Vela ad alte prestazioni
Se le barche da ghiaccio sono state in grado di superare la velocità del vento, sia di bolina che di poppa per un secolo, questa capacità è diventata routine solo con l’evoluzione degli Skiff da 18 piedi nel terzo quarto del XX secolo, quando la loro velocità è triplicata rispetto a quella degli anni ’50. Le imbarcazioni che navigano più velocemente della velocità del vento, sia sottovento che sopravento, sono in grado di virare sottovento perché il vento apparente è sempre davanti all’albero. Questo ha portato al concetto di “vela a vento apparente”.
Vento apparenteModifica
Il vento apparente è la velocità del vento (direzione e velocità), VA, misurata a bordo di una barca a vela in movimento; è l’effetto netto (somma vettoriale) del vento della barca, VB-il flusso d’aria sopra l’imbarcazione indotto dalla sua velocità sulla terra (uguale in grandezza, ma opposto in direzione alla velocità dell’imbarcazione)-e il vento vero, VT. Il vento apparente misurato a bordo di un’imbarcazione a motore che viaggia in condizioni di calma, VT = 0 nodi, proverrebbe da davanti e ad una velocità uguale a quella della barca sul fondo (VA = VB + 0 = VB). Se l’imbarcazione viaggia a VB = 10 nodi con un vento di coda di VT = -5 nodi, sperimenta un vento apparente di VA = 5 nodi direttamente sulla prua (VA = VB + VT = 10 – 5). Il vento apparente sperimentato da un’imbarcazione ferma è la velocità reale del vento. Se un’imbarcazione procede a 90° verso un vento vero di VT = 10 nodi, viaggiando essa stessa ad una velocità che induce VB = 10 nodi, allora l’angolo del vento apparente sarebbe di 45° dalla prua e la velocità del vento apparente sarebbe di circa 14 nodi, calcolato come: radice quadrata = radice quadrata = 14,14. Quando l’imbarcazione diventa più veloce del vento vero, il vento apparente è sempre davanti alla vela.
Quando l’angolo di resistenza dello scafo è trascurabile, le formule per calcolare VA e β sono:
- VA = radice quadrata {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
Potenza della velaModifica
Una vela genera una portanza con una componente propulsiva in avanti e una componente laterale, basata su un angolo di attacco ottimale che è vincolato dal vento apparente, VA, che è davanti e approssimativamente allineato con la vela.
-
Decomposizione della forza del vento che agisce su una vela, generando portanza.
(FT = Forza aerodinamica totale, L = Portanza
D = Drag, α = angolo di attacco) -
Conversione della portanza in propulsione.
(FR = forza propulsiva, FLAT = forza laterale)
Teorema BetaModifica
Garrett introduce il teorema beta (o teorema della rotta) come un modo per capire come l’angolo di vento apparente risulta dall’interazione tra la forza motrice del vento e la forza di resistenza dell’acqua (o superficie dura), il risultato dell’effetto netto di due lamine che si contrastano, la vela in aria e la chiglia in acqua. Quando si risolve il rapporto tra portanza e resistenza per ciascuno nel suo mezzo, il movimento risultante della barca a vela si risolve in un angolo, beta (β), tra il vento apparente e la rotta sull’acqua. Lo scafo (sotto l’acqua) e l’attrezzatura a vela (sopra l’acqua) hanno ciascuno un angolo di resistenza rispetto al mezzo che scorre davanti a loro (acqua o aria), sono λ e αm nel diagramma allegato. La somma di questi due angoli di resistenza è uguale a β, l’angolo tra il vento apparente e la rotta navigata (β = λ + αm). Questo teorema si applica per ogni punto di vela. Un piccolo β denota un’alta efficienza e un potenziale di alta velocità. Con l’aumento della velocità in avanti, β diventa più piccolo; sulle imbarcazioni a vela con lamine subacquee efficaci, l’angolo di resistenza dello scafo, λ, diventa più piccolo con l’aumento della velocità, diventa trascurabile con le imbarcazioni idrodinamiche, ed essenzialmente inesistente per le barche di ghiaccio e le imbarcazioni a vela terrestri.
