Tecnologia: "Non esiste un foglio perfetto": come funzionano i profili aerodinamici
Andreas Fritsch
· 25.02.2024
YACHT: la serie di regate SailGP ha recentemente testato nuovi foil e ha registrato un incredibile aumento delle prestazioni del 15%. Sembra sorprendente, visto che ai vertici dello sport si combatte spesso per ogni decimo di nodo. La tecnica del fioretto è ancora agli inizi e quindi sono possibili salti così grandi?
Martin Fischer: Il 15% è sicuramente possibile. Tuttavia, hanno testato una configurazione diversa, finora si tratta dei cosiddetti J-foil, cioè piegati verso l'interno. Quando l'imbarcazione viene posizionata sul foil, la portanza verticale dell'ala, il centro di portanza, si trova all'interno dello scafo. Si ha quindi un certo momento raddrizzante. Questo è determinato dalla distanza tra il centro di gravità della barca e il centro di galleggiamento del foil in direzione laterale. I nuovi profili, tuttavia, sono dei foil a T leggermente piegati verso l'esterno. Questo sposta il centro di portanza della vela verso l'esterno e il momento raddrizzante aumenta in modo significativo, consentendo di applicare una maggiore pressione alla vela. Ciò significa che è possibile ottenere il 15% di prestazioni in più.
Se foste rimasti con il J-Foil, non ci sarebbe stato questo aumento significativo?
Esattamente. Non hanno trovato una nuova forma particolarmente ingegnosa che abbia una resistenza minore, ma hanno semplicemente aumentato la potenza della barca del 10-15%. È come se si installasse un motore con 50 CV in più in un'auto esistente.
Secondo SailGP, anche il limite di cavitazione è stato aumentato di sei nodi e ora si spera di raggiungere i 59 nodi. Finora molti team, come Imocas o Ultims, hanno detto che oltre i 50 nodi c'è una sorta di barriera del suono per la cavitazione ...
In linea di principio, questo limite esiste già. In una lamina convenzionale, un lato ha una pressione positiva e l'altro una pressione negativa. A velocità più elevate, la pressione negativa diventa così grande che la pressione di vapore dell'acqua viene meno ed evapora direttamente sulla superficie del profilo. Ciò significa che una parte della lamina non lavora più in acqua liquida, ma in vapore acqueo. Questo porta a una scia di bolle, che aumenta drasticamente la resistenza aerodinamica. Se ciò avviene su ampie parti dell'ala, non è più possibile andare molto più veloci. In genere, una volta iniziata la cavitazione, si possono ancora raggiungere due o tre nodi in più, ma poi è finita. Tuttavia, è certamente possibile costruire foil che cavitano solo a 60 nodi. Ma poi sono piuttosto scadenti a velocità inferiori. Un esempio: Se abbiamo un foil che cavita a 40 nodi e uno che cavita a 50, quello che parte da 40 è più veloce nell'intervallo tra zero e 40 nodi. L'altro foil è più veloce solo tra i 40 e i 50 nodi. Quindi questo sarebbe buono con molto vento sottovento, ma su tutte le altre rotte e con meno vento la barca sarebbe più lenta.
Nel SailGP non ha importanza, sono barche di classe standardizzata, usano tutte lo stesso foil e il comitato di regata decide quale usare. Ma in Coppa America, con gli Imoca o gli Ultim, la scelta spetta al team. Nelle classi open, bisogna pensare bene a quando la cavitazione può iniziare. È una decisione di progettazione attiva.
Diversi stati di lavoro di una lamina
Quindi l'idea del confine è fondamentalmente sbagliata?
Si e no. Si può avere cavitazione anche a dieci nodi. Dipende solo dalla pressione negativa del profilo aerodinamico. Prendiamo i foil Imoca: cavitano a circa 35 nodi. Questo è fatto apposta perché un Open 60 non naviga più veloce, non vola completamente. Ecco perché non ha senso utilizzare profili che cavitano solo a 40 nodi, ma che sarebbero più lenti da zero a 33. Ma c'è un limite superiore. Oltre i 60 nodi, diventa difficile non fare kavit con un foil progettato per l'uso in acqua liquida. Oltre all'aspetto dell'alta velocità, esiste anche un problema di cavitazione alle basse velocità. Per ottenere una portanza sufficiente, il foil deve lavorare con un angolo d'attacco elevato. Quindi, anche a bassa velocità, si hanno picchi di pressione negativa che causano la cavitazione locale del profilo sul fronte superiore anche a bassa velocità, con conseguente rallentamento.
