La vela era considerata un passatempo piuttosto tranquillo. Ma negli ultimi anni, il mondo delle regate è stato rivoluzionato dall'arrivo dei catamarani supportati da aliscafi, noti come "foiler". Queste navi, più simile agli aerei ad alte prestazioni che agli yacht, combinare le leggi dell'aerodinamica e dell'idrodinamica per creare navi capaci di velocità fino a 50 nodi, che è molto più veloce del vento che li spinge.

Un catamarano F50 che si preparava per la serie Sail GP di recente ha persino rotto questa barriera, raggiungendo un'incredibile velocità di 50,22 nodi (57.8mph) puramente alimentata dal vento. Ciò è stato ottenuto con un vento di soli 19,3 nodi (22,2 mph). Gli F50 sono lunghi 15 metri, Catamarani aliscafi larghi 8,8 metri mossi da vele rigide e capaci di velocità così sbalorditive che Sail GP è stata definita la "Formula Uno della vela". Come fanno questi yacht ad andare così veloci? La risposta sta in alcune semplici fluidodinamiche.

Come lo scafo di una nave si muove attraverso l'acqua, ci sono due meccanismi fisici primari che creano resistenza e rallentano la nave. Per costruire una barca più veloce devi trovare il modo di superare la forza di trascinamento.

Il primo meccanismo è l'attrito. Mentre l'acqua scorre oltre lo scafo, un microscopico strato d'acqua è efficacemente attaccato allo scafo e viene trascinato insieme allo yacht. Un secondo strato d'acqua si attacca quindi al primo strato, e lo scorrimento o il taglio tra di loro crea attrito.

All'esterno di questo c'è un terzo strato, che scivola sugli strati interni creando più attrito, e così via. Insieme, questi strati sono noti come strato limite ed è il taglio delle molecole dello strato limite l'una contro l'altra che crea resistenza per attrito.

Uno yacht fa anche onde mentre spinge l'acqua intorno e sotto lo scafo dalla prua (anteriore) alla poppa (posteriore) della barca. Le onde formano due modelli distintivi intorno allo yacht (uno a ciascuna estremità), noti come modelli di onde di Kelvin.

Queste onde, che si muovono alla stessa velocità dello yacht, sono molto energici. Questo crea resistenza sulla barca conosciuta come la resistenza delle onde, che è responsabile di circa il 90% della resistenza totale. Mentre lo yacht accelera a velocità più elevate (vicino alla "velocità dello scafo", spiegato in seguito), queste onde diventano più alte e più lunghe.

Questi due effetti si combinano per produrre un fenomeno noto come "velocità dello scafo", che è la velocità più veloce che la barca può viaggiare e nei tradizionali yacht a scafo singolo è molto lenta. Uno yacht monoscafo delle stesse dimensioni dell'F50 ha una velocità dello scafo di circa 12 mph.

Aliscafi

Però, è possibile ridurre sia la resistenza di attrito che quella provocata dalle onde e superare questo limite di velocità dello scafo costruendo uno yacht con aliscafi. Gli aliscafi sono piccoli, ali sott'acqua. Questi agiscono allo stesso modo di un'ala di aereo, creando una forza portante che agisce contro la gravità, sollevando il nostro yacht verso l'alto in modo che lo scafo sia libero dall'acqua.

Mentre le ali di un aereo sono molto grandi, l'elevata densità dell'acqua rispetto all'aria significa che abbiamo bisogno solo di aliscafi molto piccoli per produrre gran parte dell'importante forza di sollevamento. Un aliscafo delle dimensioni di tre fogli A3, quando ci si sposta a soli 10 mph, può produrre abbastanza sollevamento per sollevare una persona grande.

Ciò riduce significativamente la superficie e il volume della barca che è sott'acqua, che taglia la resistenza di attrito e la resistenza di formazione delle onde, rispettivamente. L'effetto combinato è una riduzione della resistenza complessiva a una frazione della sua quantità originale, in modo che lo yacht sia in grado di navigare molto più velocemente di quanto potrebbe senza aliscafi.

L'altra innovazione che aiuta ad aumentare la velocità degli yacht da regata è l'uso di vele rigide. La potenza disponibile dalle vele tradizionali per guidare la barca in avanti è relativamente piccola, limitato dal fatto che le forze della vela devono agire in equilibrio con una gamma di altre forze, e che le vele in tessuto non creano una forma ideale per creare potenza. vele rigide, che sono molto simili nel design all'ala di un aereo, formano una forma molto più efficiente rispetto alle vele tradizionali, conferendo efficacemente allo yacht un motore più grande e più potenza.

Mentre lo yacht accelera dalla forza motrice di queste vele, sperimenta quello che è noto come "vento apparente". Immagina una giornata completamente calma, senza vento. Mentre cammini, senti una brezza in faccia alla stessa velocità con cui stai camminando. Se soffiasse anche il vento, sentiresti una miscela del vento reale (o "vero") e della brezza che hai generato.

I due insieme formano il vento apparente, che può essere più veloce del vento vero. Se c'è abbastanza vento vero combinato con questo vento apparente, quindi forza e potenza significative possono essere generate dalla vela per spingere lo yacht, quindi può facilmente navigare più velocemente della stessa velocità del vento.

L'effetto combinato di ridurre la resistenza e aumentare la potenza motrice si traduce in uno yacht molto più veloce di quelli anche di pochi anni fa. Ma tutto questo non sarebbe possibile senza un ulteriore progresso:i materiali. Per poter "volare", lo yacht deve avere una massa ridotta, e l'aliscafo stesso deve essere molto robusto. Per ottenere la massa richiesta, resistenza e rigidità utilizzando materiali tradizionali per la costruzione di barche come il legno o l'alluminio sarebbero molto difficili.

È qui che entrano in gioco i moderni materiali compositi avanzati come la fibra di carbonio. Tecniche di produzione che ottimizzano il peso, rigidità e robustezza consentono la produzione di strutture sufficientemente robuste e leggere da produrre yacht incredibili come l'F50.

Gli ingegneri che progettano queste barche ad alte prestazioni (noti come architetti navali) cercano sempre di utilizzare nuovi materiali e scienza per ottenere un design ottimale. In teoria, la F50 dovrebbe essere in grado di andare ancora più veloce.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.