rovesciarsi. Tenterò di mostrare che attraverso accurate analisi e con la reale comprensione dei fattori che contribuiscono alla vulnerabilità al rovesciamento, sia possibile progettare un multiscafo che sia estremamente difficile da rovesciare e uno che sia sicuro in tutte le condizioni.(Tenete a mente che fuori da qui ci può essere un’onda che può sopraffare qualsiasi imbarcazione)
Stabilità dinamica (al vento)
La stabilità statica è una misura della stabilità della barca in acqua ferma ed è data dalla seguente formula: (Rif.2)

Ci sono due fattori che possono ridurre SF. Primariamente se la barca ha un alto angolo di sbandamento al punto di massima stabilità,(peggiore nei trimarani del tipo 2 e minima in tutti i catamarani) il corretto SF  è dato sostituendo B nella 1 con la larghezza fuori tutto x il coseno dell’angolo di sbandamento. Tipici valori di SF possono variare tra 12 Mn/h per un catamarano da regata Formula 40 ad oltre 40Mn/h per multiscafi da crociera. I moderni e leggeri crociera/regata possono stare in un arco tra 24 e 30 Mn/h. E’ chiaro pertanto che a seconda dei differenti tipi di multiscafi elencati più sopra la stabilità iniziale può variare enormemente.
La Curva di stabilità e la stabilità in mare mosso
Il momento raddrizzante è la distanza dal centro di galleggiamento al centro di gravita x il peso apparente dell’imbarcazione. Questa è la propria fondamentale  resistenza statica allo sbandamento. Le forze che fanno sbandare la barca possono venire dal vento o dalle onde.
La figura 2 mostra le curve del momento raddrizzante per  l’angolo di sbandamento per un tipico moderno catamarano e trimarano di 35’ regata/crociera di mio progetto. Il trimarano (del tipo 3 con amas ad alto volume di galleggiamento) ha una larghezza fuori tutto di 32’ e il catamarano (del tipo 6) una larghezza di 23’. Il trimarano ha meno spazi interni ed è più leggero del catamarano ma, per la maggiore larghezza ha una stabilità massima più grande. E’ importante notare che la massima stabilità del trimarano si verifica ad un angolo di sbandamento di  circa 20°, mentre il catamarano ha il massimo a circa 6°. Se il galleggiamento degli amas è ridotto a meno del 100% del peso della barca ( come nel tipo 2), la stabilità massima sarà ridotta non solo in proporzione alla riduzione di volume dell’ama, ma anche per l’effetto di aggiunta di dislocamento apparente per la pressione sottovento delle vele ad alti angoli di sbandamento. A 20° questo causerà una perdita di momento raddrizzante nell’ordine del 20%. Se il volume di galleggiamento fosse solo l’80% , il momento raddrizzante sarebbe solo del 60% di un equivalente  trimarano del tipo 3.
La figura 3 mostra le stessa curve del  momento raddrizzante di un catamarano e di un monoscafo moderno da regata/crociera. L’energia richiesta da applicare all’imbarcazione per farla rollare da 0° al punto di rovesciamento (90° nel catamarano e 135° nel monoscafo) è data dall’area circoscritta dalla curva. Dal grafico è chiaro che l’energia richiesta per rovesciare il catamarano sia del 50% più grande che nel monoscafo. Naturalmente in entrambi i casi l’angolo iniziale di sbandamento  ridurrà la riserva di stabilità disponibile, e nel trimarano questa riduzione di energia di resistenza al capovolgimento sarà più grande che in un catamarano. L’energia per capovolgere un trimarano a 90° è maggiore di una catamarano a condizione che sia del tipo 1 o del tipo 3.
Comunque in tutti i casi, perché si verifichi il capovolgimento, l’energia del vento e delle onde (uguale all’area sotto la curva del momento raddrizzante) deve essere trasferita all’imbarcazione sotto forma di energia di rotazione. Nelle sole onde, se l’energia dell’impatto delle onde non è trasformata in energia di rotazione la barca non si rovescerà.
La seguente tabella mostra il dislocamento del catamarano del trimarano e del monoscafo considerati nel grafico.

