Le eliche marine, in termini meno tecnici, equivalgono agli pneumatici delle automobili. Trasformano la potenza del motore nella forza propulsiva della barca e sono anche il dispositivo di propulsione più utilizzato sulle imbarcazioni.
La storia delle eliche
Nel 1776, l’ingegnere britannico James Watt inventò la macchina a vapore, che non solo diede un grande impulso alla prima rivoluzione industriale della storia, ma segnò anche l’inizio dell’impiego della potenza meccanica per la propulsione navale. Pose inoltre le basi tecniche che avrebbero contribuito a fare della Gran Bretagna una potenza marittima. Poiché l’elica non era ancora stata inventata, gli ingegneri, guidati dall’immaginazione, progettarono la ruota a pale basandosi sul principio dell’elica. Si trattava di un’imbarcazione con ruote a pale installate su entrambi i lati. Poiché una parte delle ruote rimaneva fuori dall’acqua, queste imbarcazioni furono chiamate piroscafi a pale. Presentavano però numerosi inconvenienti, come la pessima manovrabilità e la scarsa efficienza della trasmissione, soprattutto durante l’ormeggio.
Nel 1836, il britannico «Archimedes» utilizzò un’elica a vite, cioè un lungo pezzo di legno sagomato come una vite. Durante le prime prove, l’imbarcazione raggiunse una velocità di 4 nodi. In seguito, urtò un ostacolo in acqua e la vite si ruppe; una parte rimase però attaccata e la velocità salì a 13 nodi. Questo piccolo incidente ispirò gli ingegneri: trasformarono la lunga vite in una più corta e poi la vite corta in una pala. Così, passo dopo passo e grazie agli esperimenti, fu inventata l’elica. Naturalmente, ci furono anche molte altre sfide, come la tenuta dell’albero dell’elica subacquea e le vibrazioni sott’acqua. Con il progressivo avanzamento della tecnologia, grazie ai suoi numerosi vantaggi l’elica si è diffusa nei cantieri navali di tutto il mondo.
I principali parametri dell’elica
1. Passo P:
È la distanza percorsa dall’elica lungo l’asse in un giro completo. Corrisponde alla distanza percorsa da una vite nel legno dopo un giro. Si tratta però di un valore teorico: in acqua le pale dell’elica slittano, riducendo l’efficienza. Entra quindi in gioco anche il fenomeno dello slittamento.
Maggiore è il passo della pala, maggiore è il suo angolo rispetto al piano dell’elica. Per ogni velocità, tuttavia, esiste un angolo di passo ottimale. Le pale di un’elica a passo fisso non possono ruotare, perciò l’efficienza è massima solo alla velocità di progetto. Le eliche a passo controllabile sono diverse: le pale possono ruotare e il passo può quindi essere regolato. Sulle imbarcazioni che devono variare la velocità, l’impiego di eliche a passo variabile può migliorare notevolmente l’efficienza e ridurre il consumo di carburante.
2. Diametro dell’elica D:
È il diametro del cerchio più esterno descritto dalle pale. Nella progettazione dell’elica si tende a scegliere il diametro più grande possibile per aumentare la spinta. Sugli yacht, però, il pescaggio e lo spazio di installazione impongono dei limiti: un’elica troppo grande non è protetta dallo scafo e rischia di urtarlo. È quindi importante scegliere un diametro adeguato.
3. Rapporto di area espansa EAR:
Per prima cosa, occorre sapere che l’area del disco è quella del cerchio con diametro pari a quello dell’elica, cioè S=π(D/2)². Se S2 è la somma delle aree occupate da tutte le pale dell’elica su questo piano, allora EAR=S2/S. Più alto è il rapporto di area espansa, più ampie sono le pale e minore è il carico per unità di superficie, il che aiuta a prevenire la cavitazione. Tuttavia, l’aumento del rapporto di area espansa riduce l’efficienza dell’elica. Perciò, per limitare la cavitazione senza compromettere le prestazioni, il rapporto dovrebbe essere il più basso possibile. La maggior parte delle eliche ha un rapporto di area espansa inferiore a 1, mentre alcune eliche per imbarcazioni ad alta velocità superano 1.
Tipi di eliche comunemente usati sugli yacht
Elica a passo fisso:
Un’elica a passo fisso. Grazie alla struttura semplice, è la più utilizzata sugli yacht di piccole e medie dimensioni. Ha da tre a quattro pale. Vantaggi: struttura semplice, robustezza e manutenzione facile. Svantaggi: il passo non è regolabile, quindi l’efficienza è massima solo a una determinata velocità. Per migliorarla, le pale sono generalmente di grande diametro e ruotano a bassa velocità. Anche le eliche pieghevoli usate sulle barche a vela sono a passo fisso.
Elica a passo controllabile:
Elica con passo regolabile, che può essere modificato in base alla velocità per mantenere un’elevata efficienza di trasmissione e ridurre al massimo il consumo di carburante. Gli svantaggi sono evidenti: struttura complessa, costo elevato e manutenzione difficoltosa. È generalmente utilizzata sugli yacht di grandi dimensioni.
Eliche controrotanti:
Due eliche che ruotano in direzioni opposte sono montate sullo stesso asse. È il caso dei sistemi Volvo e ZF. L’elica controrotante assorbe il flusso rotatorio generato da quella anteriore e recupera parte dell’energia di rotazione, migliorando ulteriormente l’efficienza propulsiva. Tra gli svantaggi figurano la complessità della struttura e i limiti dei materiali in relazione alla spinta; per questo sistema è poco utilizzato sulle grandi navi.
Esistono naturalmente anche altri tipi di elica, ma sono meno diffusi.
