America’s Cup ed hydrofoil: quanto possiamo spingerci oltre?

Abbiamo assistito all’incidente che ha coinvolto il team New Zealand durante le semifinali di America’s Cup. Questo ha fatto sorgere una domanda che spesso viene posta vedendo gli hydrofoil: quanto oltre possiamo spingerci?

Si è visto la barca neozelandese alzarsi con la prua, in un estremo full foiling (entrambi gli scafi completamente sollevati dall’acqua, in equilibrio sulle derive), quindi ricadere giù e infilzare l’onda con le punte che poi sono andate sott’acqua.

In questo articolo verrà spiegato il funzionamento degli hydrofoil e verranno mostrate le principali tipologie.

Principi base dell’ hydrofoil

I principi scientifici utilizzati per il foil sono esattamente gli stessi utlizzati per le ali di un veivolo. Proprio come un’ala permette, grazie alla portanza, di sollevare un aereo da terra, così l’hydrofoil permette di sollevare dall’acqua le barche di classe Coppa America (ACC).

Il segreto comune sta nella forma: aerofoil ed hydrofoil utilizzano una geometria particolare per guidare il flusso attorno a loro e creare una differenza di pressione fra la faccia superiore ed inferiore che genera una forza normale al flusso (detta forza di lift). Anche le barche di classe ACC utilizzano gli aerofoil, difatti la vela principale funziona esattamente allo stesso modo. L’unica differenza sta nella posizione verticale rispetto ad un’ala tradizionale.

Sulla barca esistono 4 hydrofoil contando anche i 2 timoni, difatti questi ultimi presentano all’estremità delle piccole ali detti “elevators”. Tuttavia, la maggiorparte della forza necessaria a sollevare la barca proviene dagli hydrofoil principali (chiamate comunemente derive).

Gli L-Foil

L’ L-Foil non è altro che una deriva verticale che attraversa la carena della barca con un singolo hydrofoil orizzontale all’estremità. All’aumentare della velocità, l’L-Foil continua a generare sempre più forza di lift fino a sollevare la barca e diminuendo la quantità di deriva immersa. Questo permette una diminuzione della resistenza totale sulla barca.

Durante la fase di volo accadono principalmente 2 fenomeni: inizialmente la barca inizia a scivolare lateralmente poichè la deriva effettivamente immersa è molto poca, rendendo la barca instabile e difficile da manovrare. Infine, se la barca continuasse ad alzarsi, l’hydrofoil bucherebbe la superfice dell’acqua causando un brusco calo di portanza.

Gli aerei per ovviare al secondo problema utilizzano parti mobili (flap) per far variare la quantità di portanza, ma il regolamento di Coppa America vieta l’utilizzo di tali espedienti. Pertanto, per stabilizzare il moto, i velisti variano il rake o angolo di attacco dell’intera deriva.

Se si modifica l’angolo di rake diminuendo l’angolo di attacco mentre la barca accelera, la portanza diminuisce generando un equilibrio e mantenendo la barca ad un’altezza stabile. Questo finché le condizione meteomarine non cambiano: potrebbe cambiare la velocità del vento o la barca potrebbe incontrare diverse onde. La bravura dei velisti sta nell’identificare quale angolo adottare per le diverse situazioni.

V-Foil

Il V-Foil è un’ evoluzione dell’ L-Foil in cui la parte orizzontale è stata angolata verso l’alto a formare una “V” (l’angolo alla base della “V” è detto diedro, ad un diedro di 90° corrisponde L-Foil, per un angolo inferiore si parla di V-Foil).

Qual è il vantaggio? Quando la barca inizia ad alzarsi e la quantità di lift è tale da far superare la superfice libera alla deriva, non avviene il calo brusco del lift. Infatti la superfice bagnata della deriva è via via sempre minore, facendo calare lentamente il lift e mantenendo quindi un equilibrio dinamico.

Lo svantaggio del V-Foil risiede nella minore generazio di lift e maggiore di drag (resistenza) rispetto al L-Foil nelle stesso condizioni, questo perchè parte del lift è rivolto lateralmente invece che verso l’alto.

S-Foil

Infine si deve decidere se la parte verticale della deriva deve essere dritta o ad “S”. La curvatura del S-Foil permette un momento raddrizzante maggiore per contrastare il momento sbandante del vento. Lo svantaggio consiste nella difficoltà di utilizzo. Infatti la curva della deriva provoca un aumento dell’attrito con le guarnizioni e le parti interne della barca.