IT201800020137A1 - Dispositivo e metodo per la stabilizzazione di un'imbarcazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO E METODO PER LA STABILIZZAZIONE DI UN'IMBARCAZIONE”

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di stabilizzazione di un’imbarcazione, nonché al relativo metodo di stabilizzazione.

L’invenzione trova una sua applicazione preferita nelle imbarcazioni a vela, in particolare nelle barche a vela, cui nel seguito si farà riferimento senza per questo perdere di generalità, e nei catamarani.

Come è noto, l’esigenza di mantenere la stabilità trasversale condiziona in modo determinante la progettazione della carene delle barche a vela, e conseguentemente rappresenta un fattore limitante nella velocità di propulsione.

La risultante delle azioni dinamiche sulla velatura delle imbarcazioni a vela produce un momento sbandante, che può essere considerato somma di due componenti, una longitudinale e una trasversale:

1. Il momento sbandante longitudinale tende a fare appruare l’imbarcazione, ma è in genere agevolmente contrastato dall’elevata stabilità longitudinale della stessa;

2. Il momento sbandante trasversale deve essere contrastato dal momento raddrizzante dello scafo.

Come è noto, il momento raddrizzante dello scafo è dato dal dislocamento (cioè il peso del volume d’acqua spostato, uguale al peso complessivo dell’imbarcazione) per il braccio di raddrizzamento, cioè la distanza tra il piano longitudinale verticale passante per il centro di carena (ove è applicata la spinta di Archimede) dal piano longitudinale verticale passante per il centro di gravità (ove è applicata la forza peso). Allo scopo di aumentare il momento raddrizzante, è quindi necessario aumentare il dislocamento o il braccio di raddrizzamento.

Una soluzione nota per aumentare il momento raddrizzante consiste nell’abbassare il più possibile il centro di gravità. In pratica, per abbassare il centro di gravità viene generalmente impiegata una massa rilevante fissata ad una deriva a notevole profondità al di sotto della chiglia; ciò comporta tuttavia un aumento della resistenza all’avanzamento dell’imbarcazione, un aumento della profondità di pescaggio, con le difficoltà di attracco che ne conseguono, nonché l’impiego di speciali attrezzature per la movimentazione dell’imbarcazione tra suolo ed acqua.

Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un dispositivo di stabilizzazione che risolva i problemi sopra evidenziati.

Il suddetto scopo è raggiunto da un dispositivo di stabilizzazione secondo la rivendicazione 1.

La presente invenzione è inoltre relativa ad un metodo di stabilizzazione secondo la rivendicazione 16.

Per una migliore comprensione della presente invenzione vengono descritte alcune forme preferite di attuazione con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una vista schematica in elevazione di un’imbarcazione secondo l’arte nota;

la figura 2 è una vista schematica in elevazione di un’imbarcazione provvista di un dispositivo di stabilizzazione secondo una prima forma di attuazione la presente invenzione;

la figura 3 è una vista schematica in pianta di un’imbarcazione provvista di una seconda forma di attuazione di un dispositivo di stabilizzazione secondo l’invenzione;

la figura 4 è una vista schematica in pianta di un’imbarcazione provvista di un dispositivo di stabilizzazione secondo una variante di realizzazione;

la figura 5 è una vista schematica di un’imbarcazione provvista di un dispositivo secondo una terza forma di attuazione della presente invenzione;

le figure 6 e 7 sono viste schematiche di imbarcazioni provviste di ulteriori forme di attuazione del dispositivo.

Con riferimento alla figura 1, è indicata con 1 nel suo complesso un’imbarcazione secondo l’arte nota. L’imbarcazione 1 comprende uno scafo 2 ed un impianto velico 3 indicato in modo puramente schematico. Dallo scafo si estende verso il basso una deriva 4, al termine della quale è fissata una massa Z di zavorra avente lo scopo di abbassare il baricentro G dell’imbarcazione 1, come sopra descritto.

