VASCA SPERIMENTALE

VASCA SPERIMENTALE

. Uno dei problemi di architettura navale non ancora risolti con espressioni matematiche è quello del calcolo della resistenza al moto opposta da una nave. Il metodo finora ritenuto più esatto e più pratico è quello sperimentale. Esso consiste nel far muovere, in senso rettilineo ad una data velocità, un modello della nave in una "vasca" di acqua tranquilla; nel registrare, con un dinamometro, la resistenza che il modello oppone al moto e nel dedurre da questa resistenza la resistenza della nave al vero, seguendo la legge newtoniana della similitudine meccanica. Le "vasche", oltre allo studio sperimentale della resistenza delle carene, servono pure per lo studio delle eliche, della propulsione, delle oscillazioni delle navi in acqua calma e in acqua mossa, del governo delle navi, ecc.

Cenno storico. - Tentativi di determinare la resistenza al moto di una nave mediante prove di rimorchio su modelli sembra venissero fatti a Venezia nel '500 e più recentemente in Inghilterra nel 1763, ma senza risultati positivi; esse furono riprese con maggior fondamento scientifico in Francia dal Reech, che primo intuì e applicò la legge newtoniana in questo campo. Applicazioni più vaste e definitive si debbono all'inglese William Froude, che iniziò nel 1867 le prime esperienze col modello della nave Greyhound alla scala di un sedicesimo, rimorchiata da una barca a vapore mediante una lunga e robusta asta di posta: la resistenza del modello venne rilevata mediante un dinamometro autoregistratore. I risultati di queste esperienze vennero brillantemente confermati dalle prove sulla nave al vero eseguite nella rada di Portsmouth (1874).

Dopo queste classiche esperienze, il metodo di Froude si sviluppò rapidamente con appositi impianti (vasche). La prima vasca sorse, con l'aiuto dell'Ammiragliato inglese, a Chelson Cross presso Torquay; nel 1882 la ditta W. Denny Brothers ne impiantò una simile a Dumbarton (Scozia); a queste fece seguito nel 1886 la vasca di Haslar presso Gosport e nel 1887, per iniziativa del ministro Benedetto Brin, quella della Spezia in Italia, la prima fuori del Regno Unito. Quest'ultima iniziò il suo funzionamento sotto la direzione dell'allora capitano del genio navale Giuseppe Rota.

Numerose furono le vasche in seguito allestite altrove: una delle più recenti è quella di Roma. La teoria sulla quale si basano le esperienze alla vasca e il calcolo della resistenza della nave sono indicati nella voce nave: Architettura navale (XXIV, p. 389 segg.).

Procedimenti usati per l'esecuzione delle esperienze. - Generalità. - La vasca per le esperienze di rimorchio sui modelli è costituita di regola in muratura e porta sulle sponde verticali due rotaie che corrono per tutta la sua lunghezza. Queste sono sistemate in guisa che il piano del loro bulbo sia perfettamente orizzontale e distante all'incirca 30 cm. al disopra della superficie dell'acqua.

Sulle rotaie corre, con moto rettilineo uniforme, un carrello provvisto di dinamometri per la registrazione della resistenza opposta al moto dai modelli di navi.

L'acqua impiegata per le esperienze è acqua dolce, e nel calcolo della resistenza della nave al vero è tenuto presente la maggiore densità dell'acqua di mare. La vasca deve avere una larghezza e una profondità sufficienti perché le sponde e il fondo non abbiano influenza sui risultati. In pratica occorre che queste due dimensioni siano almeno 10 volte quelle dei modelli in prova.

