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Vasca Navale

Le carene dei nostri gommoni : Tutto sulle caratteristiche ed i comportamenti delle carene plananti. Assetto del gommone, attaccatura tubolari , Scafi in genere, flaps .
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bon_scott
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Vasca Navale

Messaggio da bon_scott »

Di recente ho fatto delle prove su un modello in scala: riassumo qui un po' di notiziole in puro stile millennial "ne so poco, ma ho letto Wikipedia e visto dei tutorial su Youtube", cosa che seppure con dei limiti, magari incuriosisce e sprona altri ad approfondire.

1 Introduzione.
In linea di massima le linee d'acqua delle imbarcazioni pre-illuministiche si riassumono nel detto "cod's head and mackarel tail", o da noi più o meno "testa d'orata e coda di branzino", del resto una trota ha sostanzialmente la stessa sezione di un profilo alare.
testaorata_codabranzino.jpg
Fig. 1 "cod's head and mackarel tail" da Fragments of Ancient Shipwrightery, Mathew Baker 1572
trota.jpg

Fig. 2 Sezione trota in alto; profilo alare NACA serie 63 in basso.

E ciò andrebbe considerato, assieme ad altre innovazioni, come frutto di un lento affinamento lungo il corso dei secoli, trasmesso oralmente e quasi mai frutto della ricerca di per se stessa della massima velocità possibile o delle migliori caratteristiche marine.
In sostanza le linee d'acqua soggiacevano ad esigenze mercantili o militari, o anche di semplicità costruttiva.

La rivoluzione scientifica fu importantissima per la marineria sia perché furono gettate le basi teoriche e pratiche per una trattazione organica e sistematica di idraulica e fluidodinamica (Eulero Bernoulli), sia perché si introdussero i disegni come ora li conosciamo, sia per la costruzione di un "cronometro", l'orologio di Harrison, che finalmente consentiva il calcolo preciso della longitudine, sia perché si studiò e risolse il problema della stabilità della nave, Eulero e Bouguer, e si introdusse il concetto di metacentro (Bouguer), tanto che a Partire dal 1741, in Francia non venne più consentito il varo di nuove unità di Marina che non avessero a corredo il calcolo preventivo del metacentro. Tuttavia, non altrettanto successo si ebbe nel calcolare la resistenza all'avanzamento dello scafo, finché, nella prima metà dell'800, si verificano tutte le condizioni ed innovazioni che portarono nella seconda metà del secolo al Clipper, la nave veloce per eccellenza: si poterono raggiungere rapporti tra lunghezza e larghezza circa pari a quelle della galea da guerra, grazie all'impiego del ferro e a qualche significativa innovazione tecnica (ad esempio i rinforzi Seppings) e vennero in sostanza rivoluzionate le linee d'acqua.
rinforzi.jpg
Fig.3 Rinforzi Seppings
clipper.jpg

Fig 4 La rivoluzione delle linee d'acqua, i due disegni hanno i medesimi rapporti dimensionali il che fa apprezzare la maggiore lunghezza del Clipper.

Uno dei contributi a questa innovazione si deve a John Scott Russell il quale proponeva, per minimizzare la resistenza, di spostare efficacemente la massa d'acqua interessata dal moto dello scafo seguendo la sua teoria "wave-line", conseguente alla sua casuale scoperta dell'onda di traslazione o solitrone, e di ricongiungerla a valle della poppa, in questo caso considerando le onde come onde normali, ne segue una forma di carena molto rastramata a prua (segue l'andamento del senoverso o comesichiamalui) ed una catenaria a poppa.
Russell.JPG
Fig 5 La prua di Scott Russell
modelli_froude.JPG
Fig 6 Raven e Swan (non son capace si sistemare la foto: è a specchio)
modelli_froude_02.JPG
Fig 7 Raven e Swan

In realtà inizialmente, come nel modello "Raven" testato da Froude, la poppa seguiva all'incirca l'andamento della prua.
In questo contesto, appunto, Froude trova il modo di verificare con dei modelli in scala le caratteristiche degli scafi. Con essi, proprio per validare o meno le teorie di Scott Russel (*), conduce degli esperimenti in vasca navale… che in realtà è il fiume Dart.
Vicino a Dartmouth, traina i modelli (**) e regista velocità e trazione sul cavo, ma la genialata fu di impiegare gli scafi da confrontare, in tre dimensioni: tre piedi, sei piedi e dodici piedi, riuscendo a ricavare la legge matematica che collegava i risultati del modello in scala alle prestazioni a grandezza naturale (volendo il più piccolo è il modello di uno dei più grandi, a sua volta modello di una nave "vera").

