Salve, sulla base delle mie limitate conoscenze e delle mie esperienze altrettanto limitate, ti dico la mia sull’argomento che hai trattato, premettendo che condivido quello che dice Giulio, in particolare sulla prova empirica.
Userò i termini nave e imbarcazione, ecc. ecc. non in senso strettamente tecnico (quindi lascia perdere per ora le definizioni della nautica da diporto, dei regolamenti per prevenire gli abbordi, o delle definizioni delle varie armature veliche, prendili nel senso comune e gergale del vocabolo).
Come si calcola il peso della zavorra e come si dispone? Hai chiesto.
Allora distinguiamo due problemi principali: il galleggiamento e il rovesciamento.
Galleggiamento
Come ben saprai il dislocamento, cioè il peso totale della tua nave, è uguale al peso del volume di liquido (in cui è immersa) che viene spostato (in pratica il volume immerso) dall’imbarcazione stessa. Contribuisce al computo del volume immerso tutto quello che sta sotto la linea di galleggiamento.
Né consegue che più aumenti il peso della tua nave (il dislocamento) e più la linea di galleggiamento si alzerà (la nave “scende”) aumentando di conseguenza il volume immerso e quindi la spinta che si oppone al peso.
Da quanto detto è chiaro che il peso della zavorra è parte integrante del dislocamento cioè del peso totale. Aggiungere ulteriore peso vuol dire alzare la linea di galleggiamento “mangiando” pericolosamente una parte di bordo libero.
Ciò premesso, per calcolare quanto puoi mettere di zavorra, dovresti conoscere alcuni dati della tua nave e procedere in questo modo:
Stabilire la linea di galleggiamento a pieno carico, diciamo quella che non è opportuno superare per avere un bordo libero accettabile. Se riproduci un modello esistente non la devi trovare tu ma è già definita.
Una volta stabilita la linea di galleggiamento potrai calcolare il volume immerso e qui ci sono vari metodi:
Puoi accedere a questi dati se riesci a reperirli per un modello realmente esistito. Calcolarli con un programma 3d che li fornisce per i volumi o le polisuperfici chiuse con un semplice comando. In alternativa al comando si può adottare una formula approssimativa che consiste nel moltiplicare le superfici delle ordinate per le loro distanze. Si ottiene un risultato molto vicino al vero.
Il volume immerso si può infine ricavare con un metodo empirico.
Per non appesantire un discorso già lungo, non tratterò qui né la formula né il metodo empirico a meno che a qualcuno interessi in modo specifico.
Se, però, puoi solo intraprendere il metodo empirico a questo punto ti consiglio di seguire direttamente quello che ti ha indicato Giulio.
In tutti e tre i casi dal volume in dm3 si ottiene il peso, conoscendo il volume specifico del liquido. Per farla più semplice, ignorando altri liquidi improbabili e il piccolo errore che ne deriva, puoi considerare che ad ogni dm3 di acqua corrisponderà circa un kg di peso.
Per il metodo empirico (“alla Giulio” per intenderci) puoi procedere come feci io:
Non appena hai un scafo impermeabile (ma se sei avanti col lavoro va bene uguale, anzi meglio), puoi immergerlo in una vasca (anche da bagno), piena di acqua dolce, e introdurci gradualmente e con attenzione vari pesi (o oggetti pesanti di facile reperibilità).
La linea di galleggiamento la disegnerà l'acqua stessa sulla carena e, man mano che i pesi aumenteranno essa salirà. Ti fermerai solo quando avrai raggiunto la linea di galleggiamento che ti sei prefissato (se decidi tu e lo fai ad occhio ricordati di lasciare abbastanza bordo libero) o quella indicata dal progetto.
Eseguita questa semplice operazione, puoi pesare (se ne hai la possibilità) lo scafo con tutti i pesi che hai inserito, oppure solo i pesi che hai introdotto nella loro totalità.
Nel primo caso conoscerai il peso totale massimo della tua nave e, se vuoi, procedere al calcolo del volume immerso conoscendo il peso specifico dell'acqua, (ma chiaramente sarà perlopiù curiosità visto che, ai fini pratici serve conoscere il peso). Nel secondo caso conoscerai il peso che puoi ancora aggiungere per completare la nave, compresa la zavorra.
A questo punto, mantenendo un certo margine di tolleranza/sicurezza considera in termini di peso tutto quello che dovrai ancora mettere per il completamento strutturale dell'imbarcazione, tutti gli apparecchi e i meccanismi come: motori e servomeccanismi, astucci porta eliche, eliche, cavi elettrici ecc. ecc.
Quello che avanza lo puoi impiegare per la zavorra.
Ti consiglio di pesare e controllare i pesi man mano che procedi perché tutto pesa, anche quello a cui non pensavi o che hai trascurato (vernice, resine, colle ecc. ecc.)