L’imbarcazione 1, sotto l’azione del vento, è soggetta ad un momento sbandante che produce un angolo di rollio a cui si oppone un momento raddrizzante definito dalla relazione:

Mr = D · Gz, [1]

dove D è il dislocamento (una frazione del quale dipende dalla massa Z di zavorra) e Gz la distanza tra il centro di carena Cc (cioè il centro di gravità della massa d’acqua spostata dall’imbarcazione) e la verticale passante per il centro di gravità Cg dell’imbarcazione stessa. Dalla figura è evidente come, a parità di angolo di rollio, la distanza Gz tenda ad aumentare quanto più si abbassa il baricentro ossia, a parità di imbarcazione, tanto maggiori sono la massa Z di zavorra e/o la sua profondità.

L’angolo di rollio ϴ dell’imbarcazione è determinato dall’equilibrio tra il momento sbandante determinato dalla componente trasversale Ft della risultante F del vento sulle vele ed il momento raddrizzante Mr sopra richiamato.

In figura 2 è illustrata schematicamente un’imbarcazione 10 provvista di uno scafo 11 e di un dispositivo di stabilizzazione 12 secondo la presente invenzione.

Il dispositivo 11 comprende essenzialmente un albero 13 ausiliario, il quale è vincolato ad una propria estremità inferiore ad un ponte 14 dello scafo 11 tramite una cerniera 15 di asse A.

Secondo una prima forma di attuazione semplificata dell’invenzione, illustrata schematicamente in figura 3 allo scopo di comprendere il principio dell’invenzione, l’asse A è fisso ed è disposto longitudinalmente rispetto all’imbarcazione; secondo questa soluzione, l’albero 13 può quindi inclinarsi soltanto in direzione trasversale. L’albero 13 è provvisto di una massa M, illustrata schematicamente, la quale può essere fissa o mobile e di valore costante o variabile. Se fissa, la massa M è convenientemente disposta in prossimità della sommità dell’albero 13.

L’inclinazione o angolo di brandeggio φ dell’albero 13 rispetto alla verticale può essere controllata in qualsiasi modo noto; nella forma più semplice, può essere controllata manualmente qualora si accettino i tempi di intervento propri di un azionamento manuale. Secondo un’alternativa preferibile, l’inclinazione è controllata mediante un primo servocomando SC1 comprendente, ad esempio, un motoriduttore accoppiato all’albero 13 in qualsiasi modo noto.

Trascurando il peso proprio del braccio 12, il momento raddrizzante trasversale MST generato dalla massa M vale:

Mr = PM·[L sin(φ - ϴ)+Gz], [2]

dove φ è l’angolo di brandeggio del braccio rispetto alla verticale dell’imbarcazione in assetto normale.

PM è il peso della massa M, ed

L è la distanza del baricentro della massa M dall’asse A della cerniera 13.

Dalla relazione [2] è evidente come l’effetto stabilizzante possa essere ottenuto con una massa M molto minore rispetto ai valori in uso per la massa di zavorra Z poiché l’altezza dell’albero 13 (e quindi L) può essere molto più elevata della profondità della massa Z di zavorra.

In figura 4 è illustrata una variante secondo la quale l’albero 13 può ruotare anche intorno un asse B verticale di un angolo ψ. Allo scopo, la cerniera 15 può essere montata su una piattaforma 16 girevole intorno all’asse B, convenientemente tramite un secondo servocomando SC2. In questo caso, come illustrato in figura 4, l’inclinazione dell’albero 13 non è più puramente trasversale; pertanto, il momento raddrizzante può avere una componente longitudinale, oltre che trasversale, e compensare gli effetti del beccheggio oltre che del rollio.

La massa M può essere mobile lungo l’albero 13, e la sua posizione può essere controllata attraverso un terzo servocomando SC3.

