TIMONE Parte Seconda

TEORIA   DEL   TIMONE (Parte Seconda)

Dicesi resistenza del timone quella che esso incontra nell'acqua quando e’ alla banda e la nave si muove;tale resistenza non e’ altro che la reazione dell’acqua sulla pala al muoversi di questa attraverso il liquido ed e’ rappresentata dal valore della pressione dei filetti fluidi che urtano la pala del timone .Dicesi centro di pressione il punto di applicazione di detta resistenza tale punto non coincide col baricentro  della pala cioè della sua parte immersa. La posizione del centro di pressione varia col variare dell’angolo d’inclinazione del timone,ma si trova sempre a proravia del baricentro della pala se la nave avanza,a poppavia se la nave retrocede. Il valore medio che da’ la distanza del centro di pressione dall'asse di rotazione del timone e’ di 1/3 della larghezza della pala.

EFFETTI EVOLUTIVI

Supponiamo che una nave muovendosi con moto progressivo,rettilineo ed uniforme,metta il timone alla banda di un certo angolo ALFA e,per semplicità ,ammettiamo che il baricentro  G  della nave e il centro di pressione  C  del timone siano sullo stesso piano orizzontale e l’asse di rotazione del timone sia verticale. (figura  4) Pt rappresenta la pressione totale dei filetti liquidi sulla pala del timone cioe’ la resistenza incontrata da questo; resistenza che per chiarezza ,supponiamo parallela al piano longitudinale. Scomponiamo la Pt in due componenti,la Pn normale e la Pp parallela al piano del timone; di quest’ultima non ci occuperemo poichè e’ trascurabile il valore della  resistenza tangenziale di attrito da essa prodotta. Supponiamo applicate nel baricentro G della nave,le due forze  F1 e F2 uguali,contrarie e parallele alla Pn (con cio’ il sistema di forze non si altera) e vediamo quali effetti principali la Pn produce sulla nave:

1) una rotazione intorno ad un asse verticale che per semplicita’supponiamo passi per il baricentro della nave (in reltà la nave ruota intorno ad un asse verticale passante per un punto piu’ a proravia del baricentro della nave e che viene detto PUNTO GIRATORIO) dovuta alla coppia evolutiva rappresentata da Pn e F2,avente per momento Pn x GH;poi scomponendo la F1 in due forze ,una longitudinale Pr e una trasversale Pd,si hanno ancora i seguenti effetti:                                                                                               

2)un ritardo del moto per la forza Pr

3)una deriva per la forza Pd.

La diminuzione di velocità dopo un ampia accostata,può ridursi di oltre la meta’ del valore iniziale.Se la nave invece ha moto retrogrado,gli effetti sono opposti come senso ma non uguali di intensità ,per quanto riguarda l’effetto più importante,quello evolutivo,possiamo dire che la prua della nave accosterà dal lato opposto cui e’ inclinato il timone,ma con sensibile minore efficacia.

Precedentemente abbiamo supposto la Pn agente in un piano orizzontale passante per il baricentro G della nave (fig.5), poichè il centro  di pressione del timone C si trova più in basso.Per tale fatto si generano due coppie che modificano o tendono a modificare l’assetto longitudinale e trasversale della nave e piu’ precisamente : una coppia appruante ed una coppia sbandante,tutte e due con lo stesso braccio rappresentato dalla distanza verticale GH. La prima tende a far  immergere maggiormente la prua mentre la seconda inclina la nave dallo stesso lato del timone alla banda.Tale sbandamento e detto inclinazione di saluto e si manifesta appena si mette il timone alla banda, perchè poi ben presto questo sbandamento viene neutralizzato e superato da quello prodotto dall'azione della forza centrifuga ,la quale si crea a mano a mano che si sviluppa il moto rotatorio della nave.Questa ultima ha tendenza a far sbandare la nave dal lato esterno alla traiettoria del moto(comunque contrastato dalla coppia di stabilita’), poichè le parti emerse della nave non trovano un appoggio adeguato come lo trova il fianco della carena nell'acqua,il quale incontra una resistenza laterale.

Riepilogando gli effetti del timone alla banda  produce sulla nave animata da moto progressivo sono:

-Accostata della prua e quindi della nave verso lo stesso lato del timone alla banda.

-Perdita di velocità

-Deriva verso la parte esterna della traiettoria.

-Appruamento(debole-trascurabile)

-Inclinazione di saluto(dal lato interno alla curva)all'inizio dell’evoluzione.

-Sbandamento(dal lato esterno alla traiettoria)durante l’evoluzione.

