Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato)

1. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) Nelle prossime lastrine si fanno volutamente talmente tante approssimazioni sulle forme di un timone e sulle forze che entrano in gioco, che non è possibile considerarle “esatte” ed “adatte” ad uno studente universitario. Sono state pensate per gli studenti del 3° nautico che hanno bisogno di capire le differenze tra i vari tre tipi di timone, a prescindere dalle dimensioni del mezzo “timone” e della nave o imbarcazione dove questo timone deve essere montato. La spiegazione che segue deve far capire in maniera sommaria quanto un succede i fase di progettazione, sperimentazione, costruzione e montaggio di un timone. In sostanza sono propedeutiche per affrontare gli stessi argomenti in quarta ed in quinta nautico capitani, nella materia di “teoria della nave” ove la spiegazione prevede più chiarezza e precisione. Il Prof.

2. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) 1) Timone appeso Barra Anima (perno di rotazione) Pala Impugnatura della barra • Se immergo l’oggetto rappresentato in figura (somiglia vagamente ad un timone appeso) all’interno di una vasca, ove posso provocare un flusso che simuli la velocità in nodi di una nave, questo oggetto si posizionerebbe ovviamente nella stessa direzione del flusso. • Se lo devo far ruotare intorno all’asse di rotazione, devo applicare una forza sull’impugnatura della barra. Più veloce è il flusso dell’acqua e maggiore è la forza che devo applicare sulla barra. • Ovviamente non c’è bisogno di alcuna forza per mantenere il suddetto timone nella posizione di riposo (barra al centro). • Altrettanto ovviamente se, dopo aver provocato una rotazione applicando una forza sulla barra, si lascia la barra, il timone torna rapidamente nella posizione di riposo (barra al centro). FLUSSO DELL’ACQUA

3. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) 1) Timone appeso Barra Anima (perno di rotazione) Pala Impugnatura della barra • Se metto e fisso il timone in posizione perpendicolare al flusso, su tutta la superficie della pala del timone vengono provocate dal flusso delle forze perpendicolari alla pala. • Anziché considerare tutte le forze separatamente si considera la forza risultante, applicata al baricentro della pala (chiamata da ora in poi Fp(90) (forza sulla pala a 90°) • Immaginiamo che la forza risultante sulla pala sia pari a 15N e la pala sia lunga 1,2 metri. Sul perno di rotazione (Anima del timone) sarebbe provocato un momento rotatorio di 15N * 0,6m = 9Nm (0,6 perché la forza è applicata al baricentro che si trova a metà della pala e quindi il braccio è 0,6m) 1,2 metri FLUSSO DELL’ACQUA

4. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) 1) Timone appeso Barra Anima (perno di rotazione) 35° Pala Impugnatura della barra • Se metto e fisso il timone a 35° (l’angolo massimo di barra per il timone appeso) la forza risultante (che chiameremo Fp(35) Forza sulla pala a 35°), è minore a quella di 90° ma da essa è dipendente in funzione del seno. In pratica Fp(35) = Fp(90) * sen 35°. • In pratica la forza a 90° si divide in due forze, una perpendicolare al timone, che è quella utile, ed una parallela, che non produce effetti rotatori ma sforza sull’anima del timone. • Se una persona deve fare un’accostata decisa, spostando la barra di 35°, deve essere in grado di resistere al momento rotatorio provocato dalla suddetta forza (MFp = Fp(35°) * braccio = Fp(90°) * sen35° * braccio). Nell’esempio delle lastrine precedenti MFp = 15N * sen35° * 0,6m = 8,60N * 0,6m = 5,16N*m • La persona che deve fare l’accostata ha la mano sull’impugnatura alla fine della barra. Dovendo bilanciare il momento rotatorio causato dal flusso dell’acqua, ha a disposizione come “braccio” tutta la barra (solo un cretino metterebbe la mano più vicina all’anima per fare l’accostata). Se la barra è lunga ad esempio 1,4 metri, per sapere quanta forza si deve applicare sull’impugnatura, bisogna dividere il momento della forza sulla pala (5,16N*m) per la lunghezza della barra (1,4m). Nell’esempio la forza da applicare sull’impugnatura Fb (“forza sulla barra”) risulta essere uguale a 3,7N IMPUGNATURA FLUSSO DELL’ACQUA

5. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) 1) Timone appeso Barra Anima (perno di rotazione) Impugnatura della barra Pala • Se non riesco a produrre una forza di 3,7N sull’impugnatura della barra, come è possibile ridurre lo sforzo senza “allungare” la barra? Se inserisco una “compensazione parziale cosa succede? • Il flusso dell’acqua provoca una forza anche sulla compensazione, questa forza (sempre perpendicolare alla pala inclinata di 35°) è dalla stessa parte della barra e quindi riduce la forza che bisogna applicare sull’impugnatura. • Esempio di esercizio: • Forza sulla parte della pala a poppa dell’anima, misurata a 90° = Fp(90) = 15N • Forza sulla compensazione, misurata a 90° = Fc(90) = 7N (su una comp. Del 100%) • Lunghezza della pala a poppa dell’anima = 1,2 metri • Lunghezza della compensazione = 0,6 metri • Percentuale in altezza della compensazione = 55% • MFp = 15*sen35*0,6 – 7*sen35*0,3*0,55 = 5,16N*m – 0,66N*m = 4,5N*m • Fb = 4,5N*m / 1,4m = 3,2N FLUSSO DELL’ACQUA

6. Riflessioni sul dimensionamento di un timone (appeso, semicompensato e compensato) 1) Timone appeso Barra Anima (perno di rotazione) Impugnatura della barra Pala • Se bisogna ridurre ulteriormente la forza sull’impugnatura posso compensare completamente il timone (percentuale di compensazione in altezza del 100%) • Esempio di esercizio: • Forza sulla parte della pala a poppa dell’anima, misurata a 90° = Fp(90) = 15N • Forza sulla compensazione, misurata a 90° = Fc(90) = 7N (su una comp. Del 100%) • Lunghezza della pala a poppa dell’anima = 1,2 metri • Lunghezza della compensazione = 0,6 metri • Percentuale in altezza della compensazione = 100% • MFp = 15*sen35*0,6 – 7*sen35*0,3 = 5,16N*m – 1,2N*m = 3,96N*m • Fb = 3,96N*m / 1,4m = 2,8N FLUSSO DELL’ACQUA