Per primo consideriamo l’azione isolata delle onde. I test nella vasca hanno dimostrato che il rovesciamento dovuto all’azione delle onde non frangenti è impossibile.Pertanto quando un’imbarcazione giace a secco di vele l’impatto delle creste frangenti è la primaria forma di energia che si introduce nel sistema che può essere trasformato  in energia di rovesciamento. Un multiscafo segue il fianco dell’onda esattamente come una zattera come mostrato nella figura 4. Comunque, poiché il galleggiamento ed il peso dell’imbarcazione sono concentrati alle estremità della larghezza (particolarmente nei cat del tipo 6), i multiscafi saranno più stabili al rollio che una semplice zattera. L’equazione 2 dà l’energia d’impatto trasferita alla barca dalle onde.
fig. 4.

.......................................... 2

.......................................... 3

 Ei = energia trasferita durante l’impatto
 Mi = Momento dell’impatto
 Ir  = Momento rotatorio d’inerzia della barca
 Ia = Inerzia dell’acqua caricata dallo scafo ( nota come massa aggiunta)
 t= tempo
 d=densità dell’acqua di mare
A= area della sovrastruttura dello scafo
Cd= coefficiente di resistenza dello sovrastrutture dello scafo
r=braccio del momento dell’impatto
vi=velocità dell’impatto

L’equazione sopra mostra che in molti multiscafi, l’energia d’impatto non è trasferita in rotazione ed infatti virtualmente tutta l’energia è assorbita dallo scivolamento(surfing) laterale. Questo è esattamente lo stesso effetto che salva i più vecchi tipi di monoscafi dal rovesciamento da onde, l’unica differenza è che il monoscafo prima che la chiglia sia quasi parallela alla superficie dell’acqua  e quindi si riduca il braccio di leva (r)  permettendo all’energia di dissiparsi nel movimento laterale, dovrà sopportare uno scontro violento
Il multiscafo che viaggia peggio in questa situazione è il trimarano con amas a poco volume di galleggiamento. Quando un’onda colpisce il lato della barca, dapprima rollerà più rapidamente e molto di più di un cat e se l’ amas si immerge al punto di affondare e quindi interrompendo il movimento laterale, tutta l’energia sarà trasferita nella rotazione e un rovesciamento è possibile. Anche avere chiglie fisse o lasciare abbassata la deriva sottovento aumenterà grandemente il rischio di capovolgimento da onde per tutti i tipi di multiscafi.

Naturalmente il problema può presentarsi quando sia necessario limitare la deriva laterale della barca per esempio quando ci sia un pericolo sottovento. In un catamarano questo può essere facilmente risolto con sicurezza abbassando la deriva sul lato sopravvento. Tutti gli altri tipi devono usare una ancora galleggiante. La scelta se filare l’ancora galleggiante da prua o dal lato dell’imbarcazione dipende dal tipo di barca e dalle condizioni. Diverse persone hanno scritto sull’argomento compresi i Cassanovas e Dick Newick, i quali entrambi hanno usato e sostengono questo metodo per controllare lo scarroccio e il rollio in condizioni di tempesta.

L’azione del vento e delle onde
Quando l’azione del vento e delle onde sono combinate insieme , un catamarano è più vulnerabile di un tri, perché quando una barca sta navigando a vela l’azione di sollevamento dell’onda sullo scafo sopravvento impartisce un momento rotatorio alla barca, riducendo la riserva di energia residua indicata dal grafico del momento raddrizzante della fig.2. Se la barca ha una bassa stabilità statica e viene fatta navigare vicino al limite, con le derive abbassate è possibile che si rovesci per onde e con una velocità del vento che sarebbe sicura in acque spianate. I catamarani sono più vulnerabili dei tri perché in generale la stabilità statica dei cat è minore di quella di un Tri equivalente.
Questa è la ragione  principale per la quale i tri sono considerati più sicuri per le regate dure in quanto possono navigare al massimo in mare molto mosso e con un margine di sicurezza maggiore. D’altro canto questa è una ragione molto buona per costruire cat più larghi possibile per aumentare la stabilità statica e quindi aumentare la possibilità di portare vela con sicurezza.
Capacità di risalire il vento
Un’altra area   tradizionale di modeste prestazioni nei multiscafi è la loro abilità a risalire il vento. Infatti è vero  che i più vecchi tipi di multiscafi (del tipi 1 e 4) dovevano bordeggiare tra 100 gradi e più e avevano una capacità di stringere il vento molto inferiore rispetto ai monoscafi .
La capacità di risalire è una misura della marinità molto importante e può essere vitale se c’è un pericolo sottovento in una tempesta. A parte la necessità di migliorare le prestazioni in regata, è essenziale disegnare multiscafi con capacità di andare sopravvento molto migliorate. Non è sufficiente essere capaci di navigare veloci in andature portanti.
Per capire come i moderni multiscafi siano così buoni sopravvento, dobbiamo guardare il diagramma di forze che agiscono su uno yacht quando sta navigando in modo fermo e
bilanciato. Guardate la figura 5.
 