In alternativa, o in combinazione, la massa M può essere variabile; allo scopo può essere costituita, ad esempio, da un volume d’acqua 17 contenuto in una cavità interna 18 dell’albero 13 delimitata inferiormente da un pistone 19 scorrevole all’interno dell’albero 13 e facente parte del servocomando SC3. L’albero 13 viene convenientemente riempito a partire dall’alto, in modo da massimizzare il braccio della massa M, tramite una pompa P. Il pistone 19 può essere comandato, ad esempio, tramite aria compressa agente in modo antagonista al peso dell’acqua, oppure elettricamente.

Comunque siano realizzati, i servocomandi SC1, SC2 ed SC3 possono essere gestiti da un’unità di controllo 20 programmabile, la quale può controllare in tempo reale i parametri del sistema per ottimizzare la stabilizzazione, ed in particolare la massa M (se variabile), la posizione della massa M lungo l’albero 13 (L), l’angolo di brandeggio φ dell’albero 13 e l’angolo azimutale ψ in funzione di sensori di bordo facenti parte dei servocomandi SC1, SC2 ed SC3 e configurati per rilevare l’angolo di rollio ed eventualmente di beccheggio dell’imbarcazione 10. Tali sensori possono comprendere inclinometri, giroscopi o accelerometri.

Come si è detto, il sistema può essere semplificato fino a ridursi al semplice controllo manuale dell’angolo di brandeggio φ dell’albero 13.

Si osserva che per effetto dell’angolo di inclinazione ϴ, può essere conveniente che l’angolo di brandeggio φ assuma valori maggiori di 90°: per questa ragione, l’asse A della cerniera è convenientemente posto in posizione sollevata rispetto al piano di coperta 23 dell’imbarcazione.

Nella figure 6 e 7 sono illustrati schematicamente due esempi di attuazione del controllo dell’angolo di brandeggio φ tramite un sistema a fune 24 applicato ad un’imbarcazione 25 provvista di un albero principale 26 (della randa).

Con riferimento alla forma di attuazione illustrata in figura 6, il sistema a fune 24 comprende una fune 27 avente un’estremità fissata alla sommità dell’albero principale 26, una porzione intermedia avvolta intorno ad un tamburo 28 di un argano 29 fissato ad un’estremità superiore dell’albero 13 ed un’estremità opposta fissata ad un contrappeso 30 scorrevole lungo l’albero 13 su una guida 31.

La discesa dell’albero 13 dalla posizione verticale verso una posizione inclinata può essere convenientemente affidata alla forza di gravità. In questo caso, l’argano 29 comprende preferibilmente una macchina elettrica 34 reversibile utilizzabile come motore per ruotare il tamburo 28 e sollevare l’albero 13 e come freno rigenerativo per recuperare potenza quando il tamburo 28 viene trascinato dalla fune 27. La macchina elettrica 34 fa parte del servocomando SC1.

Il contrappeso 30 si sposta dalla base dell’albero 13 quando questo si trova in posizione verticale verso la sommità dell’albero 13 quando questo si trova in posizione di massima inclinazione, e scende per gravità durante la corsa di ritorno dell’albero verso la posizione verticale. Ciò comporta il duplice vantaggio di aumentare il momento raddrizzante nella posizione inclinata dell’albero, e di ridurre la coppia necessaria per sollevare l’albero.

Il recupero di potenza elettrica durante la corsa di discesa dell’albero è tale per cui l’energia netta effettivamente spesa per un ciclo di movimentazione dell’albero 13 (discesa-salita o viceversa) è soltanto quella necessaria per compensare le perdite meccaniche ed elettriche del sistema.

La forma di attuazione di figura 7 differisce da quella di figura 6 per il fatto che l’argano 29 è disposto in prossimità della base dell’albero 13, anziché sulla sommità dello stesso. La fune 27 ha un’estremità fissata sulla sommità dell’albero principale 26, un’estremità opposta avvolta sul tamburo 28 dell’argano 29 ed una porzione intermedia avvolta con una o più spire intorno ad una carrucola 35 vincolata alla sommità dell’albero 13 in modo da ruotare folle. Il contrappeso 30 è opzionale, e può essere disposto scorrevole lungo l’albero 13, come in figura 5, e fissato al ramo della fune compreso tra il tamburo 28 e la carrucola 35, in modo da spostarsi verso la sommità dell’albero 13 quando l’albero si inclina e la fune 27 si svolge dal tamburo 28 dell’argano 29, e scendere verso il tamburo 28 quando la fune si avvolge sullo stesso per sollevare l’albero 13, contribuendo così alla coppia di sollevamento.

