ITMI20130144A1 - Appendice immersa per barche a sezione alare variabile automaticamente - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE AVENTE PER TITOLO:

APPENDICE IMMERSA PER BARCHE A SEZIONE ALARE VARIABILE AUTOMATICAMENTE.

CAMPO DI APPLICAZIONE E TECNICA NOTA

La presente invenzione ha per oggetto un'appendice immersa per barche che muti automaticamente e senza intervento dell'equipaggio la sezione esterna del suo profilo alare da simmetrica ad asimmetrica, cioè con convessità diverse rispetto all'asse longitudinale, ottenendo automaticamente ed istantaneamente una forma più adatta a contrastare il movimento dell'imbarcazione in direzioni indesiderate.

Con riferimento alla Fig. 1: come è noto l'avanzamento delle imbarcazioni a vela B è determinato dallo sviluppo di forze sulle vele V quando queste abbiano la forma adatta e siano poste con la adatta incidenza rispetto al vento W. Attraverso l'alberatura e le altre attrezzature queste forze sono trasferite allo scafo che, essendo galleggiante sull'acqua e non vincolato, si muove rispetto all'acqua stessa.

In determinati casi dette forze p sono generate dal fluido (vento) che scorre con moto laminare sul solido (vela), secondo il teorema di Bernoulli, e rappresentate qualitativamente nella fig.1 col vettore p. In questi casi le forze sulle vele vengono chiamate forze di portanza. Il moto impresso da dette forze allo scafo Dp avrà quindi, possibilmente, una direzione diversa da quella di avanzamento lungo l'asse longitudinale dell'imbarcazione x ed invece coincidente con quella della detta forza di portanza p. Il moto dell'imbarcazione, determinato dalle forze di portanza sulle vele p e rappresentato qualitativamente del vettore Dp può utilmente, a fini esplicativi, essere scomposto, con la regola del parallelogrammo, secondo la direzione dell'avanzamento Da e secondo la sua perpendicolare Ds, detta quest'ultima scarroccio.

Essendo lo scarroccio Ds una componente del movimento indesiderata, in quanto diretta ortogonalmente all'avanzamento, vengono comunemente fissate agli scafi ed immerse in acqua appendici adatte a contrastare il movimento in quella direzione: le stesse superfici laterali dello scafo, derive, chiglie, timoni ed altro. Alcuni tipi di queste appendici immerse funzionano meramente per il principio di azione e reazione: offrendo cioè resistenza al movimento nella direzione dello scarroccio. I tipi più moderni ed efficienti di appendici, invece, basandosi sullo stesso teorema di Bernoulli, sfruttano lo scorrimento del fluido (acqua) A, che si determina quando l'imbarcazione inizia a muoversi nella direzione E, risultante dall'interazione delle forze impresse dalle vele allo scafo e dal contrasto allo scarroccio delle parti immerse, sul corpo solido di un appendice a sezione alare appositamente fissata allo scafo ed immersa S per generare una forza di portanza P, analogamente a quella generata dalle vele p ed adatta a contrastare più efficacemente lo scarroccio, avendo una certa componente Cp ad esso oppostamente diretta. Come è altresì noto le sezioni alari percorse da un fluido generano forze di portanza quando ricorre almeno uno dei due seguenti casi: sono esse sezioni alari simmetriche lungo l'asse longitudinale ed il fluido le investe con una direzione diversa dallo stesso asse di simmetria, cioè si è in presenza di una certo angolo di incidenza alfa. Oppure sono esse sezioni alari asimmetriche, presentando cioè convessità differenti sui due lati dell'asse longitudinale, ottenendo così di determinare la differenza di velocità del flusso fluido che genera, secondo il teorema di Bernoulli, le forze di portanza anche in assenza di incidenza.

Essendo che l'imbarcazione, come sopra descritto, si muove secondo una direzione E diversa dal suo asse longitudinale x il fluido percorre il profilo alare immerso S e fissato appositamente allo scafo con l'asse longitudinale nella direzione dell'asse longitudinale dello scafo stesso di dette appendici con una data incidenza alfa, generando pertanto la portanza P desiderata per contrastare più efficacemente la componente del movimento nella direzione dello scarroccio Ds.

Quasi tutte le barche a vela moderne sono dotate di simili appendici rigide a profilo alare simmetrico.

Appare evidente che una maggiore efficienza, sia in modulo che in direzione, nel generare portanza idrodinamica P, e segnatamente della sua componente contraria allo scarroccio Cp, delle appendici immerse contribuisce maggiormente a contrastare la componente dello scarroccio Ds e conseguentemente a determinare una direzione di movimento finale dell'imbarcazione E più vicina a quella di puro avanzamento Da lungo il proprio asse longitudinale x.

