Nella meccanica dei fluidi , una lamina è un'ala posizionata e profilata in modo da generare, con il suo movimento in acqua, una forza di portanza che agisce sulla sua velocità e stabilità.
La parola foil è usata nel linguaggio quotidiano della nautica (barca a vela con foil, catamarano con foil, Moth con foil). Questo nome è una semplificazione della parola aliscafo ; la parola inglese " foil " proveniente da foile , derivata dal francese antico foille ou feuille "proveniente dal latino folia , foglia. Per denominare le superfici di appoggio di un aliscafo , il Larousse non usa l'espressione " piano portante " ma "ala portante".
Esistono diversi nomi per i foil: Dog of the Sea , Seaglider , Hapa , Paravane , Parafoil , Diving Deer o Water Wing ,
I foil non sono stati inventati in una data precisa, ma sono il frutto del lavoro di molti inventori e ancora oggi sono al centro di molte ricerche. I primi foil come sono conosciuti hanno visto la loro comparsa negli anni 80. Sono stati resi popolari da Eric Tabarly e dal suo trimarano di foil: il Paul Ricard . I foil sono diventati davvero popolari negli anni 2000 con la comparsa degli aliscafi; questi multiscafi con foil sono in grado di raggiungere velocità estremamente elevate grazie ai propri foil: più di 100 km/h . Il record di velocità di navigazione è stato stabilito nel 2012 dal sailrocket 2 , una macchina foil. È stata raggiunta una velocità massima di 65,45 nodi ( 121 km/h ).
I foil hanno fatto la loro prima apparizione al Vendée Globe durante l'edizione 2016, dove gli skipper hanno avuto la possibilità di montarli o meno sui loro scafi.
La velocità di spostamento genera sul/i foil/s una portanza idrodinamica in grado di sollevare lo/i scafo/i dell'imbarcazione parzialmente o totalmente fuori dall'acqua . Lo scopo di questo trasferimento dell'ascensore è ridurre la resistenza dello scafo (attrito e onde) e ridurre la potenza richiesta a velocità di crociera.
I fogli sono classificati in due famiglie:
Nel caso di foil che attraversano la superficie, più la barca va veloce, più si alza e meno è importante la superficie sommersa. La velocità compensa la perdita di profilo aerodinamico, la portanza rimanendo costante.
Per una data velocità, la barca si alza fino a quando l'ascensore è uguale al peso. Si dice che l'ascensore sia autoregolato poiché (teoricamente) la barca non rischia di salire al punto da tirare fuori dall'acqua una lamina. Queste lamine hanno generalmente un angolo di inclinazione fisso ma possono anche essere regolabili (passo variabile).
L'immersione del foil essendo regolata al livello della superficie, la barca segue il profilo delle onde (disagio in mare mosso).
Fogli completamente sommersiNel caso di lamine completamente sommerse, la superficie di appoggio è completamente e costantemente sommersa.
Il vantaggio di questa configurazione è la sua capacità di isolare la barca dall'effetto delle onde non appena la sua velocità è sufficiente, in modo che la nave decolli e che le onde non siano troppo forti. I supporti o montanti o "gambe" che collegano le lamine allo scafo generalmente non contribuiscono al sollevamento. Questa configurazione a lamina sommersa può avere una maggiore efficienza (sollevamento/trascinamento) ma non è naturalmente stabile in beccheggio e rollio . D'altra parte, la superficie di appoggio è costante qualunque sia la velocità e l'altezza di volo. Senza un sistema di regolazione, nulla stabilizza la profondità di immersione: la lamina può arrivare all'interfaccia aria/acqua. Per questi due motivi l'imbarcazione deve essere dotata di un sistema di stabilizzazione attivo controllato da sensori di altitudine (come sul foil Moth) o da una centralina (sensori di altitudine, accelerometri).
