ITMI20141346A1 - Vele per imbarcazioni comprendenti elementi in materiali a memoria di forma, apparato e metodo per il loro funzionamento - Google Patents

Description

VELE PER IMBARCAZIONI COMPRENDENTI ELEMENTI IN MATERIALI A MEMORIA DI FORMA, APPARATO E METODO PER IL LORO FUNZIONAMENTO

La presente invenzione riguarda in generale la propulsione a vento di imbarcazioni e pi? in particolare vele per imbarcazioni comprendenti sistemi a memoria di forma comprendenti elementi fatti di materiali a memoria di forma, detti sistemi a memoria di forma essendo disposti in corrispondenza delle stecche di una vela.

Sono stati recentemente suggeriti metodi di regolazione per vele basati sull?idea di utilizzare sistemi a memoria di una forma.

La domanda di brevetto intemazionale PCT/IB2014/058972 a nome di uno degli inventori descrive ad esempio l?uso di elementi a memoria di forma per la regolazione di vele per imbarcazioni, nonch? un apparato ed un metodo per il loro funzionamento e controllo.

L?articolo ?Shape memory alloys could transform yatching? di Adam Voorhees, pubblicato il 1 luglio 2010 su SMST E-Elastic Newsletter, pagine 1-3, propone di fabbricare vele per imbarcazioni provviste di uno scheletro fatto di una lega a memoria di forma che consente di trasformarle da strutture statiche o passive a strutture attive o dinamiche, cos? da raggiungere prestazioni ottimali per ogni angolo di navigazione, velocit? del vento e, pi? in generale, condizione del mare.

L?autore dell? articolo di cui sopra ha inoltre divulgato ulteriori informazioni su questo argomento attraverso Internet in un post pubblicato il 16 ottobre 2009 ed intitolato: ?Supermaxi, th? victory of adaptive and transformable technologies?. Il post pu? essere rintracciato al link qui sotto riportato:

http://oceanshaker.com/2009/10/16/supermaxi-the-victory-of-adaptive-andtransform able-technologies/.

In questo post l?autore insegna, sebbene in modo piuttosto speculativo, l?uso di materiali a memoria di forma per fabbricare le stecche di una vela. Tuttavia, questa soluzione presenta alcuni svantaggi, in particolare perch? per realizzare stecche che abbiano un?adeguata resistenza strutturale ? necessaria un?eccessiva quantit? di materiale memoria di forma, il che conduce ad un aumento del peso della vela e quindi a scarse prestazioni. Esiste pertanto il bisogno di migliorare il controllo di una vela agendo sulle stecche, il che ? uno scopo della presente invenzione.

In un suo primo aspetto ? invenzione riguarda una vela per imbarcazioni a vela avente una o pi? stecche, in cui una coppia di sistemi a memoria di forma ? operativamente collegata ad almeno una di dette stecche ed in cui detti sistemi a memoria di forma sono disposti su lati opposti della stecca rispetto alla superficie della vela e comprendono uno o pi? elementi a memoria di forma che corrono lungo detta stecca. L?idea che soggiace all?invenzione ? quindi quella di controllare le stecche di una vela per imbarcazioni mediante sistemi a memoria di forma, consentendo cos? di avere un controllo dinamico della vela senza influenzarne la struttura complessiva ed il peso.

L?espressione sistema a memoria di forma comprende in modo ampio una qualunque struttura che incorpori uno o pi? elementi a memoria di forma. Tali elementi possono ad esempio essere fili o nastri, come pure una pluralit? di elementi a memoria di forma raggruppati come ad esempio descritto nella suddetta domanda di brevetto intemazionale PCT/IB2014/058972. Nel caso di fili metallici a memoria di forma, il diametro di filo preferito ? compreso tra 0.1 e 2 mm.

Inoltre, i sistemi memoria di forma possono svilupparsi non per l?intera lunghezza delle stecche, ma su almeno il 75% della loro lunghezza, pi? preferibilmente il 90%. Tale ricopertura della lunghezza pu? essere ottenuta in modo equivalente mediante pi? sistemi disposti vicini gli uni agli altri, anche se tale soluzione non ? quella ottimale.

Il termine ?stecca? indica solitamente un singolo elemento, ma per gli scopi della presente invenzione questo termine comprende inoltre elementi che sono giuntati uno all?altro o che sono disposti vicini tra loro (tipicamente a meno di 5 cm), cio? che da un punto di vista funzionale del controllo della vela sono equivalenti ad una stecca costituita da un singolo elemento.