La difficoltà per i foil in Coppa America o nel SailGP è che con i profili convenzionali si può coprire un intervallo di velocità di 20-25 nodi in cui il foil non cavita affatto. Questo intervallo va scelto consapevolmente ed è difficile da aumentare. Se si vuole decollare a 20 nodi, la gamma di velocità senza cavitazione va da 20 a 40 nodi. Se si vogliono raggiungere i 45 nodi, la velocità di decollo è di 25 nodi.
L'ideale è costruire il maggior numero possibile di set di lamine?
In realtà sì, ma in Coppa America è proibito, è consentito utilizzare un solo set di foil. Questo è stato fatto apposta per mantenere i costi entro limiti ragionevoli, perché sono estremamente elevati. Il SailGP utilizza più profili a causa delle diverse sedi con condizioni di vento molto diverse, in modo che le barche volino anche con venti leggeri.
Quanto costa un set di lamine per una barca AC?
Una costa ben più di un milione di euro, e con un foil di riserva si arriva a tre o tre milioni e mezzo di euro. Non volevamo che le squadre sviluppassero profili estremi che potessero poi portare a differenze di velocità molto elevate. In questo caso, diventa una partita a poker: Quale lamina uso con quale vento? Se si sbaglia, è come guidare con le gomme da bagnato in Formula 1 quando è asciutto. È prevedibile che tutti i team progettino lamine più o meno complete. In questo modo avremo gare ragionevoli con velocità comparabili. Ciò è indicato anche da ciò che vediamo nei test con le barche LEQ12: Tutte si sono sviluppate in direzioni simili e moderate.
Il peso maggiore delle barche d'altura come gli Imocas e gli Ultim non è un problema, dato che devono essere molto più spessi?
Lo spessore è sempre un problema con le lamine. La velocità di cavitazione è determinata dalla percentuale di spessore. Ciò significa che un foil con uno spessore dell'11% rispetto alla lunghezza della corda cavita a 48 nodi, mentre uno con uno spessore del 16% a 38 nodi. Questo è lo spessore relativo. E naturalmente si vuole ridurre la superficie bagnata. Per esempio, è necessario avere cinque centimetri di spessore per motivi di resistenza, in modo che il foil non si rompa. Se si sceglie un profilo al dieci per cento, ciò significa una lunghezza di corda di 50 centimetri. Con il 20 percento, la lunghezza della corda è di soli 25 centimetri. Quindi si tratta sempre di trovare il miglior compromesso tra la cavitazione prevista e la velocità. Le lamine veloci devono essere più sottili, ma la superficie bagnata è maggiore. Per questo motivo i foil Imoca hanno uno spessore di circa il 14%, quelli SailGP di circa il 10%. Ma si può dire che tutti i foil, che siano Imoca, Ultim, SailGP o America's Cup, sono al limite della resistenza.
Il fatto che gli Imocas non abbiano i T-foil sui timoni fa davvero una grande differenza rispetto agli altri foiler? Questo significa che non volano stabili come un America's Cupper, per esempio.
Sì, questo fa una grande differenza. La mancanza di un T-rudder sugli Imocas significa che la poppa affonda quando la barca inizia a volare. Questo aumenta l'angolo d'attacco del foil principale, si genera troppa portanza e la barca esce dall'acqua nella parte anteriore fino a stallare sull'ala principale. La barca si schianta. In questo modo non si ottengono fasi di volo stabili e lunghe come quelle della Coppa America, delle barche SailGP o degli Ultim.
In una recente intervista rilasciata a YACHT in occasione del lancio dell'Ultims, Charles Caudrelier ha dichiarato che non ci saranno T-foil sulle barche d'altura perché funzionano solo se sono regolati in continuazione, cosa che uno skipper con una sola mano non potrà mai fare, e i sistemi automatici sono vietati. È così?
Sì, hanno bisogno di foil che regolano la propria altitudine. Anche i primi esemplari della Coppa America erano così, questi J-foil. Funzionano così: C'è sempre un angolo tra l'asse del foil, che in realtà è sempre nella barca, e la punta: la punta va verso l'interno e leggermente verso l'alto. Se si sta navigando e la barca vola a una certa altezza e il foil esce ulteriormente dall'acqua a causa di una maggiore velocità o di un'onda, si riduce la superficie dell'albero nell'acqua. Di conseguenza, la deriva verso sottovento aumenta. La deriva riduce l'angolo d'attacco dell'acqua sulla punta. Questo fa sì che il foil perda galleggiabilità e la barca affonda di nuovo. La deriva diminuisce e l'intero processo si ripete, ma in direzione opposta.
