Come fa una barca a vela ad andare più veloce del vento? La fisica del vento apparente

Se il vento soffia a 10 nodi, come può una barca a vela arrivare a 12, 15 o addirittura 20 nodi?

Sembra un paradosso.

Se il vento è la fonte dell’energia che fa muovere la barca, come può la barca andare più veloce della sua stessa fonte di energia?

La risposta è nella fisica del vento apparente, nell’aerodinamica delle vele e nell’interazione tra la vela e l’acqua.

E soprattutto c’è una cosa da capire subito:

La barca non deve necessariamente andare nella stessa direzione del vento per sfruttarne l’energia.

Ed è proprio questo che rende la vela così affascinante.

Vento reale e vento apparente: qual è la differenza?

Quando siamo fermi in banchina e soffia vento a 10 nodi, sentiamo un vento di 10 nodi.

Quello è, in prima approssimazione, il vento reale.

Ma appena la barca comincia a muoversi, la situazione cambia.

Immaginiamo di essere in bicicletta in una giornata perfettamente calma.

Non c’è vento.

Ma appena iniziamo a pedalare, sentiamo aria sul viso.

Quell’aria non è stata generata dal vento atmosferico: è l’effetto del nostro movimento attraverso l’aria.

In barca succede la stessa cosa.

Il vento che percepisce la barca è il risultato della combinazione tra:

• vento reale;
• velocità della barca.

Questo vento viene chiamato:

🌬️ VENTO APPARENTE

È il vento che effettivamente investe le vele mentre la barca naviga.

Ed è proprio questo il vento con cui le vele interagiscono.

La velocità della barca cambia il vento che sente

Facciamo un esempio semplice.

Supponiamo di avere:

Vento reale: 10 nodi

La barca parte e raggiunge:

5 nodi di velocità.

Il vento apparente non sarà semplicemente di 10 nodi.

Avrà una velocità e una direzione diverse, determinate dalla combinazione vettoriale tra vento reale e movimento della barca.

Se la barca accelera ulteriormente, il vento apparente cambia ancora.

Quindi abbiamo una situazione molto interessante:

la barca accelera → cambia il vento apparente → cambia il flusso sulle vele → cambia la forza aerodinamica → la barca può continuare ad accelerare.

È un sistema dinamico.

Ma come fa la vela a spingere la barca?

Qui dobbiamo abbandonare per un momento l’idea della vela come di una semplice superficie che viene “spinta” dal vento.

Una vela ben regolata, soprattutto nelle andature in cui lavora come profilo alare, genera portanza aerodinamica.

Il flusso d’aria interagisce con il profilo della vela e produce una forza risultante.

Questa forza può essere scomposta in diverse componenti.

Una componente è diretta lateralmente e tende a far sbandare la barca.

Un’altra componente può essere orientata nella direzione di avanzamento.

È quest’ultima che contribuisce alla:

⛵ PROPULSIONE

La vela, quindi, non deve necessariamente ricevere una spinta direttamente da poppa.

Può sfruttare il flusso d’aria apparente per generare una forza utile a far avanzare la barca.

La vela funziona un po’ come un’ala

Questa è una delle idee più importanti per capire la vela moderna.

Un’ala di aeroplano si muove attraverso l’aria e genera portanza.

Una vela fa qualcosa di simile, anche se le condizioni aerodinamiche e il ruolo della resistenza sono differenti.

Quando il vento apparente investe la vela con un determinato angolo, si crea una forza aerodinamica.

La regolazione della vela serve proprio a mantenere il profilo in una condizione nella quale il flusso possa produrre una forza utile.

Per questo sono così importanti:

• angolo di attacco;
• forma della vela;
• tensione;
• twist;
• posizione delle scotte;
• intensità del vento apparente.

E l’acqua? Perché è così importante?

Perché la vela da sola non basta.

Immaginiamo una barca senza deriva o senza chiglia.

La forza generata dalle vele avrebbe una componente laterale molto importante e la barca tenderebbe a muoversi lateralmente attraverso l’acqua.

La chiglia o la deriva, interagendo con l’acqua, sviluppano una forza idrodinamica che contrasta in gran parte questo movimento laterale.

Abbiamo quindi due sistemi che lavorano insieme:

🌬️ LA VELA LAVORA NELL’ARIA

🌊 LA DERIVA O LA CHIGLIA LAVORA NELL’ACQUA

Il risultato dell’interazione tra queste forze permette alla barca di trasformare l’energia disponibile nel vento in movimento nella direzione desiderata.

Ma allora la barca può andare sempre più veloce?

No.

Ed è qui che bisogna evitare una delle semplificazioni più comuni.

Il fatto che una barca possa superare la velocità del vento reale non significa che possa farlo in qualsiasi andatura o senza limiti.

Il risultato dipende da:

• direzione del vento;
• velocità del vento;
• velocità della barca;
• caratteristiche dello scafo;
• piano velico;
• efficienza delle vele;
• resistenze aerodinamiche e idrodinamiche.

In particolare, le condizioni più favorevoli si verificano generalmente nelle andature portanti ma non esattamente con il vento in poppa, dove il vento apparente può mantenere un’intensità e una direzione favorevoli al lavoro aerodinamico delle vele.

Perché la poppa piena è un caso particolare?

Immaginiamo di avere:

vento reale: 10 nodi

e di navigare esattamente nella stessa direzione del vento.

Se la barca va a:

5 nodi, il vento apparente proveniente da poppa sarà circa 5 nodi.

Se raggiunge:

9 nodi, il vento apparente si riduce a circa 1 nodo.

Se arrivasse esattamente a:

10 nodi, in questo modello ideale il vento apparente sarebbe nullo.