L?invenzione sar? ulteriormente illustrata con l?aiuto delle seguenti figure in cui: la figura 1 mostra una vista laterale di una vela secondo la presente invenzione; le figure da 2 a 4 sono viste in sezione trasversale prese lungo un piano che passa attraverso la linea X-X della figura 1 e che mostrano rispettivamente tre diverse forme realizzative della vela secondo l?invenzione;

la figura 5 ? una vista dall?alto di un?ulteriore forma realizzativa della vela secondo l?invenzione; e

la figura 5A ? una vista in sezione trasversale prese lungo un piano che passa lungo la linea Y-Y della figura 5.

Le dimensioni ed i rapporti dimensionali degli elementi mostrati nei disegni sono stati alterati per facilitarne la comprensione. In particolare gli spessori dei sistemi a memoria di forma nelle viste in sezione trasversale sono stati ingranditi per mostrarne chiaramente la disposizione rispetto alla stecca ed alla superficie della vela. Inoltre per amore di chiarezza non sono stati mostrati nei disegni elementi aggiuntivi che non sono essenziali per la comprensione dell?invenzione, come ad esempio collegamenti elettrici, cavi e fili.

La presente invenzione si basa sull?uso di coppie di sistemi a memoria di forma operativamente collegati alle stecche di una vela in modo da controllarne la curvatura. Gli inventori hanno osservato infatti che le stecche di una vela sono i componenti strutturali pi? sollecitati di una vela e quindi le porzioni pi? efficaci per la realizzazione di un controllo dinamico della vela.

Le vele secondo la presente invenzione comprendono almeno una stecca che ? sottoposta al controllo di una coppia di sistemi a memoria di forma ad essa operativamente collegati. I sistemi a memoria di forma sono collegati alla stecca in modo che l?accorciamento associato con la loro attivazione e la forza di trazione risultante determinino l?incurvamento della stecca. Il grado di incurvamento pu? essere scelto, e quindi controllato, regolando la forza di trazione esercitata dai sistemi a memoria di forma.

Secondo una forma realizzativa dell?invenzione, i sistemi memoria di forma disposti su lati opposti della stecca vengono azionati in modo alternato. Il grado di incurvamento della stecca pu? anche essere ottenuto vantaggiosamente alimentando i sistemi memoria di forma della coppia con correnti che hanno intensit? differenti. Ci sono quattro forme realizzative principali della presente invenzione. Secondo una forma realizzativa dell?invenzione, i sistemi memoria di forma di ciascuna coppia sono montati direttamente sulla rispettiva stecca. In questo caso, si preferisce che i sistemi a memoria di forma siano collegati in prossimit? delle estremit? della stecca, preferibilmente ad una distanza da ciascuna estremit? che non sia maggiore del 20% della lunghezza della stecca. Ancor pi? preferibilmente, i sistemi memoria di forma sono collegati in corrispondenza delle estremit? della stecca.

In una forma realizzativa alternativa dell?invenzione i sistemi memoria di forma di ciascuna coppia sono vincolati su facce opposte della vela in corrispondenza di una stecca della vela.

In un?ulteriore forma realizzativa dell?invenzione, i sistemi memoria di forma di ciascuna coppia sono inseriti all?interno di tasche ricavate nella vela per accogliere le stecche e sono fissati alle superfici interne delle tasche in modo da essere rivolti verso lati longitudinali opposti di una stecca.

In ancora un?ulteriore forma realizzativa dell?invenzione, i sistemi a memoria di forma di ciascuna coppia sono collegati all?estremit? di una stecca e distanziati dai suoi lati longitudinali mediante un elemento distanziale che ? preferibilmente disposto in una porzione intermedia della stecca.

La figura 1 mostra una vista laterale di un esempio di vela 10 secondo la presente invenzione. La vela comprende ad esempio tre stecche 11, 12, 13 due delle quali, ad esempio le stecche 12, 13, sono operativamente collegate a rispettive coppie 131, 13 ?, 132, 132? di sistemi a memoria di forma. In figura 1 sono mostrati solo gli elementi 131, 132 di queste coppie, i rispettivi altri elementi di ciascuna coppia, cio? 13 ?, 132?, essendo disposti sul lato opposto della vela.