Costruzione dei modelli. - I modelli occorrenti per le esperienze vengono fusi in paraffina oppure sono costruiti in legno. Per la costruzione in paraffina, la forma viene scavata in creta umida da scultori, contenuta in un cassone di legno rivestito internamente di piombo e con l'orlo superiore perfettamente orizzontale. Si preparano i profili di un certo numero di sezioni trasversali del modello, avendo cura che essi siano aumentati di circa 10 mm. rispetto al vero. Scavata la forma esterna della carena, si dispone all'interno di essa una specie di controgabbia, che è costruita con una serie di profili delle sezioni trasversali del modello, diminuiti di 20-30 mm. rispetto al vero, rivestiti di tela impermeabilizzata. Tra la forma scavata nella creta e la controgabbia interna, resta un'intercapedine della larghezza di 30-40 mm. che viene riempita di paraffina liquida, fusa a bagnomaria. Per ottenere un raffreddamento rapido e un modello a struttura compatta, senza porosità, viene fatta circolare acqua fredda all'interno della controgabbia.

Il modello in paraffina è poi portato sotto la macchina sagomatrice per la lavorazione di precisione. Il concetto della macchina sagomatrice è il seguente. Si immagini steso su un tavolo il piano delle linee d'acqua, cioè delle linee che si otterrebbero intersecando la carena con una serie di piani equidistanti e paralleli al piano di galleggiamento. Se si ha a disposizione un pantografo meccanico in cui all'indice che segue il profilo corrisponde una fresa con coltelli posti in rotazione a moto rapidissimo, per ogni linea percorsa dall'indice la fresa taglierà esattamente la stessa linea sul modello. In pratica le cose possono essere disposte così. Di ciascuna linea d'acqua viene disegnata metà rispetto al piano longitudinale di simmetria della nave.

Le frese sono due: una di destra e l'altra di sinistra. Il piano delle linee d'acqua è disposto su un tavolo mosso di moto uniforme. Il modello è disposto con la chiglia in alto su un carrello che si muove parallelamente al tavolo del disegno con moto uniforme e con la velocità proporzionale a quella del tavolo contenente il disegno delle linee d'acqua. Mentre una data linea d'acqua passa sotto l'indice della macchina, il modello passa sotto i coltelli delle frese. Mantenendo, durante questo moto, l'indice del pantografo tangente alla linea d'acqua, i coltelli ritagliano sul modello il profilo esatto di questa linea.

Naturalmente occorre di volta in volta abbassare il piano dei coltelli in modo che ciascuna linea d'acqua lavorata si trovi in un piano che disti da quello di galleggiamento della distanza voluta dal disegno

All'uscita dalla macchina sagomatrice il modello presenta un aspetto a scalini. La superficie di carena geometricamente corrispondente al disegno si ottiene asportando le sporgenze a gradini e questa operazione, nel caso di modelli di paraffina, viene fatta a mano da operai specializzati, con pialletti speciali, del tipo di quelli usati per la lavorazione del legno.

Per la lavorazione dei modelli di legno si impiega la stessa macchina sagomatrice.

Carro dinamometro. - Il carro dinamometrico delle prime vasche costruite era in legno a struttura cava, leggerissima, montato su piccole ruote. Il movimento era ottenuto mediante un sistema funicolare mosso da una macchina rotativa a vapore. Attualmente, in quasi tutte le vasche, i carri sono a struttura metallica, a traliccio, assai pesanti, muniti di ruote fino ad un metro di diametro, che corrono su rotaie giganti.

Dinamometro. - Il dinamometro di Froude è del tipo a leva con molla antagonista a spirale cilindrica. È portato dal carro, ed è munito di sistema di abbassamento in modo da poter entrare nel modello. Il collegamento con quest'ultimo è fatto a mezzo elastico con dispositivo a molla triangolare in filo di acciaio. Il modello, nel suo moto di trascinamento a mezzo del carro, è guidato in guisa da mantenere la sua rotta rettilinea, ma è libero di assumere l'assetto che gli compete in base alla velocità di rimorchio.

