Il rapporto peso/potenza. Quale motorizzazione scegliere?

Qual è la potenza “giusta” da installare su una barca da diporto? Parlare del rapporto peso/potenza richiederebbe una trattazione piuttosto estesa e approfondita, ma con Sergio Abrami vediamo di dare i concetti base.

Ci riallacciamo idealmente a un altro tema già trattato, quello del rapporto Lunghezza/Larghezza e una risposta, indirettamente e tra le righe, c’era anche nei miei precedenti articoli “Come si sono evolute le carene a motore” e soprattutto “Deadrise, chi è costui?”, cioè: non esistono “verità assolute”. Anche per il rapporto peso/potenza molti parametri dipendono o sono influenzati (dipende dai punti di vista) dall’uso che si pensa di fare dell’imbarcazione.

Nel campo navale, in fase di progetto, in base a considerazioni di carattere pratico/economico, si fissa la velocità di esercizio e di conseguenza apparato motore e apparato propulsivo sono in funzione delle velocità di progetto. Questo per ottimizzare motori e eliche. Nel diporto dovrebbero valere gli stessi criteri, ma spesso non è così e frequentemente è l’armatore che spinge per “ipermotorizzare” il proprio motoryacht. Gli argomenti sono più futili di quanto si possa pensare, ma mi dicono che questo succede anche nella flotta peschereccia. Un po’ alla Trump: “il mio M/Y ha il motore più “grosso” del tuo…”

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Rapporto peso/potenza: i cavalli vanno “dissetati”

E sì, ai cavalli bisogna dare da bere e poi magari succede di navigare fuori dai parametri ottimali per cercare di consumare meno. Perché il circolo vizioso è: motore più grande, più peso a bordo, locale motori più grande, meno spazio per la parte abitativa, più serbatoi, più peso, quindi più motore per fare la stessa velocità. Il nemico numero uno di tutti i mezzi di trasporto (dai veicoli alle barche) è il peso. Il peso toglie velocità, quindi motori più grandi significano più peso e più carburante: un serpente che si morde la coda. Il fenomeno, già studiato nei primi anni Cinquanta dello scorso secolo da due giganti della progettazione areonautica, l’ungherese Von Karman e l’italiano Gabrielli, progettista di aerei famoso per i Fiat G50, G91 e G222 per citare i più famosi.

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Da quanto già letto su queste pagine, o per nozioni acquisite, avrete certamente capito che nel campo della progettazione nautica c’è un sottile filo rosso che unisce programma di navigazione, materiali, forme di carena. Materiali, carena, propulsione sono elementi intimamente legati al programma di navigazione e si influenzano tra di loro. Poi ci sono le mode e i fatti legati al costume che si evolve o, molto più spesso, si involve. Per avere ben chiari i criteri di scelta bisogna avere una visione generale delle cose, e ciò non è facile. È giocoforza fare un passo indietro per avere anche una visione “storica” dell’esigenza di prestazioni. La ricerca della velocità nasce nei primi anni del XX secolo: velocità non solo in cielo e su terra, ma anche sull’acqua. Il raziocinio, la percezione di ottimizzare la velocità alle esigenze reali, arriva più tardi con il secondo dopoguerra e con gli studi dei già citati Gabrielli e Von Karman e al diagramma che porta il loro nome. A proposito di diagramma, ne propongo un altro molto significativo che ho creato con i progressi della velocità nei vari mezzi di trasporto.

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Se osserviamo il grafico “sempre più veloci” vediamo che gli incrementi rilevati subiscono un rallentamento solo nell’ambito delle automobili di serie nel periodo della seconda guerra mondiale. Cercando di analizzare i quattro grafici dove sono rappresentate le velocità raggiunte da aerei, automobili stradali, imbarcazioni da record e velocità commerciali sull’acqua, colpisce come a fronte di incrementi vertiginosi nel campo aeronautico e terrestre, gli incrementi nel campo nautico/navale siano stati modesti, un andamento quasi lineare. Se poi prendiamo in considerazione l’efficienza, la quantità di energia o potenza installata per ottenere quelle prestazioni, scopriamo che nel nostro campo in realtà si sono fatti, o meglio si erano fatti, dei vistosi passi indietro. La disponibilità sul mercato di motori leggeri, potenti, relativamente economici e un relativo basso costo dell’energia (gasolio) avevano privilegiato ben altri parametri progettuali. Sia ben chiaro: è comunque colpa del mercato, non dei progettisti… In pratica, si era persa di vista la strada dell’affinamento delle carene che vantava secoli di storia a favore di soluzioni (che io mi ostino a chiamare di “elegante edilizia nautica”, vedi articolo precedente sul rapporto LOA/Bmax) non certamente performanti, soprattutto in relazione alle potenze installate.