I sistemi a memoria di forma mostrati in figura 1 possono ad esempio comprendere una pluralit? di fili a memoria di forma tra loro paralleli e raggruppati.

II diametro di filo preferito ? compreso tra 0.1 e 2 mm.

Le vele secondo la presente invenzione sono caratterizzate dalla presenza di almeno una coppia di sistemi in memoria di forma disposti su lati opposti della vela in corrispondenza di almeno una delle stecche della vela ed operativamente collegati ad essa.

Non ? essenziale che tutte le stecche della vela siano operativamente collegate a rispettive coppie di sistemi a memoria di forma, sebbene tale soluzione sia quella preferita.

La figura 2 mostra una vista in sezione trasversale di una vela 100 secondo una forma realizzativa della presente invenzione. Come si pu? vedere, le tre stecche 11, 12, 13 sono inserite in rispettive tasche 1100, 1200, 1300 ricavate nella vela, i sistemi a memoria di forma delle coppie 131, 13 ?, 132, 132? sono disposti e fissati su superi! ci opposte della vela in corrispondenza di due delle stecche, cio? le stecche 12 e 13.

La figura 3 mostra una vista in sezione trasversale di una vela 200 secondo una forma realizzativa dell?invenzione. In questo caso le coppie di sistemi memoria di forma sono coppie di fili paralleli 231, 23 ? e 232, 232? che sono a diretto contatto con le stecche 12, 13 e sono disposti con esse all?interno delle rispettive tasche.

I fili a memoria di forma di ciascuna coppia sono montati sulle rispettive stecche cos? da essere vicini alle superi! ci opposte della vela e pertanto da esercitare correttamente la loro funzione.

La figura 3A mostra una vela 2000 secondo un?ulteriore forma di realizzazione dell?invenzione. La configurazione della vela 2000 ? sostanzialmente la stessa della vela 200 di figura 3, l?unica differenza essendo che le stecche e le rispettive coppie di fili a memoria di forma sono direttamente incorporati nella struttura della vela. In altre parole, nella vela non sono ricavate tasche per le stecche. Questo ? per sottolineare che la presenza di tasche per l?alloggiamento delle stecche della vela non ? una caratteristica essenziale dell?invenzione, sebbene generalmente preferita.

La figura 4 mostra una vela 300 secondo un?altra forma realizzativa della presente invenzione. In questo caso, i sistemi a memoria di forma di ciascuna coppia 331, 33 ? e 332, 332? sono disposti e fissati alle superfici interne delle rispettive tasche per le stecche 1302, 1303 in modo da essere rivolti verso i lati longitudinali opposti della stecca.

Le figure 5 e 5A mostrano rispettivamente una vista dall?alto ed una vista in sezione trasversale di una porzione di una vela 50 secondo ancora un?ulteriore forma realizzativa dell?invenzione. In questo caso una stecca 51 della vela 50 comprende un elemento distanziale 52 che ? preferibilmente disposto in una sua porzione intermedia. Il sistema a memoria di forma operativamente collegato alla stecca 51 comprende due fili a memoria di forma 53, 53? disposti sui suoi lati longitudinali opposti e vincolati alle sue estremit?. Ciascun filo ? distanziato dalla stecca 51 dall?elemento distanziale 52, per cui i fili 53, 53? non corrono paralleli alla stecca 51 ma sono inclinati rispetto ad essa come chiaramente mostrato in figura 5.

Pi? in generale, nel caso di sistemi a memoria di forma comprendenti elementi filiformi singoli si preferisce un collegamento diretto alla stecca. Quando invece si utilizzano sistemi memoria di forma pi? complessi, ad esempio comprendenti gruppi di fili, si preferisce collegarli su superfici opposte della vela o fissarli all?interno delle tasche che alloggiano le stecche.

I sistemi memoria di forma possono essere incorporati o inseriti nella struttura della vela, ad esempio durante la fabbricazione, o semplicemente applicati esternamente sulle sue superfici.

I sistemi memoria di forma possono essere parte dello stesso materiale della vela o incorporati in esso mediante saldatura, incollaggio, cucitura, stampaggio, laminazione, stampa, incorporazione tra strati (per vele multistrato), crimpatura, equivalenti o loro combinazioni. L?applicazione dei sistemi memoria di forma dall?esterno sulle superfici della vela ? particolarmente adatta per la modifica a posteriori di vele esistenti.

