Le qualità manovriere di una
nave, oltre alle varie caratteristiche della nave, dipendono in modo
particolare dal tipo e dalle dimensioni del timone.Quindi, partendo da un dato
che è sempre fornito dal committente, il progettista deve ricavare le caratteristiche
del timone che lo soddisfano e inoltre, una volta prefissate dette caratteristiche,
deve procedere per definire quelle grandezze che influiscono da un lato sul
proporzionamento strutturale del timone
e dall'altro sulla potenza dell'impianto
che lo dovra’ governare. I due quesiti del progetto del timone coinvolgono un campo
dell'idrodinamica navale assai vasto, che potrebbe essere sintetizzato
brevemente con I'espressione "ll progetto idrodinamico del timone".
La puntualizzazione e la successiva analisi dei fattori che entrano in gioco
nel problema del timone, richiede una trattazione assai approfondita per un
articolo, per cui è necessario ricorrere a una sintesi.I problemi concernenti
il progetto del timone, sono stati affrontati parallelamente da specialisti in aerodinamica
e da specialisti in idrodinamica. Pertanto, il progettista navale puo’ disporre
di queste ricerche da impiegare per lo sviluppo di un buon progetto. Uno dei
dati principali ed utili per il progetto del timone è il raggio di evoluzione,
che condiziona I'area del timone in
conformità delle caratteristiche dello scafo della nave. Una volta definita
l'area del timone da usare, occorre dare a quest'area una forma, delle proporzioni,
delle dimensioni e una posizione precisa per ottenere il migliore compromesso
idrodinamico accettabile. Per area del timone deve intendersi l ‘area del suo piano di simmetria relativa ad un solo
lato. Anche se è veramente difficile mettere in relazione le forze e i momenti
generati dal timone, con le caratteristiche di manovrabilità di una nave, la
conoscenza di queste grandezze è essenziale per il progettista, in quanto da
esse dipendono lo spessore del timone, il diametro dell'asse e la dimensione dell'impianto
necessario alla movimentazione dello stesso, cioè I'agghiaccio.
Figura 1
Nella Figura 1 sono rappresentate
le forze in gioco che devono essere prese in esame per studiare un timone. Tra
i vari profili conosciuti, quelli più idonei per essere impiegati nella
costruzione di un timone sono i cosiddetti profili biconvessi simmetrici, con
linea d'asse rettilinea e coincidente con l'asse di simmetria. Un profilo di
tal genere, immerso in una corrente fluida con velocità U e angolo di attacco α,
come nella Figura 1, crea una dissimmetria nel campo delle velocità, per cui si
ha un aumento di velocità sul lato sinistro (faccia passiva) e una diminuzione
sul lato dritto (faccia attiva) del tlmone. Secondo la legge di Bernoulli, ciò
dà luogo a una diminuzione di pressione sul lato sinistro e a un aumento di
pressione sul lato dritto. La risultante di queste differenze di pressioni è la
forza del timone che, in questo caso, è diretta da dritta a sinistra. E’ solito
scomporre la suddetta foza in due componenti: una forza FL, normale alla
direzione della velocità U, e una forza D, nella direzione U (Figura 1).
La generazione della componente
trasversale FL e’, infatti, il solo scopo dell'esistenza del timone. ll
prodotto della forza P per la distanza cCP (Figura 1) tra il suo punto di
applicazione e I'asse del timone dà luogo al momento torcente, mentre il
prodotto di detta forza P per la distanza verticale tra il suo punto di
applicazione e il cuscinetto portante, dà luogo al momento flettente.Come è
noto, i suddetti due momenti sono gli elementi principali per dimensionare I'asse e I'impianto idraulico
della timoneria.