In seguito i risultati vengono confermati dall'Ammiragliato sugli scafi nelle dimensioni reali e lo stesso Ammiragliato sovvenziona Froude per costruire una vasca navale vera e propria a casa sua.
Vasca_Froude.JPG
Fig 8 La Vasca Navale di Froude a Torquay

(*)Raven aveva meno resistenza alle basse velocità, ma Swan aveva meno resistenza alle velocità più elevate.

(**) Frank Kowalsky alla fine non si è inventato nulla: di fatto sta solo riproducendo, abbellendolo, il primo esperimento di Froude

2 La similitudine di Froude.
I diversi aspetti della similitudine di Froude sono definiti come segue:

Similitudine della forma: il modello ha esattamente la stessa forma geometrica della nave reale. Ciò significa che tutte le dimensioni di lunghezza della nave reale sono divise per lo stesso fattore, il fattore di scala l
In questa similitudine vengono mantenute le proporzioni (i rapporti tra le varie dimensioni della nave sono identici). Gli angoli sono un rapporto di lunghezza, quindi sono anche identici a quelli originali. Da ciò si deducono i fattori di scala delle aree e dei volumi, ovvero:

Area = l^2
5^2=25
10^2=100

Volume = l^3
5^3= 125
10^3= 1000

Similitudine della massa (M): il fattore di scala per la massa (M) è lo stesso di quello per i volumi, cioè:

Massa = l^3
5^3= 125
10^3= 1000

Similitudine delle forze (F): Se le forze esterne sul modello sono in similitudine, come le forme, le masse e l'inerzia, il movimento del modello sarà in similitudine. Si può quindi dimostrare che le forze (F) devono essere della stessa scala delle masse e dei pesi, quindi:

Forza = l^3
5^3= 125
100^3= 1000

Similitudine della velocità(V):, la scala della velocità è la radice quadrata della scala della lunghezza, quindi:

Velocità = radq (l)
radq (5)=2,24
radq (10)=3,16

Similitudine del tempo (T): Il tempo è una distanza (L) diviso la velocità (V), quindi un eventuale filmato va rallentato della quantità radq (l)

Similitudine della potenza (P): Poiché la potenza P = F x V, si ha

S(P) = l^3 * radq (l) = l^(7/2)
5^(7/2)= 279,5
10^(7/2)=3162,3

Ho riportato i casi delle scale 1 a 5 ed 1 a 10. Ora, sapendo tutto questo, è il caso che sul mio modello in scala 1 a 5 installi un motore fuoribordo da 3kw :shock:?

Continua...
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Re: Vasca Navale

Messaggio da Akeswins »

Ottima disamina , ora tocca alla similitudine del signor Reynolds ok

Riguardo Frank, no, non si è proprio inventato nulla. Ma indubbiamente ha aggiunto valore "Ludico" a quest' attività, testando i modellini sul mare mosso con radiocomando.

La foto di sotto rappresenta un primo test su modellino che feci sulla carena del CAB Silverado 13.7 .. senza dinamometri, ma è stato comunque utile per verificare la variazione di angolo di assetto e la scia. La carena era fresata su blocco di polistirolo, parliamo del 2008
Allegati
cab 13 test.jpg
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Re: Vasca Navale

Messaggio da Blackfin »

Seguo con interesse. Ci deve però essere un refuso per quanto riguarda la similitudine delle forze (uno zero in più) al primo membro dell'uguaglianza

100^3= 1000

Ho qualche perplessità (ma nel filmato i tiranti dei modelli non sono molto visibili) sul punto di applicazione della (figurata) spinta propulsiva. Altro dubbio: gli step multipli posti posteriormente al baricentro, oltre che ridurre la superficie bagnata non rendono più bagnata la parte anteriore della carena (oltre che la coperta) che è meno libera di copiare l'andamento delle onde data la molto minore portanza delle sezioni prodiere?
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bon_scott
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Re: Vasca Navale

Messaggio da bon_scott »

Blackfin ha scritto: 4 giugno 2024, 19:25 Ho qualche perplessità (ma nel filmato i tiranti dei modelli non sono molto visibili) sul punto di applicazione della (figurata) spinta propulsiva.
Mi sono posto la questione anche io…. ed ho trovato le linee guida dell'ITTC del 2008 per la prova di resistenza che al paragrafo 3.1.3 (pag 3) dicono:

"The tow force should, where possible, be applied in the line of the propeller shaft and at the LCB in order to avoid artificial trim effects."

La forza di traino dovrebbe, ove possibile, essere applicata alla direzione dell'albero dell'elica ed in corrispondenza dell' centro di spinta longitudinale, al fine di evitare variazioni di assetto indesiderate.