Sistemi a memoria di forma incorporati in una vela come sopra descritto sono collegati e azionati mediante un apparato di controllo della vela secondo l?invenzione. Pi? in particolare i sistemi a memoria di forma sono collegati a terminali elettrici vincolati alla struttura di supporto della vela. I terminali elettrici sono a loro volta collegati ad un?interfaccia elettrica operativamente collegata ad una sorgente di alimentazione elettrica.

L?alimentazione pu? essere vantaggiosamente regolabile. A questo scopo l?apparato di controllo pu? comprendere azionamenti manuali. E inoltre possibile il controllo automatico o semiautomatico dell?alimentazione e a questo scopo l?apparato di controllo pu? comprendere un microprocessore nel quale ? memorizzato un programma di controllo eventualmente configurato per ricevere segnali di ingresso esterni da uno o pi? sensori installati in posizioni prestabilite della vela e/o sulla barca a vela sulla quale ? montata la vela. Ulteriori sensori possono essere installati su posizioni non attive della vela per raccogliere dati di riferimento e confronto.

Tali sensori possono ad esempio essere sensori di pressione, sforzo, distorsione, velocit? e direzione del vento, preferibilmente installati sulla vela in corrispondenza della porzione centrale della stecca. I sensori sono operativamente collegati al microprocessore attraverso un circuito e/o una connessione senza fili mediante un?antenna e forniscono al microprocessore i segnali di ingresso esterni che consentono di far funzionare i sistemi a memoria di forma non solo sulla base del programma di controllo memorizzato nel microprocessore, ma anche prendendo in considerazione le condizioni esterne ed ambientali, cos? migliorando il controllo della vela. In una forma realizzativa preferita i sistemi memoria di forma sono regolati in modo automatico per compensare la curvatura della stecca.

Altri segnali di ingresso per il microprocessore potrebbero essere forniti attraverso una o pi? unit? di ingresso supplementari operativamente collegati ad esso.

La corrente fornita ai sistemi a memoria di forma dipende dal numero, dalla dimensione e dal tipo di elementi memoria di forma incorporati in un sistema a memoria di forma. Nel caso preferito di fili a memoria di forma, viene fornita ciascuno di essi una corrente compresa tra 100mA e 20 A. Gli esperti del ramo comprenderanno che i valori della corrente sono correlati alla dimensione del filo. In considerazione di questo, il rapporto tra la corrente ed il diametro ? preferibilmente compreso tra 1000 e lOOOOmA/mm.

L?invenzione non ? diretta ad alcuna tipologia particolare n? forma di vela e pu? essere vantaggiosamente applicata a vele per imbarcazioni di piccola stazza, come anche a vele per yacht di lusso. Quindi, indipendentemente dalla stazza dell?imbarcazione, una vela secondo l?invenzione pu? essere la vela principale, ma anche una vela ausiliaria come il fiocco, la vela di mezzana, la vela di prua e simili.

E noto che quando elementi fatti di una lega a memoria di forma vengono azionati termicamente essi si accorciano di una percentuale prevedibile, che ? fino a circa l?8%-9% in funzione del materiale e della quantit? di energia termica.

Tra le classi di materiali a memoria di forma idonei agli scopi della presente invenzione ci sono i polimeri a memoria di forma e le leghe memoria di forma. E noto che componenti filiformi fatti di una lega memoria di forma si accorciano quando la loro struttura ? soggetta ad un cambiamento di fase da martensitica (fase a bassa temperatura) ad austenitica (fase ad alta temperatura).

Ciascuna lega ? tipicamente caratterizzata da quattro temperature di riferimento rispettivamente indicate con gli acronimi ?As?, ?Af?, ?Ms? ed ?Mi?. ?As? indica la temperatura alla quale avviene una transizione iniziale dalla struttura martensitica quella austenitica a causa del riscaldamento, ?Ms? indica la temperatura alla quale avviene la transizione inversa dalla struttura austenitica quella martensitica quando inizia il raffreddamento. Come nel caso dell?invenzione, il raffreddamento ? spesso una raffreddamento di tipo passivo, che risulta dall?interruzione della fase di riscaldamento come conseguenza dell?interruzione dell?alimentazione. ?Af? e ?Mf? indicano le temperature alle quali avviene il completo cambiamento di fase. Leghe a memoria di forma adatte agli scopi della presente invenzione hanno una temperatura ?Mf ? uguale o maggiore di 40?C ed una temperatura ?As? che preferibilmente circa 10-20?C pi? alta della temperatura ?Mf?.