Questo ci fa capire una cosa fondamentale:

Andare esattamente nella direzione del vento non è il modo più efficace per continuare ad aumentare indefinitamente la velocità.

È invece possibile trovare condizioni molto più favorevoli quando la barca naviga con un angolo rispetto al vento che permette alle vele di lavorare ancora efficacemente come profili aerodinamici.

Il segreto è il vento apparente

Ed eccoci al cuore della questione.

Supponiamo che il vento reale sia di:

🌬️ 10 nodi

La barca, grazie alla forza generata dalle vele, accelera.

Man mano che aumenta la velocità, cambia il vento apparente.

La direzione del vento apparente può spostarsi verso prua e il suo valore può aumentare rispetto a quello che la barca percepirebbe se fosse ferma, a seconda dell’andatura.

Questo permette alle vele di continuare a lavorare su un flusso d’aria significativo.

La barca può quindi raggiungere una velocità superiore ai 10 nodi.

Non sta violando nessuna legge fisica.

Sta semplicemente sfruttando un sistema dinamico nel quale vento e movimento della barca interagiscono continuamente.

Un esempio numerico

Immaginiamo una barca moderna e leggera che naviga al lasco.

Il vento reale è:

10 nodi

La barca raggiunge:

8 nodi

Il vento apparente non sarà più semplicemente quello reale.

La sua velocità e la sua direzione dipenderanno dalla combinazione vettoriale dei due movimenti.

Se la barca continua ad accelerare fino a:

12 nodi

il vento apparente continuerà a cambiare.

Le vele, opportunamente regolate, possono continuare a generare una forza propulsiva.

Ecco quindi il punto apparentemente incredibile:

🌬️ VENTO REALE: 10 nodi

⛵ BARCA: 12 nodi

Non c’è nessuna contraddizione.

La velocità della barca viene misurata rispetto all’acqua o al fondo, mentre il vento è un moto dell’aria rispetto a un sistema di riferimento.

Sono grandezze vettoriali e devono essere confrontate correttamente.

Non significa che la barca crea energia

Questo è un altro punto importante.

La barca non sta producendo energia dal nulla.

L’energia necessaria per accelerare proviene dal vento.

La vela trasferisce parte dell’energia disponibile nell’atmosfera alla barca.

Contemporaneamente, la barca deve vincere le proprie resistenze:

• resistenza idrodinamica;
• resistenza aerodinamica;
• attrito;
• formazione delle onde;
• altre perdite.

Quando la potenza fornita dal sistema vela-vento supera la potenza necessaria a vincere queste resistenze, la barca accelera.

Quando le due potenze si equilibrano, la barca raggiunge una velocità di equilibrio.

E più la barca accelera, più cambia il problema

Questa è forse la parte più affascinante.

Quando la barca accelera, non sta semplicemente diventando “più veloce”.

Sta anche modificando il vento che sente.

Perciò:

più velocità → nuovo vento apparente → nuova regolazione delle vele → nuova distribuzione delle forze.

Il velista deve continuamente adattarsi a questa situazione.

Ecco perché una barca veloce richiede una regolazione molto precisa.

Una variazione apparentemente piccola della velocità può modificare il vento apparente e quindi l’angolo con cui il flusso investe la vela.

Perché le barche moderne possono raggiungere velocità così elevate?

Perché la tecnologia ha migliorato enormemente l’efficienza dell’intero sistema.

Barche leggere, carene progettate per ridurre la resistenza, appendici efficienti, vele ad alte prestazioni e materiali moderni permettono di trasformare una parte sempre maggiore dell’energia disponibile in velocità.

In alcune imbarcazioni molto performanti entrano inoltre in gioco fenomeni ancora più spettacolari, come la planata o l’utilizzo di foil, che possono ridurre drasticamente alcune componenti della resistenza dello scafo.

Ma il principio di base rimane lo stesso:

Il vento fornisce energia, le vele la trasformano in forza aerodinamica e la carena e le appendici permettono alla barca di utilizzarla per avanzare.

Quindi: una barca può davvero andare più veloce del vento?

Sì.

Ma dobbiamo specificare:

può andare più veloce del vento reale in determinate condizioni di navigazione.

Non significa che possa farlo semplicemente andando dritta nella stessa direzione del vento.

E non significa che ogni barca possa farlo.

Dipende dalle caratteristiche dell’imbarcazione e dall’andatura.

Il punto fondamentale è che la vela lavora con il vento apparente, non con il vento reale considerato da solo.

Il paradosso della vela

Ed eccoci alla risposta alla domanda iniziale.

Come può una barca andare più veloce del vento?

Perché il vento non è semplicemente qualcosa che “spinge” la barca da dietro.

La barca si muove attraverso l’aria e modifica continuamente il vento che percepisce.

Le vele sfruttano questo vento apparente per generare forze aerodinamiche.

La deriva o la chiglia interagiscono con l’acqua e contrastano le forze laterali.

Lo scafo trasforma queste forze in movimento.

E il sistema continua ad evolvere mentre la barca accelera.

La frase da ricordare

Se vuoi ricordare una sola cosa di questo articolo, ricorda questa:

Una barca a vela non naviga semplicemente grazie al vento reale: naviga grazie all’interazione tra vento reale, movimento della barca e vento apparente.

Ed è proprio per questo che, nelle condizioni giuste, 10 nodi di vento possono accompagnare una barca che naviga a 12, 15 o anche molti più nodi.

Non è un paradosso.

È fisica.

⚓ OSSERVA → CAPISCI → REGOLA → NAVIGA MEGLIO

Perché quando capisci il vento apparente, inizi a guardare una barca a vela con occhi completamente diversi.