Il progetto idrodinamico del timone: la forma a spada e l'area di compensazione

La superficie, la posizione e la forma del timone condizionano in virata il momento sbandante e di conseguenza l’angolo di sbandamento. Anche una chiglia pronunciata sotto la carena con il mare di poppa creerà una forza sbandante trasversale che se non è sufficientemente contrastata da un timone efficiente può creare degli sbandamenti trasversali pericolosi, specialmente se l’imbarcazione ha un indice di stabilità basso.

Anche in un timone a Spada (Figure 11 e 12) con un alto valore del rapporto geometrico di figura \(a = b/c_m\) si ha :

- una maggiore distanza verticale \(Z_P\) del centro di pressione \(CP\) (Figura 11) e di conseguenza un maggiore momento flettente per il calcolo dell’asse,

- un aumento del coefficiente di portanza (Figura 6),

- un basso angolo di attacco \(δ_R\) a cui si verifica lo stallo (Figura 6),

- un maggiore sbandamento in virata.

Nei timoni rettangolari il centro di pressione \(CP\) dista dal bordo di entrata da circa 0,25·c a circa 0,30·c con legge lineare per allungamento a variabile da 1 a 2,25, e angoli di incidenza inferiori all’angolo di stallo.

I timoni sospesi compensati, detti anche a spada (Figure 11 e 12), sono anche largamente usati negli aerei. Per cui sono stati oggetto di ampie e varie ricerche sperimentali al tunnel aerodinamico. I risultati ottenuti possono essere approssimati fino all’angolo di stallo dalle seguenti relazioni:

\(C_L={1 \over 57,3} \cdot {(π \cdot a) \over 2} \cdot δ_R={{(π \cdot a \cdot δ_R)} / 114,6}\)

\(X_P=(0,18÷0,25) \cdot c_m\)       

\(C_{L_{stallo}} = 0,85÷1,40\)       

\(C_D=0,12 + 0,35 \cdot ({C_L}^2 ⁄a)\)

\(Z_P=(0,425÷0,50) \cdot b\)

\(δ_{R_{stallo}} = 13^o + 22 \cdot (C_{L_{stallo}} ⁄ a)\)

dove

\(C_L\) = Coefficiente di portanza

\(a\) = Rapporto tra l’altezza del timone e la corda media

\(δ_R \) = Angolo di attacco della pala del timone in gradi

\(C_D\) = Coefficiente di resistenza

\(δ_{R_{stallo}}\)= Angolo di stallo della pala del timone in gradi

\(X_P\) = Ascissa del centro di pressione dal bordo di entrata

\(Z_P\) = Distanza verticale del centro di pressione dal cuscinetto

L’area a proravia dell’asse del timone è chiamata area di compensazione (Figura 5 e 11). Quest’area e quindi il grado di compensazione da assegnare al timone, cioè il rapporto tra la superficie del timone a proravia dell’asse e quella totale, deve essere tale da trovare una via di compromesso fra le seguenti esigenze:

il massimo momento torcente a marcia avanti deve essere il più basso possibile;

il massimo momento torcente a marcia indietro non superi di massima quello a marcia avanti;

l’opportunità che il timone torni ad angolo di rotta zero non appena cessi il momento che lo porta all’angolo previsto.

Il terzo punto è in molti casi incompatibile con gli altri due. La scelta dell’area della compensazione va fatta tenendo conto dei momenti a marcia avanti e indietro. Tra le sezioni dei profili, per la costruzione di un timone, sono da considerare le sezioni NACA . Tra queste la NACA 0015 realizza il miglior compromesso tra le qualità idrodinamiche e le possibilità costruttive nella realizzazione di un timone a Spada. Questo tipo di timone normalmente ha una sagoma trapezoidale, che oltre a far salire il centro di pressione, riducendo il braccio \(Z_P\) (Figura 11), ha una distribuzione del carico, nel senso dell’altezza, ellittica. Questa distribuzione realizza la minima resistenza e migliora l’andamento della curva della portanza.

L’estremità bassa del timone può essere quadrata, cioè a spigolo vivo, oppure raccordata. Sperimentalmente è stato provato che un timone a estremità quadrata rispetto a quello a estremità raccordata ha una portanza maggiore.

Tuttavia condizioni pratiche di progettazione, come la resistenza all’avanzamento, il peso del timone e del suo sostegno, gli oneri relativi all’impianto della timoneria, impongono di conferire alla superficie del timone le più piccole dimensioni possibili. Ci troviamo, quindi, di fronte ad un problema complesso in cui non si possono avere che soluzioni di compromesso e la cui impostazione tecnica è notevolmente complicata dalla influenza dei numerosi fattori che entrano in gioco, oltre a quelli primari del timone. Si può affermare che il progetto di un timone e quello dell’elica presentano interessantissimi e salienti punti di contatto. Il problema della complessa interazione tra scafo ed elica è analogo a quello della altrettanto complessa interazione tra scafo e timone.

Angelo Sinisi