Il dinamometro trasmette gli allungamenti e gli accorciamenti della molla ad una leva moltiplicatrice munita di un'asta equilibrata che a sua volta registra la resistenza sopra un foglio di carta avvolto su un tamburo. Con apposita taratura si può dedurre la tensione corrispondente a ciascun allungamento della molla e cioè la resistenza al moto del modello di nave. Un cronometro elettrico registra sullo stesso foglio il tempo in mezzi secondi, mentre lo spazio percorso dal carro è segnato da un registratore ad elettrocalamita, che viene interrotto da una serie di arresti disposti a intervalli equidistanti lungo la vasca.

Eseguendo una serie di corse col modello a velocità costante ad ogni singola corsa e progressive fra una corsa e l'altra, il dinamometro autoregistratore fornisce gli elementi della resistenza totale r alle varie velocità v, così che è possibile tracciare la curva delle resistenze in funzione delle velocità di rimorchio.

Da questa curva, seguendo i metodi di calcolo spiegati sotto la voce nave (Architettura navale) si deduce la curva delle potenze effettive in cavalli vapore occorrenti per raggiungere le velocità corrispondenti.

Il carro possiede anche un dispositivo capace di registrare l'assetto assunto dal modello alle successive velocità di rimorchio.

Caratteristiche principali di alcune vasche. - Nella tabella che segue sono raccolte le dimensioni di alcune fra le vasche sperimentali attualmente in servizio. Esse sono disposte nell'ordine cronologico della loro costruzione:

La Vasca nazionale di Roma. - Sorge su terreno alluvionale a 600 metri a sud ovest della basilica di S. Paolo. È costruita in cemento armato sul suolo rassodato da pali, ugualmente di cemento armato, battuti a rifiuto e penetranti a profondità variabile da 8 a 12 m. Essa ha sezione trapezoidale con ossatura indipendente dal capannone. A un'estremità possiede tre vaschette della lunghezza di m. 10 e della profondità di m. 2. L'acqua necessaria per le esperienze è provveduta da un pozzo artesiano a m. 59 di profondità dal piano di campagna.

I modelli impiegati nelle esperienze sono costruiti normalmente di paraffina con aggiunta del 2% di cera vergine e del 6% di stearina e hanno lunghezza variabile da 3 a 8 metri, con dislocamento compreso fra kg. 100 e 1000. La paraffina viene fusa in recipiente ad acqua calda. In casi speciali i modelli sono costruiti in legno.

La macchina sagomatrice è del tipo disegnato dal Gebers e costruito dalla ditta A. Gauser di Vienna. Essa può lavorare il modello per linee d'acqua, per ordinate, per sezioni longitudinali ed anche per linee a doppia curvatura.

La lavorazione a sezioni longitudinali consente di tagliare sul modello il profilo longitudinale che di solito, nella lavorazione per linee d'acqua, non resta ben definito. I modelli per le prove di rimorchio vengono sempre sottoposti alle prove di rimorchio completi di tutte le appendici (ringrossi, bracci porta eliche, timone, alette).

Il carro è metallico, pesa 21 tonn., ha due motori, che gli consentono di raggiungere velocità fino a 12 metri al secondo. Gli apparecchi dinamometrici sono del tipo ad alta precisione, disegnati essi pure dal Gebers di Vienna.

La vasca possiede anche un'apparecchiatura suscettibile di essere alloggiata all'interno dei modelli di navi, per lo studio dell'autopropulsione dei modelli stessi.

Esperienze di propulsione su modelli di eliche. Le vasche sperimentali vengono utilizzate anche per la esecuzione delle prove su modelli di eliche, sia isolate, sia accoppiate con la carena del modelllo di nave. Per quanto riguarda i principî tecnici e il metodo di calcolo delle eliche. v. elica, XIII, p. 791.

Esperienze di modelli d'eliche isolate. - I modelli di eliche occorrenti per le esperienze di propulsione vengono costruiti in lega fusibile a bassa temperatura (stagno, piombo, bismuto, antimonio) nella scala del modello di carena. Essi vengono colati in staffe di gesso o di legno preparato con particolare essiccatura in modo da non deformarsi a contatto della lega liquida, vengono rifiniti con lavorazione di precisione e successivamente controllati con speciali misuratori di esattezza al centesimo di millimetro.