Questa disposizione, sebbene meno favorevole di quella di figura 6 dal punto di vista della coppia necessaria per il sollevamento dell’albero 13, ha il vantaggio delle semplificazioni impiantistiche che conseguono dalla posizione dell’argano 29 alla base dell’albero 13.

Il dispositivo può funzionare secondo diverse modalità descritte nel seguito.

1. Modalità “stabilizzazione in presenza di vele” Questa modalità di funzionamento, disponibile anche in assenza di servocomandi, consiste come detto sopra nel generare un momento raddrizzante che si oppone al momento sbandante determinato dall’azione del vento sulla velatura mediante inclinazione dell’albero 13 dalla parte opposta all’inclinazione dell’imbarcazione. L’intensità del momento raddrizzante può essere modulata variando l’angolo di brandeggio ed eventualmente la massa M, in modo tale da ridurre l’inclinazione dell’imbarcazione.

I vantaggi connessi con l’impiego del dispositivo di stabilizzazione sono molteplici.

In primo luogo, è possibile ridurre notevolmente la massa Z di zavorra fino a raggiungere valori di un quinto o anche inferiori rispetto alle masse attualmente utilizzate.

Ne conseguono una riduzione della massa complessiva e della sezione di carena dell’imbarcazione, e quindi un miglioramento della scorrevolezza dell’imbarcazione stessa.

Inoltre, può essere sensibilmente ridotto il pescaggio dell’imbarcazione, in quanto non è più necessario disporre la massa di zavorra a grande profondità per abbassare il baricentro dell’imbarcazione.

Essendo il bulbo della chiglia più piccolo, anche la sua superficie diminuisce e di conseguenza anche il suo attrito nell’acqua.

Inoltre, riducendo l’angolo di sbandamento della barca si incrementa la superfice velica utile e di conseguenza la velocità di avanzamento.

2. Modalità “stabilizzazione in assenza di vele”

Il dispositivo di stabilizzazione 12 può essere utilizzato, oltre che per la stabilizzazione in presenza di vele, anche per la stabilizzazione in assenza di vele, ad esempio in navigazione a motore oppure nel caso di ormeggio in rada allo scopo di ridurre il rollio e/o beccheggio.

In questa modalità, ovviamente non disponibile nel caso di controllo puramente manuale dell’angolo di brandeggio, l’inclinazione dell’albero 13 può essere controllata in modo continuo, così da generare un momento raddrizzante in direzione opposta alla direzione della rotazione istantanea dell’imbarcazione. In altre parole, l’albero 13 viene controllato in modo da oscillare in controfase rispetto allo scafo 11. A titolo di esempio, assumendo che il dispositivo sia utilizzato per ridurre il beccheggio, l’albero 13 sarà configurato con l’asse A trasversale rispetto all’imbarcazione, ed oscillerà in un piano longitudinale spostandosi in avanti quando l’imbarcazione si appoppa ed all’indietro quando l’imbarcazione si apprua.

In modo analogo, qualora il dispositivo sia utilizzato per ridurre il rollio, l’albero 13 sarà configurato con l’asse A longitudinale rispetto all’imbarcazione, ed oscillerà in un piano trasversale spostandosi verso sinistra quando lo scafo ruota verso dritta e viceversa.

3. Modalità “recupero energetico”

In questa modalità, l’albero 13 viene lasciato libero di compiere oscillazioni di ampiezza controllata a seguito delle oscillazioni dello scafo dovute alle onde.

L’ampiezza di oscillazione consentita sarà commisurata all’ampiezza di oscillazione dello scafo, che può essere rilevata automaticamente tramite i sensori di bordo.