Per variare il sollevatore longitudinale e trasversale secondo la velocità , il raggio di sterzata richiesta e il peso della barca, le lamine devono essere dotati di un sistema di variazione di sollevamento che agisce sul impostazione o la curvatura del profilo o sul flusso locale.
In questa famiglia troviamo solitamente lamine a “T” rovesciata, ma anche lamine a “U” o “L”.
La regolazione dell'ascensore può essere effettuata da:
Il sistema è controllato da sensori ( giroscopi , accelerometri e sensori di altezza di volo); dei cilindri controllano il sollevamento delle lamine.
Il sistema è spesso controllato meccanicamente da sensori posti davanti alla barca o da un sensore di altitudine (il più delle volte un galleggiante che si libra sulla superficie dell'acqua), cfr. "Moth à foil" o "Moth Foiler".
Macchinari mossi dalla forza umana (a motore umano):
Una barca a vela dell'aria o barca a vela "senza massa" è un'unità mobile marittima composta da un elemento marittimo e un elemento vento,
Questa modalità di trasporto sfrutta la forza del vento, l' energia eolica , per muoversi come una barca a vela .
L'obiettivo di una barca a vela ad aria è quello di sopprimere la resistenza idrodinamica dello scafo in acqua, la densità delle parti sommerse diventa molto bassa. Le loro masse sono essenzialmente supportate dalla parte aerea che le rende la principale differenza con le barche a vela di tipo aliscafo la cui massa è supportata dall'aliscafo, da cui il nome di barca a vela senza massa (riferendosi alla densità della parte sommersa molto debole).
L'assieme può essere composto per la parte aerea di un pallone, di un'ala di aquilone o di qualsiasi altra forma aerea che permetta di generare una forza aerodinamica e per la parte marittima di un aliscafo. Le due parti essendo collegate da uno o più cavi.
Un involucro di un pallone assimilato ad una vela collegata ad una deriva stabilizzata su 3 assi (ala d'acqua o foil) permette alla barca a vela dell'aria di navigare nel vento. Il cavo che collega l'aliscafo al pallone funge da albero e da pallone a vela. L'Aerosail utilizza un hydrofoil con un profilo simmetrico che consente all'aquilone di andare in entrambe le direzioni.
Nelle configurazioni di seguito elencate si parla di “piccola o grande superficie di appoggio”, tali superfici possono essere in un unico pezzo o separate e quindi formate da più lamine. Avere diverse superfici di appoggio separate fornisce la leva e i momenti necessari per la stabilità longitudinale (beccheggio) e laterale (rotazione).
Una superficie di appoggio è caratterizzata da:
La scelta della forma in pianta è legata alla distribuzione della portanza della campata desiderata:
A causa della viscosità del mezzo, la massa d'aria in movimento che incontra un profilo arcuato segue la superficie di questo profilo; la massa d'aria viene deviata, questo è l' Effetto Coanda . In risposta al momento della massa d'aria deflessa in una direzione (in basso per un profilo portante), l'ala viene tirata nell'altra direzione (in alto), secondo la terza legge di Newton
L'asimmetria di un profilo bombato si traduce in velocità più elevate sulla superficie superiore e minori sulla superficie inferiore. L'ipotesi di incomprimibilità del fluido studiato permette di spiegarlo. Questa ipotesi permette infatti di mostrare la conservazione della portata volumetrica del flusso. Sulla superficie superiore le linee di corrente si stringono, la superficie quindi diminuisce la velocità aumenta per conservazione della portata e sulla superficie inferiore avviene il contrario. Secondo il teorema di Bernoulli , utilizzabile solo in determinate ipotesi che si suppone si verifichino quando una lamina è in funzione (flusso omogeneo, incomprimibile e statonico) la pressione diminuisce all'aumentare della velocità e viceversa. Si crea così una sovrapressione all'intradosso ed una depressione all'estradosso che determina una forza di sollevamento verso l'alto e permette alla lamina di sollevarsi.
