Nave e barche

Densità media

Se l’idea della spinta verticale vi confonde ancora un po’, tornate a pensare alla densità. Immaginate che la portaerei sia una gigantesca scatola di metallo dello stesso volume (come una grande scatola di scarpe), riempita in parte di motori, aeroplani, marinai e tutto il resto – quindi pesa altrettanto. Quella scatola galleggerebbe se pesasse meno di una scatola delle stesse dimensioni riempita d’acqua; altrimenti affonderebbe. Quindi, in breve, una portaerei galleggia perché pesa meno dello stesso volume d’acqua – perché la sua densità media è inferiore a quella dell’acqua che la circonda.

Foto: Il modo più semplice per capire perché le cose galleggiano è dimenticare Archimede e pensare invece alla densità. Una nave galleggia perché la sua densità media è relativamente piccola. Questa nave da trasporto militare vuota è effettivamente una gigantesca scatola di metallo vuota. Dividi la sua massa totale (la sua massa più quella del suo contenuto) per il suo volume e ottieni la sua densità media. È meno della densità di una scatola di metallo solida o di una scatola di metallo riempita d’acqua, ed è per questo che la nave galleggia. Foto di Gary Keen per gentile concessione della US Navy.

Perché le barche non si capovolgono?

Se siete mai saliti su una barca a remi legata a un molo, avrete un’idea di quanto possano essere instabili le piccole barche quando si inizia a caricarle. Quando stai in una barca, diventi effettivamente una parte di essa, quindi alteri il suo centro di gravità, rendendola istantaneamente molto più alta. Dato che si entra in una barca dal lato, nel momento in cui si sale a bordo, si sposta il centro di gravità verso il luogo in cui si è in piedi; ora il centro di gravità non è più sopra il centro della barca, e questo fa ruotare il tutto verso di voi. Una barca può oscillare da un lato all’altro relativamente liberamente; poiché è positivamente galleggiante, ci vuole solo una piccola forza per farla muovere nell’acqua. Tutte queste cose combinate rendono una piccola barca relativamente facile da capovolgere (ruotare su un lato e spesso affondare). Sedendosi in una piccola barca, si abbassa il centro di gravità e la rende più stabile.

Foto: Le piccole barche possono essere abbastanza instabili, anche con una chiglia. Il forte vento potrebbe capovolgere questa barca, ed è per questo che l’equipaggio è seduto lungo il bordo per bilanciare la forza di rotazione con il proprio peso. Foto di Chad Runge per gentile concessione della US Navy.

Le barche più grandi non soffrono di questo problema: in primo luogo, tendono ad avere motori di metallo pesante molto in basso sotto il livello dell’acqua, il che dà loro un basso centro di gravità e le rende più stabili. In secondo luogo, hanno una chiglia più grande (una tavola verticale che corre sott’acqua, da dietro a davanti, lungo la “spina dorsale” centrale sotto la barca. La chiglia aiuta a fermare una barca che rotola (spostandosi da un lato all’altro) o si capovolge, perché significa che è necessaria più forza per spingere la barca lateralmente attraverso l’acqua o ruotarla. La chiglia ha anche un ruolo nel governo e nella propulsione della barca, come vedremo tra poco.

Come si muovono le barche?

La gravità è la forza contro cui dobbiamo lavorare quando camminiamo sulla terra. Ma se sei un nuotatore appassionato, saprai che non è un vero problema quando ti muovi sull’acqua, perché il tuo corpo è relativamente galleggiante: anche se il tuo corpo è per lo più acqua, non è tutta acqua (pesa meno di un sacco d’acqua della stessa dimensione). La resistenza dell’acqua (resistenza) è di gran lunga la forza più grande contro cui i nuotatori devono lavorare, e questo vale anche per le barche. Più peso porta una barca, più è bassa nell’acqua e più resistenza all’acqua crea. Questo è il motivo per cui le barche hanno prue strette e affilate (per spingere l’acqua in modo pulito fuori dalla strada) e bordi anteriori curvi che planano (sollevandole dall’acqua mentre si muovono). Gli aliscafi spingono quest’idea al limite usando ali sottomarine per sollevare i loro scafi in alto e fuori dall’acqua mentre si muovono.

Foto: Un aliscafo è un tipo di imbarcazione che usa ali subacquee per generare portanza mentre avanza, sollevando lo scafo sopra le onde per ridurre la resistenza dell’acqua. Foto di Mark S. Kettenhofen per gentile concessione della US Navy.