Per quanto concerne la prova in vasca mi pare di aver messo delle foto nel mio lavoro in corso, ma se non ci sono te le metto qui.
Per come disporre la zavorra ti rimando alla lettura del paragrafo successivo, ma per una nave senza vele, il problema quasi non esiste, il problema è per i velieri, li è tutto molto più difficile. Il tuo è un veliero giusto?
Rovesciamento
Per rovesciamento intendiamo logicamente quello lungo l'asse longitudinale, affine al rollio per capirci.
Esistono due tipi di stabilità per una nave: quella di forma e quella di peso.
In entrambi i casi, ad opporsi al rovesciamento (ad esempio dovuto alla forza del vento sulle vele al traverso) si svilupperà una coppia raddrizzante.
Se riesci ad ottenere quella di peso è meglio. Per i modelli RC naviganti a motore senza vele, va bene anche la stabilità di forma che è più che sufficiente.
Come noto, nella stabilità di forma il baricentro è sopra al centro di carena ma finché il metacentro è sopra al baricentro, e quindi l'altezza metacentrica è positiva, la coppia che si crea è positiva ed è quindi raddrizzante, la nave è stabile e tonerà dritta non appena cesserà la causa che l'ha fatta rollare.
A creare questa stabilità è appunto la forma dello scafo; scafi molto larghi e poco profondi hanno un'ottima stabilità di forma. Un esempio tipico è la zattera.
Il problema è che la coppia è raddrizzante fino ad un certo “sbandamento” oltre il quale il metacentro finisce sotto, l'altezza metacentrica diventa negativa e si rovescia.
E' superfluo dire che il baricentro è fisso, a meno che i pesi interni non si spostino (cosa assolutamente da evitare), mentre il centro di carena e il metacentro si spostano a seconda dell'assetto della nave.
Sul baricentro agisce la forza peso, sul centro di carena agisce la spinta di Archimede.
Nella stabilità di peso, invece, il baricentro è sotto il centro di carena, perciò l'altezza metacentrica sarà sempre positiva e la coppia che si sviluppa da queste due forze sempre raddrizzante.
Lo scopo è quello di ottenere una stabilità di peso. Come fare?
Anche con un progetto 3d non è facile e anch'io sono ricorso al metodo empirico.
Una volta che sai qual è il peso della zavorra devi disporla più in basso possibile (oltre che metterla in posizione centrale e distribuirla bene per non “appoppare” la nave o fare il contrario).
Ti sembrerà scontato ma prima della zavorra devi cercare di mettere tutti gli elementi pesanti (batterie, motori, cavi, ecc. ecc.) più in basso possibile. Tutti gli oggetti che stanno in alto sul ponte o peggio sugli alberi devono essere ridotti al minimo o scelti del materiale più leggero.
Ma come fai a capire se hai una coppia raddrizzante col metodo empirico?
Fai la prova in acqua come quella descritta prima, poi prendi un albero all'estremità superiore e portala verso l'acqua in modo da rovesciare la nave. Se la lasci e la nave ritorna dritta ha una coppia raddrizzante. Vedi fino a che punto puoi far arrivare la rotazione della nave. Se arriva al massimo, cioè con gli alberi quasi paralleli alla superficie dell'acqua e i ponti in verticale o quasi, la nave è stabile e può navigare. Altrimenti no.
Esegui questa prova durante le varie fasi di completamento e non sono alla fine.
Puoi notare che la velocità con cui ritorna in assetto per l'effetto della coppia raddrizzante varia. Può essere più o meno veloce. Nelle navi vere una coppia troppo forte non va bene perché la nave risulterebbe troppo “dura”. Si usa questo termine. Una cosa del genere farebbe vomitare di più i passeggeri per il mal di mare. Ma nel modellismo non ci interessa. Certo, un ritorno troppo brusco potrebbe inficiare il realismo della navigazione, come ad esempio la velocità troppo elevata per certi tipi di riproduzione e rendere il tutto meno simile al vero.
Ho dato per scontato che la stabilità di forma e la stabilità di peso fossero concetti noti, tuttavia a parte i libri, ormai sul web ci sono talmente tante informazioni in forma di testo immagini, video e schemi animati che sarà facile per chiunque apprendere questi concetti semplici ma basilari.
Se ho dato per scontato ulteriori termini o concetti, oppure sono stato poco chiaro dimmelo pure.
Se però intendi far navigare un galeone, un vascello o comunque una riproduzione di una nave antica a vela, leggi bene il seguente post, perché c'è un problema aggiuntivo che ignorano in tanti, e in tanti non me lo hanno mai saputo spiegare.
Se intendi far navigare il vascello (credo sia un vascello) in foto si aggiungono ulteriori problemi.
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