FT=La forza aerodinamica totale e RT = la forza idrodinamica totale risultante. Si dice che la barca è bilanciata quando FT=RT. Si può dimostrare facilmente da questo diagramma che EA+EH=beta)
e dove:
EA + EH = (beta) ......................................4

and where:

....................5
..................6
..................7
Dove
EA=angolo di resistenza aerodinamica
EH+angolo di resistenza idrodinamica
CL=coefficiente di portanza delle vele
Cd= coefficiente di resistenza delle vele
VA=Velocità del vento apparente
SA=superficie velica
CS=Coefficiente di forza laterale
Vb=velocità dell abarca
A=area della chiglia
il diagramma e l’equazione ci dicono semplicemente che se noi possiamo  migliorare il rapporto portanza/resistenza  dell’attrezzatura, noi miglioriamo la capacità di stringere. Ma quello che è più significativo è che noi possiamo calcolare esattamente di quanto possiamo migliorare la capacità di stringere per mezzo del miglioramento della portanza/resistenza.

Per prima l’attrezzatura e la resistenza aerodinamica
Il diagramma polare di una tipica attrezzatura a sloop  è mostrata sovrapposta sullo yacht nella fig.6 (Rif.6  7). La linea continua rappresenta la sola portanza/resistenza delle vele, e la linea tratteggiata è la portanza/resistenza  quando la resistenza parassita della parte al vento dello scafo è presa in considerazione. In un multiscafo la resistenza degli scafi è molto alta e la seguente equazione ci permette di calcolare la resistenza totale delle vele e dello scafo (Rif.5)

Cdp = CP x AP / SA ..............8

CdTOT = Cdp + Cd ...............9
Cdp=coefficiente di resistenza di elementi parassiti relativi alla superficie velica
Cp=coefficiente di resistenza parassita dei singoli elementi.
Ap=Area degli elementi parassiti
CdTOT=Coefficiente totale di resistenza aerodinamica per l’intera barca+attrezzatura