E così ho fatto io (quasi). Immagino anche Kowalsky.

Grazie per il refuso
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Re: Vasca Navale

Messaggio da bon_scott »

Akeswins ha scritto: 4 giugno 2024, 10:32 La foto di sotto rappresenta un primo test su modellino che feci sulla carena del CAB Silverado 13.7 .. senza dinamometri, ma è stato comunque utile per verificare la variazione di angolo di assetto e la scia. La carena era fresata su blocco di polistirolo, parliamo del 2008
Altero un poco l'ordine espositivo che mi ero prefissato, e, per certi versi, anticipo le conclusioni. La prova in vasca navale vera e propria fornice dati oggettivi, segnatamente, per una carena planante, per ogni velocità restituisce:

Resistenza
Angolo di assetto (trim)
Sollevamento (lift)

Una prova "alla Kowalsky", invece, dà indicazioni qualitative più impalpabili, per così dire. Sì lui nel video registra i dati da un dinamometro e da un inclinometro, ma sono numeri assai "volatili", tutt'altra cosa di quanto è rilevato in laboratorio. Tuttavia sono possibili osservazioni collaterali molto importanti, che non sempre sono deducibili dalla prova nella vasca navale vera.

Esempio 1 Il modello che ho appena realizzato per altri scopi (verifica del montaggio ed dell'effetto di Kapten collar di varie fogge) ha subito un paio di prove "alla Kowalsky", più che altro per controllare i collari non facessero pasticci nel transitorio dislocamento planata, giacché li vorrei a lambire l'acqua tipo tubolari che toccano non-toccano. I dati raccolti dicono che, al netto di errori :D , la barca al vero planerebbe a 8 nodi circa :shock: , richiedendo più o meno 170 Kg di spinta. E questo con e senza i collari. Quello però che i dati non dicono è che l'imbarcazione sembra assai instabile, come se il prezzo da pagare per una planata tanto precoce, fosse un difetto di direzionalità. Cosa mi fa sostenere ciò? Il confronto "ad occhio" con una prova che condussi sul modello in scala 1 a 10 della mia imbarcazione attuale per verificare il "bottazzo magico".

Esempio 2 "Il bottazzo magico". Nel 2016 per risolvere la questione del rollio, vicino ad essere insostenibile soprattutto per mio padre ed i suoi Handicap, pensai si potesse realizzare un bottazzo con la foggia di un cilindro di una decina di cm di diametro, una parte del quale fosse mobile a formare una specie di trimarano quando, fermi o in lento moto, si è in pesca. Ho fatto il modello e tutto l'ho provato… ed ho lasciato stare: la stabilità al rollio è stupefacente, ma la virata è impossibile, ed io ci debbo fare la traina con il vivo. Forse si può simulare un insetto che si appoggia sulle quattro zampette, ma il livello di complicazione, già altissimo, sarebbe davvero fuori scala.

Altra osservazione interessante è che ambedue i modelli sono privi di pattini. Nel caso del primo esempio potrei provare varie configurazioni, quando troverò un modo semplice per applicarli, sia 2 che 4 pattini, e sia limitati alla zona dello spray, sia lunghi fino allo specchio di poppa.

Alla fine siamo tutti modellisti, mi pare.
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Re: Vasca Navale

Messaggio da Akeswins »

Blackfin ha scritto: 4 giugno 2024, 19:25

Ho qualche perplessità (ma nel filmato i tiranti dei modelli non sono molto visibili) sul punto di applicazione della (figurata) spinta propulsiva. Altro dubbio: gli step multipli posti posteriormente al baricentro, oltre che ridurre la superficie bagnata non rendono più bagnata la parte anteriore della carena (oltre che la coperta) che è meno libera di copiare l'andamento delle onde data la molto minore portanza delle sezioni prodiere?
Il punto di applicazione "accademico" è proprio come l' ha inserito lui, il tirante rappresenta la prosecuzione della retta l' azione della figurata spinta propulsiva. Però sul mare ondoso tende ad essere migliorativa nel contrastare ad esempio fenomeni di ingavonamento, dato che cambia l' angolo a seconda dell' impatto ma tendendo sempre a tirar su la prua; quando invece lo scafo è propulso dalla sua linea d' asse, la retta d' azione della spinta rispetto all' LCB non cambia.
Come dice Bon_scott, queste prove sono più utili per impressioni "qualitative" sul comportamento nel mare ondoso piuttosto che per ricavare le mere informazioni sulla resistenza al moto ottenibili dalla vasca navale; informazioni ancora maggiori hanno dato le prove di questi modelli con propulsione propria e radiocomando. Per il progetto delle unità Shannon Class RLNI, si sono provati vari modelli in scala ma non al traino bensì autopropulsi; ciò che infatti serviva non erano i dati meri di resistenza al moto, ottenibili ormai con un buon CFD, ma il comportamento nelle onde.