Figura 2
La massima portanza che puo’
essere generata da un timone, in funzione del suo angolo di attacco α, è
limitata da un complesso di fenomeni che provocano lo stallo del timone. Quando
un timone raggiunge la condizione di stallo, la portanza cade bruscamente a
valori molto bassi o nulli, per cui, in fase di progetto, questa possibilità
deve essere attentamente studiata ed evitata. ll fenomeno di stallo avviene
senz'altro quando il flusso si distacca dalla zona di bassa pressione del
timone e inviluppa una zona di flusso vorticoso. Come già detto, questa
separazione si manifesta con un improvviso cadere della portanza. ll distacco
della vena fluida, principalmente, è funzione del numero di Reynolds, cioe’
della corda e relativa velocità, e dell'angolo di attacco. I fenomeni che
interessano lo stallo sono tre: la separazione dei filetti fluidi, la
cavitazione e l'aerazione. Dei tre il più deleterio, cioe’ quello che da solo
puo’ provocare lo stallo, e’ il fenomeno della separazione dei filetti fluidi,
seguito dall'aerazione e, infine, dalla cavitazione. La cavitazione, sebbene in
forma minore, e’ una possibile causa di caduta di spinta del timone. L'effetto
della cavitazione non è così disastroso, in quanto si traduce in una
diminuzione di pendenza della curva della portanza, rispetto alla velocità,
piuttosto che in una caduta di spinta vera e propria (Figura 2).
Figura 3
L'aerazione, come la cavitazione,
è conseguenza dei bassi valori di pressione che si verificano nel flusso
adiacente alla faccia passiva del timone. Per aerazione si intende il risucchio
d'aria che avviene tra l’atmosfera e la zona di bassa pressione che si verifica
sulla faccia passiva del timone. ll fenomeno. generalmente, appare solo quando
il timone e’ troppo vicino alla
superficie dell’acqua e quando la differenza di pressione,tra l’atmosfera e la
faccia passiva del timone(Figura 1,supera la resistenza al passaggio dell’aria
attraverso l’acqua frapposta.In pratica, a questo fenomeno si ovvia,come
noto,frapponendo un’aletta separatrice(Figura 7) tra il lato superiore del timone
e il livello dell’acqua.In molti casi tale aletta e’ costituita dallo stesso
scafo.
Figura 4
Un altro importante fattore da
considerare, prima di iniziare il progetto del timone, è quello di stabilire il
numero dei timoni da impiegare e la loro posizione. La scia di carena
diminuisce la velocità della vena fluida che investe il timone, mentre la scia
di regresso dell'elica produce I'effetto opposto. Nelle navi monoelica a poppa
stretta i due effetti, in gran parte, si elidono a vicenda, mentre nelle navi a
due eliche, con timone dietro alle eliche stesse, I'effetto della scia di
regresso risulta senz'altro preponderante. Oltre che modificare la velocità di
efflusso dell'acqua al timone la presenza dell'elica ritarda in misura notevole
il fenomeno di stallo, migliorando notevolmente le prestazioni del timone per
incidenze superiori a quelle di stallo.
Quindi, il timone sviluppa la sua
massima efficacia quando e investito dalla scia dell'elica: le navi monoelica
hanno sempre un solo tìmone; le navi bielica presentano un solo timone centrale
o due timoni dietro le eliche; le navi a tre eliche, generalmente, hanno un
solo timone dietro I'elica centrale; le navi a quattro eliche, spesso, sono
governate da due timoni investiti dalla scia delle eliche poppiere. Nelle navi
a due o quattro eliche, la soluzione a due timoni laterali, dietro le eliche, è
notevolmente piu efficiente di quelle a un solo timone centrale, anche a parità
di area complessiva, perché la velocità di alimentazione aumenta in conseguenza
del basso valore del coefficiente di scia di carena e dell'effetto della scia
di regresso dell'elica. lnoltre, a parità di area complessiva e a parità di
altezza di timone, condizionata in genere dall'immersione della nave, i due
timoni laterali hanno allungamento maggiore e, quindi, coefficiente di
portanza, a parità di angolo di barra, piu elevato (Figura 6).
Come è noto, la portanza aumenta
con I'aumentare dell'angolo di attacco e cresce con il quadrato della velocità
d'impatto. Nel sistemare il timone a poppavia dell’elica,occorre fare in modo
che lo stesso,pur beneficiando della zona a maggior velocita’,non venga
investito dal vortice del mozzo dell’elica(Fig. 8) che non solo ha effetto
quello di far cadere la portanza,ma ha anche quello di provocare delle erosioni
e possibili fastidiose vibrazioni.Per questo motivo si usa sistemare il timone
leggermente all’interno rispetto al centro dell’elica.Soddisfatte le condizioni
anzidette,il timone dovra’ essere sistemato il piu’ a poppa possibile,con
l’evidente scopo di ottenere il massimo braccio K rispetto al centro di
gravita’ della nave e,di conseguenza,le migliori caratteristiche
evolutive(Fig.1).
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