Vi siete mai chiesti come una barca a vela vele di bolina?

Barche a vela da regata di bolina. Credit: Public domain

Il sole è fuori, il vento soffia, e sono stato occupato a prendere alcune lezioni di vela. Si scopre che c’è un po ‘ interessante di fisica che permette alle barche a vela di viaggiare non solo sottovento, essendo spinto dal vento, ma anche di viaggiare controvento, o quasi.

Una nave del xviii secolo a vela squadrata
sottovento., Credito: Dominio pubblico

Ma prima iniziamo con il caso sottovento. Se il marinaio vuole viaggiare nella stessa direzione del vento, allora tutto quello che deve fare è tenere la vela perpendicolare al vento e lasciare che la barca sia spinta da dietro.
Questo è il punto più fondamentale della vela, ed è stato spesso utilizzato da antichi marinai egiziani, greci e romani. Quando avevano bisogno di maggiore velocità o volevano viaggiare controvento, remavano.
Le grandi barche squadrate popolari nei secoli 18 e 19 (la classica nave pirata, per esempio) erano anche più efficaci su una vela sottovento.,
Barche a vela moderne possono navigare in qualsiasi direzione che è maggiore di circa 45 gradi rispetto al vento. Non possono navigare esattamente controvento, ma con un design intelligente della barca, una vela ben posizionata e la pazienza di fare zig-zag avanti e indietro, i marinai possono viaggiare ovunque.
Per esplorare questo, disegniamo un diagramma che etichetta tutte le forze sulla barca a vela. Se non hai mai visto un diagramma di forza prima, non preoccuparti: sono solo poche frecce e triangoli. Aggiungendo le forze insieme otterremo la forza totale sulla barca e quindi la direzione in cui si muoverà.
Ecco una barca a vela di base., Le due parti su cui ci concentreremo sono la vela sopra la barca e la chiglia sotto la barca. La chiglia impedisce alla barca di ribaltarsi e, come vedremo, svolge un ruolo cruciale nello spostamento in avanti della barca.

Una barca a vela di base. Diagramma di credito: Tamela Maciel

Ora diciamo che stiamo cercando di navigare controvento con il vento proveniente da sinistra o “porto” sopra la parte anteriore della barca. Questo schizzo mostra la barca a vela come se stessimo guardando in basso sulla barca mentre si muove verso la parte superiore dello schizzo.,

Guardando in basso su una barca a vela, mostrando le forze uguali e opposte sul vento e sulla vela.
Credit: Tamela Maciel

Il vento riempie la vela a forma di ala, ma poiché la vela è tenuta veloce ad entrambe le estremità, il vento non può spingerla fuori strada. Invece il vento deve cambiare direzione per scorrere parallelo alla vela. La vela tesa ha creato una forza sul vento che lo fa cambiare direzione e la terza legge di Newton ci dice che c’è una forza uguale e opposta sulla vela dal vento, come mostrato dalle frecce rosse nel diagramma sopra.,
Se questa fosse l’unica forza che agisce sulla barca, allora saremmo in difficoltà: la barca si muoverebbe in avanti ma anche a destra. Ma le barche a vela hanno un’arma segreta nascosta sotto i ponti: la chiglia.

Chiglia e timone sotto una barca a vela.
Credit: Paul Schultz

Oltre alla forza sulla vela, l’ampia area della chiglia resiste ad essere trascinata lateralmente attraverso l’acqua. Puoi sentire questa resistenza se trascini il palmo della mano prima attraverso l’acqua rispetto a edge-on. L’acqua applica una forza alla mano che aumenta con una maggiore superficie.,

Le forze che agiscono su una barca a vela si annullano a vicenda in modo tale che la forza totale sposti la barca a vela in avanti.
La chiglia rivolta verso il basso è delineata dal rettangolo tratteggiato.
Credito: Tamela Maciel

Questa forza sulla chiglia è mostrata dalla freccia viola nel diagramma sopra. Combinando la forza sulla vela e la forza sulla chiglia (diagramma triangolare), vediamo che le forze laterali vengono annullate e la forza totale sulla barca a vela è solo nella direzione in avanti (freccia verde). Il risultato è che la barca avanza!,
Alcune barche a vela possono anche muoversi più velocemente del vento stesso. Quando si naviga controvento, la velocità relativa del vento sulle vele è maggiore della velocità effettiva del vento e questo vento relativo crea una forza maggiore sulle vele che può spingere le barche a vela più velocemente della velocità effettiva del vento.
C’è un limite alla velocità con cui le barche a vela possono andare avanti, ovviamente. Ho ignorato la resistenza della barca in questo esempio, ma la barca ha anche un attrito intrinseco mentre si muove in avanti attraverso l’acqua., La barca accelererà fino a quando la forza che spinge la barca in avanti è bilanciata dalla forza di trascinamento che tira indietro la barca, quindi la barca viaggerà a velocità costante.

Ulteriori letture:

Questo simulatore di vela dal National Geographic consente di regolare le vele e timone per trovare il punto più veloce della vela
La Fisica della Vela dall’Università del Nuovo Galles del Sud
Come barche a Vela Vela Contro Vento Fisica per Architetti
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Per Tamela Maciel, noto anche come “pendolo”