Ogni velista che si rispetti, oltre a saper portare la barca al meglio, ha in cuor suo il dilemma di conoscere la fisica che governa l’interazione tra il vento e le vele. Chi ha provato a cimentarsi nell’analisi scientifica di questo fenomeno si è trovato di fronte ad una complessità di teorie e di esperimenti di laboratorio che gli hanno fatto capire che l’argomento è tutt’altro che semplice.

E questo perché, come abbiamo imparato nelle lezioni di fisica quando andavamo a scuola, il vento muove l’aria che, per sua natura, non ha né forma e né volume.

Con questo articolo proviamo a proporre un approccio scientifico elementare, utilizzando cioè le leggi della fisica di base viste alle scuole superiori.

Un azzardo? Può essere, ma perché non provarci, almeno con un approccio elementare che sappia giustificare le basi scientifiche e non solo le evidenze?

Per farlo simuleremo di essere una molecola d’aria che, nel suo viaggio nel letto di un vento, si trova ad incrociare una vela. Visto che la vela potrà essere attraversata sulla parte interna (concava, l’intradosso) o sulla parte esterna (convessa, l’estradosso) terremo inizialmente separate queste due diverse situazioni per poi metterle assieme nelle conclusioni.

Passaggio sull’intradosso della vela

Iniziamo questo viaggio immaginando di essere la molecola d’aria che incrocia una vela. Come facciamo intanto a dichiarare di essere sul lato dell’intradosso? Beh! la vela potrebbe non essere a segno, cioè potrebbe essere libera e fileggiare. In quel caso, al di là del fenomeno del fileggiamento che trascuriamo visto che l’azione non ha effetto utile, una vela non regolata si dispone come una linea retta nel letto del vento e quindi l’interazione con la molecola di fatto non c’è.

Vela piatta -> nessuna interazione -> nessuna portanza

Se però iniziamo a cazzare la vela per metterla a segno, essa si dispone secondo un profilo curvo che, in prima approssimazione, lo possiamo considerare secondo un arco di cerchio.

Immaginiamo una prima situazione con una regolazione del punto di scotta che determina un profilo con arco di cerchio con raggio di circa 4 metri (potrebbe essere andatura di bolina stretta) ed una seconda situazione con arco di cerchio con raggio di circa 2 metri (potrebbe essere andatura di bolina larga).

Vela regolata di bolina stretta

Vela regolata di bolina larga

La molecola entra ipoteticamente tangente alla vela (e non valutiamo l’interazione con l’albero) secondo la direzione ottimale del letto del vento rispetto alla vela e si sente costretta a curvare a causa del profilo curvo che incontra.

Questa situazione che cosa vi fa pensare ripescando le conoscenze di fisica seppur lontane? La molecola non passa da un moto rettilineo uniforme ad un moto circolare uniforme?

E quindi se questa è la situazione, la molecola è soggetta ad una accelerazione centripeta che forza la sua tendenza inerziale a rimanere rettilinea. È la prima legge di Newton o del principio di inerzia secondo la quale un corpo mantiene il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (velocità costante) a meno che non intervenga una forza esterna.

E la conseguenza di questa condizione, considerando la massa della molecola, genera una forza centrifuga che trova resistenza nella forma della vela determinando una forza che spinge la vela verso l’esterno, che chiamiamo normalmente forza aerodinamica.

Se poi ripeschiamo la formula dell’accelerazione centripeta vediamo che è a=v2/r e quindi che la forza conseguente dipende dal quadrato della velocità ma, soprattutto, aumenta con il diminuire del raggio di curvatura.

Quindi la forza risultante è maggiore nella condizione di bolina larga rispetto a quella di bolina stretta.

E con questa prima analisi abbiamo applicato la terza legge del moto di Newton.

La molecola d’aria, continuando il suo percorso deviato dalla forma della vela, percorre l’arco fino alla sua estremità e, una volta uscita continua (teoricamente per ora) secondo la direzione tangente al bordo di uscita, sempre in coerenza con il principio di inerzia.

Percorso della molecola d’aria sull’intradosso della vela

Un percorso, quello che la molecola ha fatto sull’intradosso della vela, che ha trasmesso in continuo la sua forza centrifuga in contrasto alla deviazione subita dalla forma circolare della vela. Una forza centrifuga che, per la sua componente longitudinale rispetto alla barca, ne ha permesso l’avanzamento.

E qui conclude l’analisi del percorso all’intradosso, almeno per ora. Troppo semplice? Può sembrare, ma così è. E all’estradosso? Lì l’analisi coinvolge più fenomeni fisici di cui torneremo a parlarne nel prossimo numero.

BV,

Enrico Olioso