La macchina elettrica 34 associata al controllo dell’angolo di brandeggio dell’albero 13 viene utilizzata esclusivamente come freno rigenerativo per produrre energia elettrica e ricaricare le batterie di bordo.

Al contrario della modalità precedente, questa modalità accentua il beccheggio e/o il rollio dell’imbarcazione dovuto alle onde in quando l’albero 13 si inclina in fase con lo scafo e quindi determina un momento sbandante addizionale.

Risulta infine chiaro che ai dispositivi descritti possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall’ambito di tutela definito dalle rivendicazioni.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di stabilizzazione (12) per un’imbarcazione (10, 25), comprendente un albero ausiliario (13) atto ad essere vincolato ad uno scafo (11) dell’imbarcazione in modo da ruotare almeno intorno ad un primo asse (A) ed una massa (M) portata dall’albero ausiliario (13), l’albero ausiliario (13) essendo atto a disporsi in posizione inclinata in modo tale da generare sullo scafo (11) un momento raddrizzante in opposizione ad un momento sbandante prodotto dal vento o dalle onde.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta massa (M) è mobile lungo l’albero ausiliario (13).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la massa (M) è variabile.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la massa (m) è costituita da un volume d’acqua racchiuso in una cavità (18) dell’albero ausiliario (13).
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto primo asse (A) è fisso ed è disposto longitudinalmente rispetto allo scafo (11).
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo servocomando (SC1) per la regolazione dell’inclinazione dell’albero ausiliario (13) intorno al detto primo asse (A).
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che l’albero ausiliario (13) è girevole intorno ad un secondo asse (B) ortogonale al primo asse.
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo servocomando (SC2) per la regolazione dell’inclinazione della rotazione dell’albero ausiliario (13) intorno al detto secondo asse (B).
9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un terzo servocomando (SC3) per la regolazione della posizione della massa (M) lungo l’albero ausiliario (13).
10. 10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 9, caratterizzato dal fatto che il primo servocomando (SC1) comprende una macchina elettrica (34) reversibile utilizzabile come motore per ruotare l’albero ausiliario (13) intorno al primo asse (M) e come freno rigenerativo per generare energia elettrica dalla rotazione dell’albero ausiliario (13) per gravità.
11. 11. Imbarcazione a vela comprendente un albero principale (26) ed un dispositivo di stabilizzazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. Imbarcazione secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema a fune per la regolazione della rotazione dell’albero ausiliario (13) intorno al primo asse, il sistema a fune comprendendo una fune vincolata ad un’estremità dell’albero principale ed un argano azionante la detta fune almeno per sollevare il detto albero ausiliario (13).
13. 13. Imbarcazione secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di comprendere un contrappeso vincolato alla detta fune e scorrevole lungo il detto albero ausiliario (13), detto contrappeso spostandosi verso una sommità dell’albero ausiliario (13) quando questo si inclina.
14. 14. Imbarcazione secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzata dal fatto che il sistema a fune comprende un argano provvisto di una macchina elettrica reversibile utilizzabile come motore per ruotare l’albero ausiliario (13) intorno al primo asse e come freno rigenerativo per generare energia elettrica dalla rotazione dell’albero ausiliario (13) per gravità.
15. 15. Imbarcazione secondo la rivendicazione 14, caratterizzata dal fatto che il detto argano è disposto in prossimità di una delle estremità del detto albero ausiliario (13).
16. 16. Metodo di stabilizzazione di un’imbarcazione, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di inclinare un albero ausiliario (13) vincolato ad uno scafo dell’imbarcazione in modo girevole rispetto ad almeno un asse e provvisto di una massa portata dall’albero stesso, in modo tale da generare sullo scafo un momento raddrizzante in opposizione ad un momento sbandante prodotto dal vento o dalle onde.
17. 17. Uso di un dispositivo secondo la rivendicazione 10 per recuperare energia elettrica dalla rotazione dell’albero ausiliario (13) per gravità.