Il ventunesimo secolo, complice il repentino aumento dei costi dell’energia, non disgiunto a una maggiore maturità ambientale, ha fatto riscoprire il piacere della lentezza. Dal mito della velocità all’elogio della lentezza. Si parla ora spesso di “slow food”, ma c’è anche la “slow architecture” che, secondo i suoi sostenitori, è un’architettura progressiva, che vive nel tempo; è sostenibile, trae quindi dal contesto in cui si inserisce le risorse per la sua definizione. È la risposta “lenta” al dilagare omologante della “fast life” e riguarda anche l’architettura navale. Dalla terraferma al mare è un invito a rallentare il tempo, a gustarlo, assaporarlo. Forse qualcuno si starà chiedendo quando si inizia a parlare di rapporto peso/potenza, ovvero ricerca della efficienza, ma lo stiamo già facendo… in pratica l’aspetto economico della questione. E anche nel mondo dei megayacht ora si punta all’aspetto “eco”, alla riduzione degli sprechi e l’industria cantieristica italiana è in pole position anche in questo settore. In campo automobilistico questo è già successo: per viaggiare a 130 km/h in autostrada si può anche pensare di utilizzare auto da 20 km/l e 129 gr di CO₂/km. Per il momento nel campo nautico questo è più difficile da ottenere, ma il primo passo può essere una conoscenza diffusa, magari superficiale, dei principi che regolano la velocità e di conseguenza l’assorbimento di energia sull’acqua. Tanto per rendersi conto che l’impossibile (per motivi biecamente fisici) non si può ottenere, ma si può puntare su un buon compromesso.

Rapporto peso/potenza, ambiente ed economia

Faremo bene all’ambiente, faremo bene al nostro portafoglio. Il punto sostenuto da molti è che spesso il sentimento “ecologico” non viene dal cuore ma dal portafoglio, è quella la vera leva che forse ci salverà. Vorrei citare virgolettata una considerazione, che condivido integralmente, pubblicata con ottimistica profezia oltre un decennio fa da un collega sul Bollettino dell’As.Pro.Na.Di, l’associazione italiana dei progettisti nautici. “Con il petrolio a oltre 60 dollari al barile non si può più scherzare - scriveva nell’articolo “Probabile tendenze prossime: il motoryacht semiplanante” il professor Massimo Musio Sale -. Le risorse energetiche vanno amministrate con parsimonia. Questo è un atteggiamento ormai irrinunciabile, a prescindere dalla disponibilità del portafoglio. Trovo sia veramente poco elegante il comportamento del consumo inutile. L’andare per mare costituisce una nobile attività, vicina alla natura, lontana dai condizionamenti metropolitani, legata intimamente a quel senso di libertà e di ampiezza degli spazi, connessi con l’immensità del mare”.

Ritorniamo al pratico facendo più “tecnica” e meno “filosofia”. Le imbarcazioni “tradizionali” in linea di massima si dividono tra imbarcazioni dislocanti e imbarcazioni plananti. Le prime legano la loro velocità massima potenziale alla lunghezza al galleggiamento velocità in nodi (1,34 x radice quadrata della lunghezza espressa in piedi). La tipica curva di resistenza ha questo aspetto:

Superare la velocità critica è virtualmente impossibile, aumentare la potenza installata serve solo ad avere più peso a bordo, maggiori costi di gestione e manutenzione. L’incidenza del dislocamento è poco rilevante. Questo chiaramente interessa solo chi ha vere pilotine dislocanti.