Le altre due temperature di riferimento che caratterizzano un ciclo di isteresi di una lega memoria di forma giocano un ruolo marginale per gli scopi della presente invenzione.

Lega memoria di forma allenate per temperature di transizione specifiche sono ampiamente disponibili in commercio e tali leghe nelle loro propriet? sono ben note agli esperti del ramo. Leghe a memoria di forma basate su Ni-Ti, come ad esempio Nitinol, sono tra le leghe pi? diffuse note nel settore ed ? possibile reperire informazioni su di esse da molte fonti, ad esempio dai brevetti US 8,152,941 e US 8,430,981 a nome della SAES Smart Materials, che riguardano gli ultimi sviluppi sul Nitinol, o dal brevetto US 4,830,262 a nome della Nippon Seisen riguarda le propriet? di base del Nitinol.

Sono inoltre idonee per gli scopi della presente invenzione le leghe a memoria di forma basate su Ni-Ti-Cu. Informazioni su queste leghe possono essere reperite nel brevetto US 4,337,090 concesso a Raychem.

Tutte queste leghe presentano una buona duttilit?, caratteristiche superelastiche ed una ottima resistenza alla corrosione. Inoltre, queste leghe non sono magnetiche ed hanno la capacit? di recuperare deformazioni fino a circa l?8,5%.

Sono preferibilmente impiegate leghe a memoria di forma che presentano una resistivit? elettrica e temperature di transizione idonee ad essere scaldate per effetto Joule impiegando sorgenti di alimentazione tipicamente presenti sulle imbarcazioni a vela, come per esempio batterie.

In un secondo aspetto l?invenzione consiste in un apparato di controllo per vele per imbarcazioni, detto apparato comprendendo terminali elettrici configurati per essere collegati ad almeno una coppia di sistemi a memoria di forma operativamente collegati alla struttura della vela in corrispondenza di almeno una delle sue stecche. L?apparato di controllo comprende inoltre un?interfaccia elettrica ed una sorgente di alimentazione elettrica operativamente collegata a detta interfaccia elettrica, in cui l?interfaccia elettrica ? configurata per alimentare in modo selettivo i sistemi a memoria di forma con una corrente elettrica.

La corrente alimentata ad uno qualsiasi dei sistemi memoria di forma della coppia ? solitamente diversa, cosicch? la stecca raggiunga la forma desiderata, in particolare il grado di curvatura desiderato.

Quando non viene alimentata corrente elettrica ad uno dei sistemi a memoria di forma della coppia, essi vengono azionati in modo alternato.

Il funzionamento selettivo dei sistemi memoria di forma operativamente collegati alle stecche della vela consente una fine regolazione della vela addirittura in corrispondenza di sue singole porzioni in funzione delle condizioni del vento.

L?alimentazione della corrente verso i sistemi a memoria di forma pu? essere manuale o automatica attraverso i suddetti sensori. Inoltre, alcuni fili in lega a memoria di forma dei sistemi a memoria di forma potrebbero essere calibrati per reagire in modo automatico a deformazioni/allungamenti del filo a memoria di forma, in modo che tali elementi seguano la curvatura della vela per compensarla in modo automatico.

Infine, in un suo terzo aspetto l?invenzione consiste in un metodo per controllare il funzionamento di una vela per imbarcazioni, detto metodo comprendente le fasi di: i) fornire una vela con almeno una coppia di sistemi memoria di forma comprendenti elementi a memoria di forma fatti di una lega a memoria di forma o di un polimero a memoria di forma, detti sistemi memoria di forma essendo incorporati nella struttura della vela o applicati sulle sue superfici mediante saldatura, incollaggio, cucitura, stampaggio, laminazione, stampa, crimpatura o loro combinazioni;

ii) disporre e collegare operativamente i sistemi memoria di forma dell?almeno una coppia in corrispondenza di almeno una stecca della vela sui suoi lati longitudinali opposti rispetto alla superficie della vela;

iii) alimentare selettivamente una corrente elettrica verso i sistemi memoria di forma cos? disposti.

La corrente ? preferibilmente alimentata solo ad un sistema di forma per volta per ciascuna stecca.

La presente invenzione ? stata fin qui descritta con riferimento a forme di realizzazione preferite e non limitative. Si comprender? che possano esistere altre forme realizzative che si riferiscono alla stessa idea inventiva come definita dall?ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (1)

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