Per quanto riguarda gli steps, hai ragione, posizionarli dietro il baricentro non è mai una scelta saggia, per via degli effetti negativi di cui hai parlato.
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Re: Vasca Navale

Messaggio da bon_scott »

All’interno dell’arsenale de La Spezia, verso la fine dell'800 furono create due strutture specialistiche, la Vasca Navale e il Laboratorio metrico sperimentale. Prima di realizzare la vasca di Spezia furono eseguiti alcuni tentativi di riprodurre le esperienze di Froude a Castellamare, altri in Olanda, Scozia, e Francia, ma la prima vasca vera e propria costruita al di fuori del Regno Unito è stata quella de La Spezia, su progetto e con attrezzature inglesi.
Come di consueto, gli italiani sono creativi, e le novità furono molte, soprattutto grazie a Giuseppe Rota e Gioacchino Russo. Al primo, considerato il "padre" dell'archittettura navale in Italia, si deve la vasca di La Spezia e poi quella di Roma, le prime macchine per la riproduzione del moto ondoso, per la verità non troppo riuscite, lo studio del passo effettivo delle eliche, e lo studio del'influenza del fondale sulla resistenza. Gioacchino Russo, tra le altre cose, è inventore del Navipendolo un geniale strumento meccanico usato per eseguire ricerche sperimentali sul rollio delle navi in presenza di moto ondoso, senza fare uso di un modello vero e proprio della nave. Uso l'aggettivo geniale, perché mica ho capito bene come funziona :mrgreen: : riporto quella che mi pare la descrizione meno imperscrutabile
"la nave è rappresentata da un pendolo doppio, con un momento d’inerzia corrispondente a quello della nave, pendolo che oscilla attorno ai punti di tangenza di una camma (solidale con esso e rappresentante la curva dei centri di carena) con un pianerottolo, che rappresenta un elemento di superficie. Questo pianerottolo può stare fermo (caso di oscillazione della nave in acqua calma) o muoversi secondo una trocoide (caso di oscillazione della nave in acqua mossa)"
Navipendolo.JPG
Altro caso che vede protagonista Russo è il cleptoscopio, ma tutta la vicenda che porta al periscopio vero e proprio del Delfino, il primo sommergibile italiano, sarebbe degna di un libro.
Delfino_01.JPG
https://www.ocean4future.org/savetheoce ... ives/62178

Russo ideò anche una “vasca per il rollio”, dove un modello della nave (dinamicamente e staticamente simile alla nave al vero) rolla liberamente in acqua, animato da un movimento oscillatorio simile a quello dovuto a un’onda prefissata. Le pareti verticali opposte della vasca sono costruite in modo particolare, a deformazione combinata, in modo che il fenomeno avvenga come se la larghezza della vasca fosse indefinita.
Per dare un idea del personaggio una breve frase da wikipedia: "Cultore di ottica, Russo escogitò un sistema per la fotografia a colori naturali e scrisse uno studio sulle analogie matematiche tra le note musicali e i colori."

I risultati delle ricerche fino alla metà degli trenta del secolo scorso vengono pubblicati in annali e sorprendentemente, visto che c'è una guerra mondiale di mezzo, c'è molta condivisione di informazioni tra le varie nazioni. Nonostante il carattere militare della maggioranza delle vasche navali esistenti, era stata creata una rete di scambio d’informazioni tra le diverse vasche che avrebbe portato nel 1932 alla nascita dell’ITTC (International Towing Tank Conference). Animate, si direbbe, dall'amore della scienza, le diverse vasche si scambiavano i risultati delle prove per aumentare la base statistica su cui erano verificate le formule impiegate per l’analisi delle prove, e calcolati alcuni importanti coefficienti correttivi. Tra le formule basate prevalentemente su dati statistici la più importante è sicuramente quella della resistenza per attrito.
A proposito di essa, è significativo notare che fino alla sua determinazione attuale, che ne consente una soluzione analitica, per lungo tempo si è ricorso a soluzioni grafiche, come anche per le eliche. Tra i risultati di La Spezia si annoverano il "“quadro calcolatore delle carene " e, appunto, il "quadro calcolatore delle eliche".
Al di là dell'aneddotica, molte sarebbero le ricerche degne di approfondimento, ad esempio i primi studi su eliche controrotanti a partire dal 1909, il filo conduttore del 3D resta, però, la resistenza per attrito.
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