PRESSIONE DELL’ACQUA SUL TIMONE

Quanto piu’ grande e’ il movimento evolutivo Pn x GH tanto più la nave sente l’effetto  evolutivo del timone.La pressione Pn e’ funzione dell’angolo d’inclinazione del timone,della velocita’ dei filetti liquidi,cioe’ praticamente della stessa velocita’ della nave,della superficie della pala e della forma di essa, nonchè delle forme soprattutto poppiere dello scafo.Una delle tante formule pratiche usate per calcolare il valore della pressione dell’acqua sulla pala del timone e’ quella usata dall'Ammiragliato Inglese,valevole per un angolo d’inclinazione del timone di 40° :

            S  x  V2

Pn =   ------------    

            0,21944

dove S  e’ la superfice della pala in mq.-V la velocita’ dela nave in nodi;Pn la pressione normale alla superfice del timone in chilogrammi.

Una delle formule molto usate valevole per tutti gli angoli di barra e’ quella di Joessel :

           5,293 x  sen Alfa

Pn =  --------------------------   S x V2

          0,2 +0,3  sen Alfa

In cui Pn e’ la pressione sul timone in Kg,Alfa l’angolo di barra,S la superficie della pala in mq.,V la velocita’ in nodi della nave.Occorre dire che tali formule sono del tutto empiriche e sono state ricavate da esperimenti fatti con lastre piane e rettangolari inclinate di un dato angolo e fatte avanzare ad una velocita’ costante,perciò nella summenzionata formula si fa l’ipotesi che i filetti fluidi abbiano velocita’ uguale a quella della nave e parallela al piano longitudinale,che il timone ossia la sua area sia interamente immersa e che sia portato istantaneamente all'inclinazione.

ANGOLO DI MASSIMO EFFETTO DEL TIMONE  (fig.6)

L’espressione del momento evolutivo e’: Me = Pn x GH ma trascurando OC,piccolo rispetto a GC, si ha : Me Pn x GK e poiche’ GK = GO cos Alfa e Pn = Pt senAlfa si ha ancora :

Me Pt sen Alfa x GO cos Alfa = Pt x GO senAlfa cos Alfa

Ma  sen Alfa cos Alfa = ½ sen 2 Alfa e quindi si ha :

Me = ½ Pt x GO sen 2 Alfa.

Questa espressione,essendo costanti ½, Pt e GO,diventa massima quando sen2Alfa diventa massimo,e questo si ha ovviamente quando il valore dell’angolo Alfa e’ 45°.

Tale sarebbe l’angolo di massimo effetto del timone.Diciamo sarebbe perchè tutto ciò è teorico,infatti abbiamo supposto che la Pt cioè la risultante dei filetti fluidi,sia parallela all'asse longitudinale della nave,il che non si verifica mai, perchè sappiamo che la poppa fa convergere i filetti liquidi sul timone con un certo angolo diverso da quello supposto e cosi’ pure la velocità dei filetti fluidi viene modificata e quindi viene ad essere diversa da quella supposta della nave.

Perciò l’angolo di 45°,quale angolo per avere il massimo effetto evolutivo del timone,e’ puramente teorico e la pratica, confermata dall'esperienza, riduce detto angolo a circa 35° in genere,arrivando ad  un massimo di 40° per navi con timoni compensati.

Uno studio  a parte va effettuato per i timoni BECKER che saranno oggetto di un prossimo approfondimento.

EFFETTI DEL TIMONE QUANDO LA NAVE E SBANDATA (fig.7)

La pressione normale Pn dei filetti d’acqua sulla pala del timone e’ una forza orizzontale,tutta utilizzata dal timone quando l’asse di questo e’ verticale;ma allorche’ la nave e’ sbandata,la forza Pn normale alla faccia del timone,ottenuta come componente di Po(e non come componente di Pt come prima),non risulta piu’ orizzontale,essendo la pala del timone non piu’ verticale cioe’ non piu’ normale all’acqua. Questa forza Pn non agendo in un piano orizzontale ,occorre scomporla in una componente orizzontale P’n che e’ quella utilizzata dal timone ai fini della rotazione della nave,ma con cio’ ne nasce pure una componente verticale Pv che non serve ai fini evolutivi.Ne consegue pertanto che la coppia evolutiva e’ tanto minore  quanto maggiore e’ lo sbandamento.La componente verticale Pv,nel moto diretto della nave,tende a sollevare la poppa e quindi tende a provocare una maggiore immersione della prua se il timone e’ messo dal lato sbandato;se dal lato opposto tende a sollevare la prua.