Quanto è complesso, in confronto, il regolamento con i T-foil in Coppa America?
Si tratta di un lavoro a tempo pieno. In genere, un membro dell'equipaggio regola l'angolo dei flap all'estremità del foil una volta al secondo. Il membro della squadra non si concentra su nient'altro. Naturalmente, questo non è possibile con un Ultim o un Imoca.
Ci si sarebbe aspettati un netto miglioramento dell'Etmal con gli Ultim, che sono completamente foiling. Perché il marchio esistente non si abbassa?
D'altra parte, i giorni in cui i Tris raggiungono le 700 miglia sono aumentati in modo significativo. I miglioramenti riguardano soprattutto le velocità medie e il controllo delle barche. Ad esempio, gli Ultim sono ora tutti dotati di un T-foil nella parte inferiore della tavola centrale dello scafo principale. Questo permette di controllare attivamente il momento di raddrizzamento e l'altitudine di volo. Ciò significa che se lo scafo affonda, il foil si solleva e spinge la barca verso l'esterno. Se la pressione è eccessiva e magari è necessario aprire prima la scotta, è possibile impostare il T-Foil su una forza discendente, che tira la barca verso il basso e aumenta immediatamente il momento raddrizzante. È più facile con una semplice regolazione del foil che aprendo le scotte e stringendole faticosamente di nuovo.
Un'altra domanda sul tema della cavitazione. Le bolle di vapore che implodono danneggiano il materiale della lamina. Quanto è forte l'effetto e quanto tempo ci vuole perché il danno diventi critico?
Ciò può avvenire molto rapidamente, non in minuti, ma in ore. Durante l'implosione delle bolle di vapore possono verificarsi temperature fino a diverse centinaia di gradi. Questo danneggia il materiale e può causare fori o delaminazioni. Per questo motivo, le lamine sono progettate in modo che la cavitazione avvenga il più indietro possibile ad alta velocità, ovvero che le implosioni inizino dietro il profilo.
Cosa succede realmente durante i tentativi di record ad alta velocità? Il team svizzero SP80 sta attualmente cercando di battere il record di 65,45 nodi stabilito dal team britannico Sailrocket di Paul Larsen nel 2012 e ha puntato ad avvicinarsi agli 80 nodi. Paul Larsen ha dichiarato a YACHT che hanno già utilizzato "foil ventilati". Ora gli svizzeri parlano addirittura di "foil super ventilanti". Che cosa significa?
Occorre distinguere tra i due fenomeni della cavitazione e della ventilazione. La cavitazione si riferisce all'effetto dell'evaporazione dell'acqua sulla lamina. Ventilazione significa che la vela aspira aria dalla superficie dell'acqua. Con una lamina che ventila, il lato a pressione negativa lavora in aria. Con una lamina che cavita, il lato della pressione negativa lavora in vapore acqueo.
I profili del Sailrocket, o ora probabilmente anche dell'SP80, perforano la superficie dell'acqua e, a velocità molto elevate, si instaura una cavitazione che porta alla ventilazione fino a quando la lamina si ventilerà completamente sul lato della sottopressione, cioè su tutta la superficie. Si perde l'effetto di aspirazione sul lato della sottopressione, ma la sovrappressione sull'altro lato fa sì che si generi ancora una forza, anche se minore. È importante capire che i foil sulle barche funzionano in modo diverso: Non spingono la barca fuori dall'acqua, ma la tirano dentro, mantenendola in acqua. Sia nel modello Sailrocket che in quello kite, la vela tira fortemente la barca verso l'alto. Ciò significa che il foil garantisce il contatto con l'acqua. Nel caso del Sailrocket, la parte superiore lavorava completamente in aria, mentre solo la parte inferiore lavorava in acqua. Quando all'inizio non si è riusciti a controllare questo aspetto, la barca è decollata e si è capovolta in aria proprio per questo motivo.
Qual è il vantaggio di questi fogli di ventilazione?