Per il teorema di Bernoulli, la forza di portanza che si crea su di un profilo alare immerso S in un fluido in movimento dipende dalla differenza di velocità di scorrimento del fluido sui due lati del profilo. Questa differenza di velocità, e quindi la portanza generata P, può essere incrementata aumentando, entro certi limiti, l'incidenza alfa del fluido, oppure utilizzando un profilo alare asimmetrico che a parità di velocità ed incidenza del movimento del fluido A svilupperà una maggiore e più convenientemente diretta forza di portanza P.

Essendo lo scopo delle appendici immerse quello di generare forze di portanza in grado di contrastare con la massima efficienza possibile lo scarroccio Ds, determinando un movimento dell'imbarcazione diretto più verso l'avanzamento Da, la ricerca si è orientata a realizzare appendici a sezione alare immerse il più possibile efficienti nel generare portanza.

Esistono infatti appendici a profilo alare simmetrico e rigido e di diverse forme e caratteristiche di efficienza, ed esistono appendici a profilo modificabile con appositi meccanismi. Tali particolari appendici immerse a profilo variabile sono, ad esempio, descritte nei brevetti: US-B-4537143 e US-B-4280433.

La tecnica nota di cui sopra presenta alcuni importanti inconvenienti.

Le appendici con profilo simmetrico e rigido, infatti, raggiungono la loro massima efficienza solo in determinate condizioni di velocità e direzione dello scorrimento del flusso dell'acqua, sviluppando in tutti gli altri casi una portanza inferiore a quella desiderata . Sostanzialmente sviluppano la massima efficienza solo in particolari condizioni di scorrimento dell'acqua in velocità ed incidenza.

Tale inconveniente è parzialmente risolto dalle dette appendici con profili alari modificabili. Tuttavia queste ultime necessitano di intervento dell'equipaggio per modificare il loro profilo rendendo il governo dell'imbarcazione alla ricerca della massima velocità e del migliore angolo di avanzamento rispetto al vento particolarmente complesso e richiedente continui aggiustamenti che seguano il continuo variare delle condizioni di scorrimento del flusso dell'acqua. Inoltre la direzione e la velocità del flusso dell'acqua sulle appendici immerse sono dati di difficile ed imprecisa acquisizione e di ancora più difficile comparazione, in modo istantaneo, con la sezione alare più efficiente in quel dato istante, rendendo di fatto indisponibile il dato necessario all'operatore che dovrebbe modificare la sezione dell'appendice.

I meccanismi necessari per la modifica del profilo in esse presenti, inoltre, rendono difficile la realizzazione di appendici che possano avere una struttura portante di sezione e caratteristiche meccaniche sufficienti a reggere le pesanti zavorre spesso poste all'estremità inferiore delle appendici immerse e necessarie per contrastare lo sbandamento laterale dell'imbarcazione.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

In questa situazione data, il compito tecnico dell'invenzione è ideare un'appendice immersa in grado di risolvere sostanzialmente gli inconvenienti citati.

Nell'ambito di detto compito tecnico un importante scopo dell'invenzione è ottenere un appendice immersa che sia in grado di modificare la propria sezione alare da simmetrica ad asimmetrica in modo istantaneo ed automatico. Reagendo cioè istantaneamente ed automaticamente ad ogni modificarsi della direzione e velocità del flusso dell'acqua che la investe modificando la forma della propria sezione alare e conseguentemente assumendo al variare delle condizioni del flusso, cioè della direzione del moto dell'imbarcazione, la forma della sezione alare più efficiente nel contrastare lo scarroccio, senza intervento di operatori. Un altro importante compito tecnico è di ottenere un'appendice immersa che conservi una sezione resistente, da vincolarsi allo scafo, sufficiente a reggere gli sforzi di assiali, di flessione e torsione indotti dalla eventuale zavorra fissata alla sua estremità inferiore, oltre che dalle forze idrodinamiche su di essa agenti.

Un ulteriore scopo è di ottenere un'appendice di semplice ed economica costruzione ed utilizzo.

Il compito tecnico e gli scopi specificati sono raggiunti da un'appendice immersa installata su di una barca a vela come rivendicato nella annessa rivendicazione indipendente.

Esecuzioni preferite sono evidenziate nelle rivendicazioni dipendenti.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La fig. 1 illustra alcune delle forze in gioco in una situazione tipica di navigazione di una barca a vela vista dall'alto e le direzioni qualitative dei movimenti.

La fig. n. 2a mostra in sezione normale l'appendice secondo l'invenzione in una prima configurazione e la Fig.2b mostra in sezione normale l'appendice secondo l'invenzione in una seconda configurazione differenti.

