Hai mai fatto caso a quanto la barca a vela sia un concentrato di principi fisici affascinanti?
Come fa a galleggiare, come fa a non ribaltarsi, come fa a muoversi con la forza del vento, anche in senso contrario… Queste sono le meraviglie della fisica applicata al mondo nautico!
Siamo in pieno agosto: prepara una bibita fresca e mettiti comodo perché oggi ci imbarcheremo in un viaggio attraverso la fisica della barca a vela. Non preoccuparti, è una newsletter di cultura generale per tutti, quindi non ci saranno complessi calcoli o formule, ma spiegazioni il più possibile semplificate per conoscere i principali fenomeni fisici applicati alla nautica.
Non ci resta che salpare! ⛵️
Come fa a galleggiare una barca nonostante il suo peso considerevole?
Questa è una delle domande che ci siamo posti almeno una volta nella vita, osservando una barca: "Come fa a non affondare?". Ebbene, parliamo del primo fenomeno fisico che interessa la barca a vela: il galleggiamento.
💡 Principio fisico: Principio di Archimede
Secondo il principio di Archimede, un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l'alto uguale al peso del fluido che sposta.
Cosa significa? 🤔
Quando immergiamo un oggetto in acqua, questo inizia ad occupare dello spazio che prima era occupato dall’acqua.
L’acqua che è stata spostata dalla presenza dell’oggetto, ha la tendenza a tornare ad occupare quello spazio, e così esercita una spinta contro le pareti dell’oggetto.
È come se l’acqua volesse cacciar via l’oggetto, fuori dallo specchio d’acqua!
Vuoi provare a sentire la spinta idrostatica con le tue mani? Prendi una bottiglia vuota e immergila in una vasca. La bottiglia, con il suo ingombro, sposta una certa quantità di acqua, ma poiché è leggera, l'acqua spostata peserà molto di più rispetto alla bottiglia. Allora l'acqua eserciterà una spinta verso l'alto che farà riaffiorare la bottiglia.
La forza che tende a “spingere fuori” l’oggetto è pari al peso dell’acqua che è stata spostata. Quindi, se abbiamo immerso in acqua una bottiglia da 1,5 litri vuota, la spinta che riceveremo sarà pari al peso di 1,5 litri di acqua, cioè circa 1,5 kg.
Allo stesso modo, se una barca immersa nell’acqua ha spostato dalla sua posizione originaria 5000 kg di acqua, la forza di galleggiamento che agirà sulla barca sarà pari a 5000 kg.
A questo punto, se la barca pesa 5000kg, galleggerà, poiché sotto di essa ci sarà l’acqua che spinge verso l’alto con una forza uguale rispetto alla tendenza della barca ad andare giù per la forza di gravità.
Se cambia il peso di una barca (ad esempio per il numero di persone a bordo) la sua linea di galleggiamento varia e va un po’ più a fondo o un po’ più a galla, a seconda che aumenti di peso o che ne perda: per essere in equilibrio di galleggiamento la barca deve spostare sempre una quantità di acqua corrispondente al suo peso effettivo.
Come fa a non ribaltarsi? 🌊
Tutti abbiamo visto una barca a vela inclinarsi a causa del vento con l’impressione che stia per ribaltarsi, eppure, stranamente, non succede.
Per capire come fa una barca a mantenere la stabilità, dobbiamo parlare di due "punti" chiave dello scafo: il baricentro e il centro di carena.
Ma che cosa significa parlare di "punti" in questo contesto? Potremmo pensare a questi "punti" come a dei fulcri invisibili che determinano come la barca si comporta nell'acqua. Non sono punti fisici che puoi toccare o vedere, ma sono piuttosto dei concetti che ci aiutano a capire le forze invisibili in gioco.
💡 Principi fisici: baricentro, centro di spinta, coppia
Il baricentro è il punto immaginario in cui si applica la forza di gravità dovuta al peso della barca.
Il baricentro della barca dipende da come sono distribuiti i pesi a bordo. Ad esempio, quando un grande numero di persone si sposta da un lato della barca, il baricentro si sposta verso quel lato. Se riempiamo la stiva della barca di bagagli, il baricentro si sposta verso il basso. E così via.
Il centro di spinta (o centro di carena), invece, è il punto immaginario in cui si applica la spinta dell'acqua che fa galleggiare la barca.
Il centro di spinta dipende dalla forma dello scafo ma anche dalla posizione della barca sull’acqua: quando la barca si inclina o dondola, la parte di scafo immersa in acqua cambia, e con essa cambia anche il centro di spinta.
Quindi sul baricentro agisce una spinta verso il basso (la gravità) mentre sul centro di spinta agisce una forza verso l’alto (il galleggiamento). La posizione relativa tra questi due “centri” determina la stabilità (o il ribaltamento) di una barca. Vediamo perché.
Stabilità e ribaltamento
Barca in posizione neutra: nella posizione ideale, il centro di spinta e il baricentro sono allineati in verticale sullo stesso asse, al centro della barca.