Un perfezionamento notevole nella preparazione dei modelli di eliche è stato ottenuto con l'impiego degli apparecchi disegnati dal Gebers, mediante i quali è possibile fondere con grande facilità i modelli di una data elica e lavorarli meccanicamente con alta precisione secondo un determinato disegno.

Il primo apparecchio costruito da Froude per le esperienze sui modelli di eliche permetteva l'esecuzione di prove con eliche semplici o doppie, accoppiate simmetricamente. Eseguendo, con un modello d'elica a determinato rapporto tra passo e diametro, una serie di corse, a velocità costante, e a differenti numeri di giri, cioè a differenti regressi, era possibile ricavare la curva di efficienza dell'elica relativa a quel rapporto

Variando questo rapporto ed eseguendo nuove serie di esperienze si poteva ottenere una famiglia di curve delle spinte e delle forze di rotazione di quel tipo di elica sufficienti per stabilire le condizioni di rapporto

e di regresso corrispondenti al valore massimo dell'efficienza (v. elica, XIII, p. 792).

Perfezionamenti introdotti negli apparecchi Froude in Italia a La Spezia, senza alterarne il concetto base, hanno reso possibile l'esecuzione di esperienze con eliche triple e quadruple.

Esperienze di modelli di elica accoppiati a modelli di carena. - Queste esperienze costituiscono una tra le più geniali utilizzazioni del metodo sperimentale di Froude. Per eseguirle, il modello di nave, munito di queste appendici, viene zavorrato in modo da realizzare il voluto dislocamento e la voluta immersione.

I modelli delle eliche, costruiti alla scala del modello di carena, vengono fissati all'apparecchio di prova e disposti in modo che durante il loro funzionamento si trovino sotto la poppa del modello di carena, in corrispondenza dei bracci porta eliche. La sola differenza consiste nel fatto che i modelli delle eliche sono portati da piccoli alberi che, partendo dalla poppa del modello di carena, proseguono oltre la poppa stessa e fanno capo all'apparecchio registratore delle spinte e delle forze di rotazione.

Nelle sistemazioni più recenti per le prove di autopropulsione (v. elica) le eliche sono portate dallo stesso modello della nave, mediante appositi bracci, e azionate elettricamente (Vasca di Roma). Le esperienze vengono eseguite secondo le seguenti direttive. Si fissa la velocità di prova e a questa velocità, mantenuta, per quanto possibile, rigorosamente costante, vengono eseguite le corse alla vasca a differenti numeri di giri di rotazione dei modelli di eliche.

Gli elementi rilevati (numero di giri, spinte, forze di rotazione delle eliche, resistenza incontrata dal modello di carena) vengono coordinati graficamente portando su ascisse i numeri dei giri delle eliche e su ordinate le spinte, le forze di rotazione, le efficienze e le resistenze incontrate dal modello munito di appendici. L'ascissa del punto d'incontro della curva delle spinte con la curva della resistenza del modello indica il numero di giri al quale avviene la propulsione effettiva del modello di nave a mezzo dei modelli di eliche. In corrispondenza di questa ascissa si potrà leggere anche il valore dell'efficienza, valore che, essendo praticamente indipendente dalla grandezza delle eliche, si può applicare anche alla nave al vero.

Dal numero di giri relativo alla propulsione del modello si passa a quello corrispondente alla nave col procedimento di calcolo indicato sotto la voce elica.

I numerosi controlli che furono eseguiti sulle navi nelle prove in mare hanno dimostrato la pratica esattezza del metodo sperimentale.

Altre esperienze eseguite alla vasca. - Le vasche sperimentali offrono la migliore possibilità di eseguire esperienze di rollio dei modelli di navi in mare sia ondoso (con la vasca G. Russo per il moto ondoso artificiale o col navipendolo Russo), sia calmo. Le vasche sperimentali possono anche essere impiegate per le esperienze su modelli di velivoli (v. aerodinamica, I, p. 569).