I fatto importante da notare nelle equazioni 8 e 9 è che il coefficiente della resistenza parassita (Cdp) è inversamente proporzionale alla superficie velica. In pratica questo significa che  se la superficie velica viene ridotta, l’effetto della resistenza parassita aumenta e quindi aumentando l’angolo di resistenza aerodinamica e riducendo la capacità di stringere il vento. La capacità di stringere il vento  viene ridotta anche se viene aumentata la superficie dello scafo esposta al vento . In pratica un catamarano con ponte aperto del tipo 6 ha CdTOT=0,33, mentre l’aggiunta di una cabina di ponte con pareti piane aumenterà il Cdp del 35%. Questo determina un CdTOT (inclusa la cabina di ponte)=0,39.
Se questo aumento viene indicato sul diagramma polare nella fig.6 questo mostrerà un aumento in EA di 3 gradi. Questo significa che la barca virerà con 6 gradi di più. Se il Cp della cabina di ponte può essere ridotto da 1,2 (coefficiente di una superficie piana) a 0,3 per mezzo di accurato disegno aerodinamico, Cdp aumenterà solo dell'8,7% determinando una perdita in angolo di virata di solo 1 grado. Pertanto è di vitale importanza prestare attenzione alla resistenza parassita e di disegnare superfici pulite ed aerodinamiche.
Per interrompere ogni progresso della barca in direzione sopravvento l’angolo di resistenza aerodinamica deve aumentare a circa 60 gradi, e se l’effetto delle onde che battono sulla barca sottovento è compreso, questo può cadere a diciamo 55 gradi. Perché questo accada il rapporto tra portanza totale e resistenza deve cadere a 0,700. Questo è abbastanza possibile nei catamarani con cabina di ponte a pareti piatte con un coefficiente di resistenza totale (CdTOTO) di 0,392. Infatti questo accade in alcuni multiscafi quando la superficie velica viene ridotta al 27% del piano totale . Quando considerate che la proporzione normale del fiocco da tempesta e di una randa terzarolata al massimo è circa il 20% del piano velico totale, è ovvio che l’aerodinamica della barca deve essere presa in seria considerazione, non solo per migliori prestazioni in navigazione ma per le capacità marine fondamentali.
Ancora peggio nel più vecchio tipo di multiscafi dove il migliore angolo di virata era solo 100 gradi (che implica un angolo di resistenza aerodinamica da 28 a 30 gradi) era che la superficie velica deve essere ridotta solo al 36% prima che si perdesse la capacità di risalire il vento. E’ stato provato che questo era il caso di molti dei progetti più vecchi.
Computer Aided Design
Adesso abbiamo la capacità di progettare uno scafo e coperta  per un completo multiscafo direttamente su uno schermo di computer (ref 4). Il computer ci permette di ruotare lo scafo e disegnare sezioni ad ogni angolo con lo scafo. Possiamo  quindi vedere la forma che il vento dovrà  percorrere nella esatta direzione con la quale il vento colpisce la barca. Ricordate che il vento non viene mai dal punto morto in una barca a vela. Infatti la barca in realtà si muove obliquamente attraverso l’aria, al meglio il vento percorre la barca ad un angolo di circa 30 gradi con la prua.

Resistenza Aerodinamica
Se applichiamo lo stesso trattamento alla forma sommersa ed alla chiglia di una multiscafo sovrapponendo i risultati di test in vasca sulla barca, allo stesso modo come noi facciamo per le vele nella figura 6, troviamo che l’effetto della resistenza della chiglia e dello scafo sulla capacità di stringere il vento è come segue:

• 25% diminuzione della efficienza della deriva=perdita totale in angolo di virata di 5 gradi
• Peso del doppio scafo=perdita totale in angolo di virata di 6 gradi

• 16% diminuzione della superficie velica=perdita totale in angolo di virata di 4 gradi
• 35% aumento della resistenza parassita=pertita totale nell’angolo di virata di 6 gradi.

Se confrontiamo un catamarano a ponte aperto del tipo 6 con uno del tipo più vecchio, questa è esattamente il tipo di differenza nella capacità di stringere il vento che osserviamo.
Quando confrontato ad un progetto del tipo 1 o 4 il moderno multiscafo è molto più aerodinamico, con circa la metà del peso e una deriva efficiente, ampia larghezza per una maggiore stabilità e capacità di portare tela e più vela. Tutte queste caratteristiche  si combinano fra loro per dare prestazioni controvento migliori di quelle di un monoscafo di taglia equivalente.
In un vento di forza 4, un moderno trimarano navigherà sopravvento a 16 Kn virando con un angolo di 75 gradi. Mentre un catamarano da crociera a ponte aperto come lo Spectrun 42 virerà con un angolo di 80 gradi a circa 10 Kn.
L’implicazione di questo tipo di prestazioni è anche l’indicazione che i moderni multiscafi navigheranno ancora sopravvento in una burrasca molto dopo che i monoscafi abbiano dovuto mettersi alla cappa..
Infatti questa superiore capacità nelle andature sopravvento è stata dimostrata definitivamente in tutte le gare controvento del Nord Atlantico e questi è un fattore di grande significato del miglioramento delle capacità marine dei progetti moderni.