Non c'è scelta, a velocità superiori a 60 nodi un foil non funziona più per l'acqua liquida. Bisogna quindi assicurarsi che almeno il lato pressurizzato sia ancora funzionante. Una volta raggiunta questa fascia, non c'è praticamente alcun limite fisico a velocità ancora più elevate. Questi profili hanno anche un aspetto molto diverso dai foil che dovrebbero funzionare solo in acqua liquida. Sono molto appuntiti nella parte anteriore e smussati nella parte posteriore, quasi come un cuneo. Il problema, tuttavia, è che questi foil sono molto scadenti nelle gamme di velocità basse, cioè da zero a 30 o giù di lì. La superficie velica è piuttosto ridotta per le alte velocità. Sailrocket ha impiegato molto tempo per compiere questa transizione con le proprie forze: ha armeggiato per anni a 30 nodi. Quando finalmente hanno superato i 40, hanno raggiunto molto rapidamente il record di 65 nodi.
Finora le barche a vela più veloci sono state viste in relazione alla velocità del vento. Le barche della SailGP e dell'America's Cup navigano tra le tre e le quattro volte la velocità del vento, mentre i velisti di terra e di ghiaccio tra le sei e le otto volte. Cos'altro c'è nella vela?
Le barche da record di velocità hanno in realtà un fattore di efficienza molto scarso in questo senso. La loro efficienza è pari a due o due volte e mezzo la velocità del vento. Ecco perché dipendono anche da questi punti di vento ad alta velocità, come il Canale di Lüderitz al largo della Namibia o i corridoi del vento di Maestrale nel Mediterraneo. Il fattore tra vento e velocità dell'imbarcazione dipende principalmente dal rapporto tra portanza e resistenza. Se quest'ultima è buona, lo è anche la prima. Ma questo rapporto è molto, molto peggiore con i foil ventilati che con i profili normali. Un foil normale potrebbe raggiungere rapporti di 1:20, un foil iperventilante è già ben servito a 1:5.
Con i surfisti è ancora peggio. Raggiungono 50 nodi con circa 50 nodi di vento, quindi il rapporto è quasi 1:1, motivo per cui non si possono fare grandi balzi. E naturalmente l'aerodinamica di un windsurfista è semplicemente penosa a causa del pilota nel vento, con le braccia tese e tutto il resto. L'idrodinamica e l'aerodinamica hanno lo stesso ruolo in velocità.
Buona parola: gli Ultims sono stati recentemente oggetto di massicci investimenti per migliorarne l'aerodinamica: Gli alberi sono stati dotati di carenature fino alla coperta, i cosiddetti deck sweepers, in modo che l'effetto piastra di estremità agisca per ridurre le turbolenze. Quanto è importante questo aspetto in Coppa America?
Molto importante. In Coppa, vedremo che le barche sono tutte completamente ottimizzate dal punto di vista aerodinamico. L'aerodinamica è quasi più importante dell'idrodinamica. Ad esempio, il timone è ottimizzato dal punto di vista aerodinamico. Esce dall'acqua con l'albero durante il foiling. Il pezzo è quindi ottimizzato per la resistenza dell'aria, non per quella dell'acqua.
Per quanto riguarda il materiale dei foil, quelli nuovi della SailGP sono ora realizzati in titanio anziché in fibra di carbonio, mentre gli Imoca e gli Ultim sono elaborati laminati composti da centinaia di strati di fibra di carbonio. La costruzione è molto costosa e richiede molto tempo. E per quanto riguarda la Coppa?
Per costruire le lamine ci vuole davvero una vita, per una ci vogliono mesi. Sono fresate in acciaio, il che significa che possono essere ancora più sottili. Si tratta di acciaio ad alta resistenza che deve essere forgiato e trattato in modo speciale. La fresatura richiede molto tempo perché l'acciaio è estremamente duro.
Le fonti di errore nella laminazione dei fogli di fibra di carbonio sono molteplici: Contenuto di resina, sacche d'aria, pressione di contatto. È molto più facile con l'acciaio?
Esattamente. Con il metallo, il rischio che qualcosa vada storto è molto più basso.
Incrociamo le dita e speriamo che questa Coppa sia più emozionante e più vicina dell'ultima volta.
Preferiremmo che non fosse emozionante. Se dominassimo così tanto che gli altri non avrebbero alcuna possibilità, per me andrebbe bene (ride). L'Inghilterra cerca di vincere la Coppa da 170 anni, era ora!