Come la maggior parte degli altri oggetti, le barche si spingono da sole sfruttando le tre leggi del moto di Newton: 1) Non vanno da nessuna parte senza che una forza di qualche tipo le spinga o le tiri; 2) Quando c’è una forza adeguata, le fa accelerare (muoversi più velocemente o in una nuova direzione) e una forza più grande le accelererà di più; 3) Se una barca vuole andare avanti, deve applicare una forza di spinta all’indietro, proprio come si deve dare un calcio indietro con uno skateboard per sparare giù per il marciapiede (o spingere indietro con le gambe per camminare in avanti).

La maggior parte delle barche usa uno dei tre diversi tipi di energia: remi o pali, vele e motori.

Pali e remi

Foto: L’energia umana rimane un modo affidabile per alimentare una barca, ma a meno che tu non abbia un numero uguale di remi su entrambi i lati (o continui a scambiare i lati), ti sposterai su un lato più che sull’altro. Foto di Clay Weis per gentile concessione della US Navy.

La più antica forma di propulsione delle barche è la semplice forza umana. Si può remare una barca tirando l’acqua all’indietro con grandi pagaie o si può spingere in avanti qualcosa come una zattera spingendo contro un fiume o un fondale marino. La potenza del remo raggiunse il suo apice con le stupefacenti galee sviluppate in epoca greca e romana. Le Biremes (forse risalenti al secondo millennio a.C.) avevano due piattaforme piene di remi, mentre le triremi (inventate qualche centinaio di anni a.C.) ne avevano tre, le quadriremi quattro e le quinquiremi cinque (anche se non è certo che barche con così tante persone stipate, a tale altezza, sarebbero state stabili o efficienti). In ogni caso, hanno presto ceduto il passo alla potenza della vela.

Vele

Se stendete le lenzuola ad asciugare con vento forte, saprete esattamente come funzionano le barche a vela! Ma le barche non vogliono sempre salpare con il vento che soffia dritto dietro di loro. In pratica, questo significa che le vele devono essere posizionate ad angolo, ma il vento cercherà poi di soffiare la barca in quell’angolo invece che nella direzione in cui si vuole andare. La forza del vento ti spinge in una direzione, quindi hai bisogno anche di altre forze, in altre direzioni, per correggerla e produrre una forza risultante (combinata) nella direzione in cui vuoi effettivamente andare. Due altre forze aiutano. Una è una forza dalla chiglia. Se il vento soffia la barca parzialmente di lato, la chiglia spinge contro l’acqua e aiuta ad alimentare la barca in una direzione in avanti. Si può anche angolare il timone nella parte posteriore della barca in modo che, quando l’acqua lo colpisce, spara via con un angolo, dirigendo la barca da un lato o dall’altro. (I timoni venivano posizionati sulla destra della barca e chiamati steerboard, ed è per questo che il lato destro di una barca, rivolto in avanti, è ancora oggi chiamato dritta; il lato sinistro è chiamato babordo)

Foto: Gli yacht hanno più vele in modo da poter prendere il vento da qualsiasi direzione. Foto di Eric Brown per gentile concessione della US Navy.

Se si vuole navigare nel vento, è necessario utilizzare una vela atriangolare o lateen appesa nella parte anteriore della barca ad un angolo rispetto al vento in arrivo. Quando il vento colpisce la vela, la avvolge e accelera; la vela agisce in modo simile a un alettone (la superficie curva dell’ala di un aereo), gettando aria intorno e dietro di essa e spingendo la barca in avanti (proprio come l’aria verso il basso di un’ala spinge un aereo verso l’alto).

Motori

I vecchi marinai erano persi senza vento, ma questo non è un problema che abbiamo ora, grazie ai motori, che possono essere usati per alimentare le eliche. Le prime barche a motore usavano motori a vapore ad alta pressione alimentati a carbone; i motori moderni sono invariabilmente alimentati a diesel. L’unico vero problema con l’uso di motori a combustione interna per alimentare le barche è che hanno bisogno di una fornitura costante di ossigeno per bruciare il carburante; ciò significa che non si possono usare per alimentare i sottomarini sott’acqua. C’è una soluzione, tuttavia: è possibile utilizzare un motore diesel vicino alla superficie per guidare un generatore e caricare le batterie, che vengono poi utilizzate per guidare un motore elettrico e l’elica quando il sottomarino è sott’acqua. (L’energia nucleare è un’altra opzione e significa che un sottomarino può stare sott’acqua per settimane o mesi alla volta.)