Sicurezza in caso  di collisione o rovesciamento
Sebbene sia diventato un caso estremamente sfortunato che un multiscafo propriamente progettato si rovesci, la possibilità esiste ancora, allo stesso modo che questa esiste per un monoscafo. La valvola di sicurezza di un monoscafo è che c’è la possibilità che la barca si raddrizzi da sola prima di affondare.
 Il multiscafo, d’altro canto, può diventare una sicura zattera per l’equipaggio per vivere in posizione inversa, premesso che gli appropriati provvedimenti per questa eventualità siano stati presi in fase di progetto. In termini di ultima sicurezza per un equipaggio nella più estrema tempesta - credo che un multiscafo rovesciato abitabile offra  migliori prospettive di  sopravvivenza che un monoscafo parzialmente affondato, disalberato che si è rovesciato di 360 gradi ed è in pericolo imminente di farlo di nuovo.
Se possibile andrebbero costruiti dei compartimenti stagni negli amas di un trimarano e dove sia possibile in un catamarano. Un trimarano può essere reso virtualmente inaffondabile rendendo stagne le traverse e dividendo l’ama in compartimenti stagni, in modo che se ogni sezione fosse bucata, il volume residuo sia più del 120% del dislocamento dello scafo principale. La prua dovrebbe essere foderata di schiuma ed una paratia di collisione può essere di solito posta a circa 6 piedi dietro dalla prua senza influenzare l’ abitabilità.
Le traverse strutturali di un catamarano possono essere progettate per essere stagne, con il loro volume complessivo grande abbastanza da sopportare il peso totale dell’imbarcazione. Nello spiacevole evento di un rovesciamento, questa assicurerà che la barca galleggi alta sull’acqua, che riduce lo sforzo sulla struttura e permette al’equipaggio di vivere nello scafo rivoltato. Normalmente inserisco dei boccaporti di fuga in tutti i miei progetti.

Costruzione e Fatica - Struttura integrata
Durante il suo arco di vita un multiscafo è soggetto a molti cicli di una complessa gamma di carichi, e se la barca deve sopravvivere in tutte le condizioni senza danno, accurata attenzione deve essere posta nell’evitare concentrazioni di sforzi nella struttura e alla fatica di  lungo termine  nei materiali che con la quale è costruita.

Ringraziamenti: A Richard Boehmer per la sua cortese assistenza nel rivedere questo articolo e per i suoi utili suggerimenti.

John Shuttleworth
e-mail : john@jshuttleworth.fsnet.co.uk
sito web: http://steamradio.com/JSYD/default.html

Bibliografia

* 1. Seaworthiness the Forgotten Factor. C.A. Marchaj Adlard Coles Ltd. U.K. 1986
* 2. Reflections on the Design of Brittany Ferries GB. J. Shuttleworth. Multihull International, 169 Feb '82 (33-36)
* 3. Cruising Cat for Bob Sutton. John Shuttleworth. Multihull International. 184 May '83 (116-118)
* 4. Computer Aided Design and Manufacture. John Shuttleworth. Multihulls. vol.13 no.2 March/April '87 (52-58)
* 5. Sailing Theory and Practice. C.A. Marchaj Adlard Coles Ltd. U.K. 1964
* 6. Aerohydrodynamics of Sailing. C.A. Marchaj Adlard Coles Ltd. U.K. 1979
* 7. Recent Developments in Racing and Cruiser/Racer Designs. John Shuttleworth. Multihull International. 214 Nov '85 (290-295)
* 8. Multihulls on Performance. J. Shuttleworth. Multihulls vol.10 no.1 Jan/Feb '84 (53-55)
* 9. Hull Shapes and Resistance to Motion in Cats and Tris. J. Shuttleworth Multihulls vol.9 no.1 Jan/Feb '83 (51-54)
* 10. Multihull performance Comparison and Rating Rules J. Shuttleworth. Multihulls vol.7 no.3 May/Jun '81 (43-45)
* 11. Further Developments in Performance Predictions for Multihulls. J. Shuttleworth. Multihull International. 195 April '84 (80-83)
* 12. Multihull Righting Moment: The Equations. Richard Boehmer, Multihull International 156 Dec '80 (243-246)
* 13. Righting Moment: Catamaran v. Trimaran. Richard Boehmer, Multihull International 160 May '81 (105-107)
* 14. Cruiser/Racer Multihull Design. John Shuttleworth. Seahorse. Nov/Dec '85 (56-59)
* 15. Design for Fast Sailing E. Bruce and H. Morss. AYRS 82. U.K. 1976
* 16. Multihulls Offshore, Rob James, Nautical Books, U.K. 1983.
* 17. Dynamic Stability of Sailing Multihulls. Prof. U.S. Krushkov. Edited and appended by H. A. Myers, January 1981.