Limite dell’angolo del vento apparenteModifica
In una circostanza ideale di una superficie priva di attrito e di un profilo alare in grado di sviluppare potenza, non c’è un limite teorico alla velocità che un’imbarcazione a vela può raggiungere fuori dal vento man mano che l’angolo del vento apparente diventa sempre più piccolo. In realtà, sia l’efficienza della vela che l’attrito forniscono un limite superiore. La velocità è determinata dal rapporto tra la potenza sviluppata dalla vela e la potenza persa attraverso varie forme di resistenza (ad esempio la resistenza superficiale e quella aerodinamica). Idealmente una vela più piccola è meglio, perché le velocità aumentano. Sfortunatamente, una vela piccola diminuisce la capacità di un’imbarcazione – anche una barca di ghiaccio – di accelerare a velocità superiori a quelle del vento. Il limite principale alla velocità nelle imbarcazioni a vela ad alte prestazioni è la resistenza aerodinamica. Gli sforzi per superare questo limite sono evidenti negli scafi aerodinamici delle barche da ghiaccio ad alte prestazioni e i miglioramenti nella riduzione della resistenza sulle derive plananti. Una barca da ghiaccio veloce può raggiungere un vento apparente di 7,5° e una velocità di sei volte la velocità del vento reale su una rotta che è 135° fuori dal vento. Bethwaite suggerisce che questo potrebbe essere un limite pratico per un’imbarcazione a vela.
Punti di velaModifica
I punti di vela in cui le imbarcazioni a vela ad alte prestazioni possono raggiungere le velocità più elevate e raggiungere la migliore velocità resa buona su un arco di rotta tra un beam reach (90° al vento vero) e un broad reach (circa 135° lontano dal vento vero). Secondo Bethwaite, avendo fatto misurazioni comparative con un vento vero di 15 nodi (28 km/h; 17 mph), un Soling dislocante può raggiungere velocità leggermente superiori al vento vero e navigare a 30° dal vento apparente, mentre uno Skiff planante di 18 piedi raggiunge velocità di quasi 30 nodi (56 km/h; 35 mph) con un vento apparente di 20° e una barca di ghiaccio può raggiungere 67 nodi (124 km/h; 77 mph) con un vento apparente di 8°.
Nella vela a vento apparente, l’obiettivo è quello di mantenere il vento apparente il più avanti possibile, per la rotta percorsa, al fine di raggiungere la rotta più veloce fatta bene all’obiettivo. Ciò richiede un’imbarcazione in grado di superare la velocità del vento reale, sia di bolina che di poppa; questo permette al vento apparente di rimanere ben davanti alla vela sulle rotte percorse, le più veloci delle quali sono i reach. Da evitare è la rotta troppo sottovento, dove il vento apparente si sposta dietro la vela e la velocità scende al di sotto della velocità reale del vento quando la rotta tende da un ampio raggio a un quadrato (sottovento morto).
SopraventoModifica
A seconda dell’imbarcazione navigata, la rotta fatta bene nel vento può tendere lontano dal suo punto più vicino al vento al fine di consentire all’imbarcazione di navigare alla velocità ottimale. Bethwaite spiega che la navigazione ad alta velocità richiede un’azione indipendente sia della barra che della scotta, per cui la persona al timone evita di rispondere alle raffiche e, invece, allenta la scotta secondo le necessità, aumentando così la velocità della barca rispetto alla tecnica precedente di puntare l’imbarcazione più controvento.
Fuori dal ventoModifica
Secondo Bethwaite, navigare fuori dal vento vero a velocità superiori a quelle del vento (con il vento apparente davanti alla vela) richiede una reazione alle raffiche diversa da quella precedentemente impiegata. Mentre un velista tradizionale potrebbe di riflesso governare verso il vento apparente in una raffica, la risposta corretta quando si naviga fuori dal vento, più veloce della velocità del vento reale, è quella di virare lontano dalla raffica, dirigendosi più sottovento. Questo ha il doppio effetto benefico di alleviare la forza di sbandamento della raffica e di permettere all’imbarcazione di navigare ancora più velocemente fuori dal vento.