Non tutte le barche a motore usano eliche.Jet Skis® e jetfoil (grandi versioni di aliscafi di jetkis) usano motori per alimentare giranti (pompe d’acqua) che creano un potente getto d’acqua che punta all’indietro. La forza dell’acqua che ritorna nell’acqua spinge la barca in avanti, proprio come il gas di scarico caldo di un motore a reazione.

Di quali materiali sono fatte le barche?

Più o meno tutti i materiali che puoi immaginare sono stati usati per fare barche in un momento o in un altro. Le prime barche erano fatte di pelle di animale, corteccia e legno; più tardi vennero le piroghe fatte raccogliendo il legno da un tronco d’albero accuratamente scelto. Nell’antichità, i costruttori di barche perfezionarono l’arte di costruire barche da assi separate, sia fissando i bordi di un’asse ai bordi di quelle intorno ad essa come i mattoni di un muro (una tecnica conosciuta come carvel building) o, meglio ancora, sovrapponendo le assi dal basso verso l’alto (una tecnica conosciuta come clinker building), che rende la barca più forte, leggera e veloce. La rivoluzione industriale ha portato un’altra grande innovazione: l’era delle potenti navi di ferro e acciaio. La maggior parte delle navi moderne sono ancora oggi costruite in acciaio, anche se è relativamente pesante. Ecco perché alcune barche più grandi sono ora fatte di metalli forti e leggeri come l’alluminio, mentre quelle più piccole sono spesso fatte di compositi leggeri come la fibra di vetro o plastica super resistente come il Kevlar®.

Artwork: Le barche costruite in clinker (a sinistra) hanno tavole sovrapposte, che danno uno scafo molto più resistente; le barche costruite in carvel (a destra) hanno le tavole unite da un capo all’altro per formare una superficie esterna liscia.

Breve storia di navi e barche

I link in questa linea temporale vi porteranno generalmente ad ulteriori informazioni su Wikipedia e altri siti.

Preistoria e tempi antichi

• ~10,000BCE: Le prime barche includono zattere, barche di pelle, cuoio e corteccia, kayak e piroghe.
• ~5000BCE-3000BCE: I marinai mesopotamici inventano le vele.
• ~3000BCE: Gli antichi egizi costruiscono le prime imbarcazioni con assi di legno.
• ~2500BCE: Minoici e Micenei diventano i primi grandi navigatori oceanici, esplorando il Mediterraneo.
• ~1500BCE-27BCE: I greci costruiscono navi da guerra giganti, tra cui biremi e triremi.
• 27BCE-400CE: I Romani costruiscono galee, gli antichi antenati delle moderne navi da guerra, con innovazioni che includono un ponte rialzato.
• ~300BCE: Archimede (287-212BCE) scopre la scienza del galleggiamento.
• 200CE: Le vele latine sono ampiamente utilizzate nel Mediterraneo (anche se si crede che siano state inventate un po’ prima nel mondo arabo).

Medioevo

• 300: I vichinghi inventano la costruzione di clinker.
• 1200: Il timone centrale comincia a sostituire la “tavola di comando”.
• 1400-1600: La maggior parte delle grandi navi sono costruite in legno e alimentate a vela, e includono le ruote dentate, le caracche, le galee e i galeoni.
• 1620: Cornelis Drebble costruisce il primo sottomarino in legno.
• 15° secolo: Grandi viaggi di Cristoforo Colombo (1451-1506), Vasco da Gama (1460-1524), Ferdinando Magellano (1480-1521) e altri pionieri dell’esplorazione oceanica e della circumnavigazione.

La grande età della navigazione

Foto: La USS Constitution, soprannominata “Old Ironsides”, è una classica fregata (nave da guerra) a tre alberi del 1797, da tempo ritirata dal servizio militare, ora è un affascinante museo a Boston. Foto di Kathryn E. Macdonald per gentile concessione della US Navy.