Rapporto peso/potenza, le carene plananti

Poi ci sono le carene plananti con tutte le loro declinazioni. In questi casi la leggerezza è fondamentale per ridurre drasticamente i consumi. La curva di resistenza ha una tipica gobba, circa verso i 13-15 nodi, poi si spiana: quindi più potenza = più velocità.

In realtà non è tutto così semplice. Per ogni velocità ci sono posizioni di baricentro ottimali. Quello che spesso è difficile da comprendere è che anche in questo caso la carena deve essere ottimizzata per una determinata velocità di progetto perché spesso le carene iperveloci “soffrono” a navigare a basse velocità e viceversa. Le carene “veloci” hanno angoli di deadrise importanti, fondamentali per ridurre le accelerazioni verticali in navigazione sul mosso (commercialmente parlando: carene “morbide”), ma a basse velocità producono molta onda, assetti molto cabrati, consumano di più e sono poco stabili da ferme perché sono nate per correre in sicurezza. Viceversa, le carene “lente”, molto stabili da ferme, assorbono meno potenza a pari velocità, ma risentono del moto ondoso (carene “dure”) se portate per eccesso di motorizzazione oltre alle loro velocità relative ottimali di progetto, così diventano anche pericolosamente instabili dal punto di vista dinamico.

Cos’è la velocità relativa? La velocità relativa di una carena è data dal rapporto V/√L, con V velocità della carena e L la sua lunghezza (di solito si assume per L la lunghezza al galleggiamento). Poiché questo rapporto dipende dalle unità di misura che adoperiamo per esprimere V e L, si preferisce utilizzare il Numero di Froude Fn (o FN) = V / √(gL), dove V, g e L devono esser espressi in unità di misura omogenee, cioè se g (accelerazione di gravità) è espressa in metri/sec², V lo sarà in metri/sec e L in metri, e il loro rapporto (con g e L sotto radice) sarà un numero puro.

La correlazione tra velocità relativa e angolo di rialzo del fondo (deadrise) è riassumibile in questo prospetto:

Velocità relativa - Angolo deadrise

• 3,0 ………………… 16°
• 3,5 ………………… 18°
• 4,0 ………………… 20°
• 4,5 ………………… 21°
• 5,0 ………………… 22°
• 6,0 ………………… 23°
• 7,0 ………………… 24°
• >8,0 ……………… 25°-30°

Mi auguro di non aver fatto troppa confusione, ma di aver fatto capire in questo tortuoso giro tra formule e concetti filosofici che non esiste una “formuletta magica”. La corretta motorizzazione, quindi il corretto rapporto peso/potenza, dipende dal programma di navigazione, dall’utilizzo dell’imbarcazione e di conseguenza dalla carena, o meglio dal progetto complessivo. L’abbinamento scafo/motore offre spesso molte variabili che devono tenere conto dei desiderata dell’armatore.

Rapporto peso/potenza e patenti

Ancora una notazione tecnico burocratica relativa ai motori senza obbligo di patente in Italia. Attualmente in Italia il limite è 30 kW (ovvero 40.8 cv), per contro il limite è di 5 kW in Croazia e di 11 kW in Spagna, limiti che denotano un maggiore buon senso in termini di sicurezza. A mio avviso avrebbe più senso vincolare la patente al rapporto peso/potenza facendo riferimento per peso e potenza ai dati di omologazione di scafo e motore. Sarebbe certamente più complicato, ma tecnicamente più corretto. D’altronde si fa così anche (per meri fini fiscali) per determinare se un’imbarcazione è a vela o a motore per i motorsailer. Se 30 kW sono un’esagerazione su un gommone di 3,60 m, sono certamente corretti per una pilotina o un gozzo di otto metri. Il rapporto peso/potenza per avere sufficienti garanzie di planare è vicino ai 20 kg/cv. È chiaro che su una piccola imbarcazione, gommone o lancetta, il peso stesso del motore diventa determinante per tenere sotto controllo questo parametro così importante, come è anche spiegato nel tutorial video sui criteri di scelta dei motori fuoribordo. Già, il peso, e così torniamo al punto di partenza nel nostro giro dell’oca.