Questa spiegazione non si applica bene alla capacità portante di profili simmetrici sottili e lastre piane senza spessore.
Il profilo è la sezione longitudinale (parallela alla velocità) di un'anta sollevabile.
I profili sono generalmente definiti dalle loro principali caratteristiche geometriche e dalle loro caratteristiche idrodinamiche (coefficienti di portanza, resistenza, momento di beccheggio). I profili più noti ( NACA ) sono classificati geometricamente per famiglie (distribuzione spessore, campanatura, spessore).
La geometria di un profilo è definita dai seguenti elementi:
Il profilo viene scelto in base ai seguenti criteri principali:
Il Cz o coefficiente di portanza , dipende dalla massa, dalla superficie di appoggio e dalla velocità. Valore frequente: da 0,4 a 0,7 a velocità di crociera. La portanza è F = q S Cz con q = pressione dinamica = 1/2 rho V² e rho = densità del fluido.
Il Cx o coefficiente di trascinamento della lamina, dipende da:
La temporizzazione (l' incidenza inglese o rake è l'angolo tra la corda del profilo (linea retta che unisce il bordo di entrata al bordo di uscita ) e la posizione di riferimento (di solito la base per il funzionamento nominale, la velocità di crociera). sollevamento. Si noti che incidenza in inglese non significa incidenza in francese. Si noti inoltre che il termine inglese rake designa nell'aviazione, ad esempio per le eliche, la pendenza locale del bordo della barca. 'attacco (forma in pianta, angolo della freccia) e non un angolo di incuneamento.
L'angolo di incidenza (in inglese AoA, angolo di attacco ) di una lamina è l'angolo tra la corda del profilo (linea retta che unisce il bordo di entrata al bordo di uscita ) e il flusso (il vettore di velocità locale). All'aumentare del pitch, aumentano l'angolo di attacco e di portanza.
L'angolo di incidenza di un timone , che è una superficie verticale con un profilo simmetrico, è uguale a zero quando il timone è nell'asse della barca, a condizione che la barca non sia alla deriva (non a granchio).
La portanza aumenta con l'angolo di attacco ( inclinazione della portanza ). Da una certa angolazione, il cui valore varia in funzione del profilo e dell'allungamento della superficie di appoggio, si ha una separazione del flusso detta stallo e perdita di portanza.
Per un profilo simmetrico come un timone, l'angolo di portanza zero è uguale a zero: il timone deve essere nell'asse delle correnti per annullare la portanza laterale.
Per un profilo asimmetrico, per ottenere portanza nulla, il piano deve essere posto in incidenza negativa; è questo angolo che viene chiamato "angolo di sollevamento zero". Un ordine di grandezza di tale angolo è dato dal valore della campanatura (rapporto deflessione/corda) del profilo: un profilo bombato al 4% ha un angolo di portanza nullo di circa -4°.
La capacità portante dei profili sommersi è limitata dalla ventilazione e dalla cavitazione.
La ventilazione è un fenomeno legato alla vicinanza del piano portante alla superficie. La forte depressione in corrispondenza della superficie superiore delle lamine può creare un risucchio d'aria che scenderà lungo un montante (gamba della lamina) o la lamina stessa (lamina a “V” attraversando la superficie). In questo caso il profilo non avanza più in acqua ma in una miscela di aria e acqua, e la portanza si abbassa bruscamente (differenza di densità del mezzo). Una soluzione alternativa è l'uso di tramezzi o barriere (in inglese " fences ") che impediscono all'aria di scendere lungo la lamina.
A causa della creazione di portanza, la pressione in corrispondenza della superficie superiore diminuisce e localmente raggiunge un valore pari o inferiore alla pressione del vapore saturo , manifestata dalla comparsa di bolle di vapore acqueo, fenomeno chiamato "cavitazione". Ciò provoca una caduta di portanza, e l'implosione delle bolle provoca l'erosione delle lamine, nonché vibrazioni e rumore.