Le fig. 2c, 2d, 2e e 2f mostrano particolari ingranditi dell'appendice secondo l'invenzione nelle due configurazioni differenti.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

L'appendice, in una sua esecuzione preferita secondo l'invenzione e con riferimento ai disegni di cui sopra definita globalmente dal n.1, è costituita da un'anima strutturale portante 2 atta ad essere vincolata solidamente allo scafo ed alla eventuale zavorra ed a reggere gli sforzi da essa indotti, per esempio costruita in acciaio o fibrocompositi ad alta resistenza; un elemento esterno 3, a diretto contatto con l'acqua, almeno parzialmente deformabile elasticamente, per esempio costruito di gomma telata, che abbia in sezione normale il profilo alare simmetrico scelto in fase di progetto, disposto lungo l'asse longitudinale dell'imbarcazione x e che sia cavo al suo interno; uno o più elementi rigidi, per esempio metallici, intermedi 4-5 vincolati solidamente all'elemento deformabile esterno 3, per esempio tramite vulcanizzazione, e conformati in modo da contenere geometricamente l'anima strutturale 2 ed a mantenere la possibilità di compiere movimenti rotatori o traslatori rispetto ad essa, alla quale non sono quindi fissati benché, in qualche punto, a contatto. L'anima strutturale 2 verrà chiamata in seguito trave, l'elemento esterno 3 involucro alare e gli elementi rigidi 4-5 ad esso vincolati profilati.

La sezione normale dell'appendice 1 e dei sui elementi costitutivi è illustrata in una realizzazione preferita nella fig. 2.

La trave 2 sarà realizzata in materiale il più possibile rigido e dalle proprietà meccaniche e geometriche adatte a sopportare gli sforzi indotti dalla eventuale zavorra e dalle forze idrodinamiche generate dall'appendice nel suo complesso. Avrà una sezione adatta, inoltre, ad essere solidamente fissata allo scafo dell'imbarcazione ed alla zavorra stessa. La sezione normale della trave 2 dovrà comunque essere geometricamente adatta ad essere contenuta dai profilati 4-5 attorno ad essa calzati, senza essere fissati. La sua sezione dovrà inoltre consentire ai predetti profilati 4-5 di compiere i movimenti necessari al funzionamento complessivo dell'appendice 1, e segnatamente, a deformare l'involucro alare 3 secondo la forma e nei limiti desiderati.

L'involucro alare 3, nella sezione normale, presenterà verso l'esterno ed a contatto con l'acqua il profilo alare simmetrico di volta in volta scelto in fase di progetto per la condizione di riposo rappresentata nella Fig. 2a, e sarà costruito con materiali adatti a deformarsi parzialmente in modo elastico conservando le proprietà meccaniche. Nella sezione normale, inoltre, l'involucro alare 3 presenterà una cavità della forma adatta a contenere geometricamente i profilati 4-5, saldamente fissati ad esso, e la trave 2. La forma della cavità sarà adatta a consentire la deformazione dell'involucro alare 3 onde ottenere la serie di sezioni asimmetriche desiderate nonché a porre un limite alla deformazione stessa onde non superare la fase elastica della deformazione del materiale né raggiungere una eccessiva asimmetria della sezione. Il materiale, o i materiali, scelti dovranno inoltre essere adatti a resistere il più possibile all'aggressione chimica e biologica derivante dalla prolungata permanenza in acqua. I profilati intermedi 4-5 saranno costruiti con materiale il più possibile rigido, per esempio acciaio o titanio, e la loro forma, in sezione normale, sarà adatta a fungere da leva azionata dalle forze idrodinamiche loro trasferite dall'involucro alare 3 al quale sono solidamente fissati ed il cui fulcro sarà contenuto nella sezione resistente della trave 2 e la cui azione deformerà conseguentemente nel modo desiderato l'involucro alare 3. Detti profili saranno a sezione costante lungo l'asse longitudinale dell'appendice 1 e saranno almeno parzialmente svincolati dalla trave 2 e solidamente fissati ad almeno un punto dell'involucro alare 3.