Barca in posizione inclinata: quando la barca si inclina, ad esempio sul lato destro, la parte di scafo immersa in acqua cambia, e con essa cambia il centro di spinta, che si riposiziona sul lato destro della barca. Ora il centro di spinta non è più in asse con il baricentro!
Quando la barca si inclina, il centro di spinta (verde) si sposta e non è più allineato con il baricentro (giallo).
A questo punto, se il centro di spinta è più esterno rispetto al baricentro, le forze agenti (peso e galleggiamento) tenderanno a riportare la barca in posizione neutra (si parla di coppia raddrizzante).
G esercita una spinta verso il basso. Cs esercita una spinta verso l’alto. Le loro posizioni relative generano una coppia raddrizzante che fa ristabilizzare la barca. Al contrario, se con la nuova posizione assunta dalla barca il centro di spinta è più interno rispetto al baricentro, le forze agenti eserciteranno una coppia abbattente e la barca si ribalterà!
Alla stessa barca di prima abbiamo tolto la zavorra che aveva nella parte inferiore dello scafo. Ora la barca ha il baricentro più alto. Se, come in questo caso, l’inclinazione della barca porta il baricentro in posizione più esterna del centro di spinta, verrà esercitata una coppia abbattente e la barca si ribalterà!
Zavorre per migliorare la stabilità
Per migliorare la stabilità e prevenire l’innesco della coppia abbattente, è importante posizionare il baricentro il più in basso possibile. Ecco perché nelle barche si collocano il motore, i serbatoi e gli altri pesi principali nella parte più bassa dello scafo.
Inoltre le barche a vela sono sottoposte all’inclinazione dovuta alla forza del vento sulle vele, e per questo montano un dispositivo chiamato deriva, una pinna situata sotto allo scafo e dotata di pesanti zavorre che hanno lo scopo di abbassare il baricentro della barca a livelli che non potresti mai immaginare: alcuni scafi possono inclinarsi di lato fino a quasi 90° e tornare dritti senza problemi!
La navigazione a vela con il vento in poppa 💨
Possibile che il vento sia in grado di fare spostare una barca con tutta la sua massa? Altroché.
💡 Principio fisico: forza di trascinamento
Con il vento in poppa, cioè quando il vento soffia alle nostre spalle, la vela funziona come un semplice "muro" che blocca il vento. Il vento, colpendo la vela, la spinge in avanti. La forza esercitata dal vento si chiama forza di trascinamento, o resistenza aerodinamica.
Se prendi un palloncino gonfio e soffi verso di lui, lo vedrai allontanarsi per lo stesso principio fisico che muove la barca a vela con il vento in poppa. Molto semplice e intuitivo.
Ma cosa accade se il vento soffia dalla parte opposta alla direzione da percorrere? È qui che il gioco si fa più interessante.
Come fa la barca a vela a navigare contro vento? ⛵
In effetti la navigazione con il vento perfettamente contrario alla direzione della barca non è possibile.
Ma se ci spostiamo di pochi gradi a sinistra o a destra rispetto alla direzione del vento, esiste un’andatura, chiamata “di bolina”, che consente alla barca di navigare risalendo il vento con un percorso a zig zag, e di farlo anche a grande velocità! In questo caso infatti, la vela non agisce più come un muro, ma come un'ala d’aereo.
💡 Principio fisico: portanza
La portanza è una forza aerodinamica che agisce quando un flusso d’aria (nel nostro caso, il vento) attraversa il profilo di un’ala. È lo stesso principio fisico che rende possibile il volo degli aerei.
Quando la barca naviga di bolina, le vele non vengono gonfiate dal vento come un sacco, ma assumono il ruolo di un’ala rovesciata. Il vento scorre lungo le superfici esterna e interna della vela, proprio come l'aria scorre sopra e sotto le ali di un aereo.
Ciò genera una differenza di pressione tra il lato interno e quello esterno della vela. Il lato interno, esposto sopravento, fa scorrere l'aria più lentamente e crea una zona di alta pressione in prossimità della superficie velica. Il lato esterno sottovento, invece, fa scorrere l'aria più velocemente, creando una zona di bassa pressione.
Questa differenza di pressione genera la portanza, che "tira" la barca verso il lato della vela a bassa pressione. La deriva impedisce alla barca di scarrocciare (cioè di sbandare) e questo gioco di forze si traduce in un avanzamento della barca anche se il vento è quasi contrario.
Grazie a questo fenomeno, le barche possono navigare di bolina, eseguendo un percorso a zig-zag per risalire il vento. Pensa che le barche più performanti, quando procedono con andatura di bolina, possono raggiungere velocità superiori a quelle del vento, proprio perché la forza in gioco non è quella di trascinamento del vento ma della portanza che si genera sulla vela.
E così siamo arrivati alla fine. Non è affascinante osservare come concetti apparentemente astratti abbiano in realtà un riscontro tangibile nel mondo che ci circonda? Ora sei in grado di individuare i fenomeni nascosti che rendono possibile la navigazione a vela. Buon divertimento estivo e come sempre…buona cultura! ☀️