• 1777: Viene costruita la prima barca con scafo in ferro (in Inghilterra).
• 1783: Marchese d’Abbans (1751-1832) costruisce il primo battello a vapore.
• 19° secolo: Vengono istituiti servizi regolari di “packet shipping” che navigano secondo gli orari. Le veloci navi clipper stabiliscono dei record di navigazione.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) stabilisce un record di viaggio da New York City ad Albany con un battello a vapore chiamato Clermont.
• 1819: Il battello a vapore SS Savannah attraversa l’Atlantico in un record di 29 giorni.
• 1836: Le eliche moderne sono inventate (indipendentemente) da Francis Pettit Smith (1808-1874) e John Ericsson (1803-1889).
• 1837: Great Western, una nave a vapore gigante chiamata costruita da Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) diventa la prima barca di ferro ad attraversare l’Atlantico.
• 1850: Il costruttore navale inglese John Jordan realizza probabilmente la prima nave composita aggiungendo un rivestimento di assi di legno su una struttura di ferro.
• 1870-1898: John Holland progetta e costruisce il primo pratico sottomarino a motore, ma fatica a convincere la marina statunitense del suo potenziale.
• 1877: L’inventore inglese John Thornycroft brevetta una prima forma di hovercraft basata su una ninfea galleggiante.
• 1884: Sir Charles Parsons inventa un motore a vapore altamente efficiente chiamato turbina a vapore. Nel 1897, sviluppa una lancia a motore con turbina a vapore chiamata Turbinia.
• 1886: Il pioniere tedesco dell’auto Gottlieb Daimler usa un motore a benzina per alimentare una barca.
• 1886: Gluckauf, una delle prime petroliere oceaniche, viene costruita e varata in Gran Bretagna.
• 1880: L’ufficiale della marina svedese in pensione Charles G. Lundborg inventa le barche SWATH (smallwaterplane area twin hull) che viaggiano in alto sopra le onde su due scafi sommersi.

navi moderne

• ~1900s: I ricchi si godono l’epoca romantica e lussuosa dei viaggi oceanici a bordo di transatlantici come il Mauretania, il Lusitania e l’Aquitania.
• 1906: Enrico Forlanini inventa l’aliscafo e il pioniere della telefonia Alexander Graham Bell partecipa al suo sviluppo.
• 1912: Un transatlantico di lusso “praticamente inaffondabile” chiamato Titanic si assicura un posto nella storia come la più famosa catastrofe oceanica di tutti i tempi quando colpisce un iceberg e affonda, uccidendo oltre 1500 persone.
• 1930: I tedeschi sviluppano lo snorkel, un tubo di respirazione che permette ai motori diesel dei sottomarini di funzionare sott’acqua, riducendo il rischio di essere scoperti.
• 1943: I motori marini a turbina a gas sono usati per la prima volta.
• 1955: US Navy lancia il primo sottomarino a propulsione nucleare, USS Nautilus.
• 1956: Ideal X, la prima nave container, viene lanciata da Newark, NJ.
• 1959: L’hovercraft di Christopher Cockerell fa il suo viaggio inaugurale.
• 1960: Jacques Piccard e il tenente Don Walsh della US Navy si immergono a circa 11 km (6 miglia) nella parte più profonda degli oceani, la Fossa delle Marianne, con un’imbarcazione subacquea super-rinforzata (batiscafo).
• 1962: La nave FLIP della Scripps Institution viene usata per la prima volta per studiare il movimento delle onde oceaniche.
• 1964: Un sommergibile scientifico ad immersione profonda chiamato Alvin viene sviluppato dal Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts e inizia ad esplorare l’oceano a profondità di quasi 5 km (3 miglia).
• 1978: La nave di esplorazione scientifica JOIDESResolution viene lanciata, permettendo agli scienziati di esplorare i fondali marini in modo più dettagliato che mai.
• 1992: La US Navy demolisce l’ultima delle sue navi da battaglia giganti, USS Missouri.
• 1993: La US Navy lancia una nave stealth sperimentale, invisibile ai radar, chiamata Sea Shadow, basata su un progetto SWATH. Nel 2011, la Marina annuncia che intende demolire la nave.
• 2012: La MS Tûranor PlanetSolar di costruzione tedesca diventa il primo veicolo alimentato da celle solari fotovoltaiche a circumnavigare il mondo.
• 2014: Il Norled MF Ampere, il primo traghetto per auto e passeggeri al mondo completamente elettrico e alimentato a batteria, entra in funzione in Norvegia, risparmiando un milione di litri di diesel all’anno.