Quando l'acqua comincia a scorrere sull'appendice 1 a causa del movimento dell'imbarcazione E, se la direzione dello scorrimento A non è orientata lungo l'asse longitudinale dell'appendice, quindi se si è in presenza di scarroccio, le forze idrodinamiche generate dallo scorrimento del fluido ed applicate sui due lati dell'appendice 1, sono differenti tra loro, essendo presente una certa incidenza alfa. Nello specifico sul lato dove si determina una pressione l'involucro alare 3, essendo parzialmente deformabile, trasferisce deformandosi questa pressione ai profilati ad esso vincolati 4-5. Detti profilati 4-5, reagiscono a questa forza ad essi applicata e, non essendo completamente vincolati alla trave 2, compiono un movimento rotatorio, il cui centro di rotazione dipende dalla loro geometria, e modificano la loro posizione 4b-5b rispetto alla trave, assumendo per esempio quella illustrata nella Fig.2b, e quindi all'asse longitudinale dell'appendice x, trasferendo il movimento, sul lato opposto, all'involucro alare 3 che quindi si deforma 3b, nel caso specifico aumentando la convessità come illustrato nella Fig, 2b , e consentendo all'appendice 1 nel suo complesso di assumere in modo automatico ed istantaneo, in sezione normale, il profilo alare asimmetrico 1b desiderato ed adatto, di volta in volta, alle diverse e mutevoli condizioni di direzione e velocità del flusso dell'acqua A per sviluppare la maggiore portanza P possibile.

Reciprocamente, sul lato dell'appendice 1 sul quale le forze idrodinamiche determinano invece una relativa depressione, questa indurrà lo stesso movimento al meccanismo e genererà la stessa deformazione desiderata dell'involucro alare 3b e dell'appendice nel suo complesso 1b.

Dette forze idrodinamiche che fanno funzionare il meccanismo sono mutevoli in direzione ed intensità perché generate dalle caratteristiche istantanee del flusso del fluido che scorre sull'appendice A, a sua volta dipendente dalla velocità e direzione E dell'imbarcazione B alla quale l'appendice 1 è solidamente fissata. Questo continuo mutamento, in diretta relazione col moto dell'imbarcazione, determina così continue differenze di rotazione dei profilati 4-5 e di conseguente deformazione dell'involucro alare 3 consentendo alla forma complessiva dell'appendice 1-1b di assumere, in sezione normale, istantaneamente ed automaticamente, senza intervento di operatori, la sezione alare asimmetrica desiderata e più efficiente, in quelle date condizioni istantanee di moto dell'imbarcazione E, nello sviluppare la portanza P ricercata per contrastare più efficacemente lo scarroccio Ds.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Appendice immersa per imbarcazione atta, quando vincolata a detta imbarcazione, a contrastarne le componenti del moto in direzioni indesiderate e costituita da un elemento esterno almeno parzialmente deformabile e da un corpo portante, in esso elemento esterno geometricamente contenuto, atto ad essere vincolato a detta imbarcazione e ad eventuali zavorre, detta appendice caratterizzata dal fatto di potere deformarsi, assumendo almeno una diversa forma esterna, reagendo automaticamente e senza interventi esterni alle modificazioni delle forze idrodinamiche agenti su detta appendice.
2. 2) Appendice immersa per imbarcazione secondo la rivendicazione 1 in cui detto elemento esterno presenti, nella sezione ortogonale, almeno una condizione in cui abbia forma, in sezione ortogonale, di profilo alare simmetrico e che sia caratterizzato dalla possibilità di deformarsi assumendo, nella sezione ortogonale, la forma di almeno un profilo alare asimmetrico.
3. 3) Appendice immersa per imbarcazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui detto elemento esterno comprenda al suo interno il detto corpo portante e che sia caratterizzato dal fatto di non essere rigidamente vincolato a detto corpo portante, benché eventualmente a contatto con esso.
4. 4) Appendice immersa per imbarcazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui detto elemento esterno comprenda nella sua cavità e sia vincolato ad almeno un elemento intermedio che sia conformato in modo da contenere geometricamente, in sezione ortogonale, il detto corpo portante, e che detto elemanto intermedio sia caratterizzato dal fatto di non poter modificare la propria posizione, geometria od orientamento senza deformare il detto elemento esterno.
5. 5) Appendice immersa per imbarcazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui detto elemento intermedio sia caratterizzato dal fatto di poter ruotare o traslare o modificare elasticamente la propria geometria rispetto al detto corpo portante e conseguentemente deformare il detto elemento esterno.
6. 6) Appendice immersa per imbarcazioni secondo una o più delle rivendicazioni precedenti che comprenda più di uno di detti elementi intermedi vincolati all'elemento esterno e caratterizzata dal fatto che almeno uno di essi elementi intermedi reagisca ad eventuali deformazioni dell'elemento esterno, determinate dalle modificazioni delle pressioni idrodinamiche agenti su detta appendice, compiendo movimenti, rotatori o traslatori, o modificando la propria geometria o una qualsiasi combinazione di questi effetti rispetto al detto corpo portante fisso ed agendo come una leva deformi conseguentemente il detto elemento esterno.
7. 7) Imbarcazione o natante caratterizzato dal fatto di comprendere un'appendice immersa secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.