Qual è l’importanza della prua bulbosa delle navi?

Una cosa che spesso cattura l’occhio di un uomo comune per quanto riguarda la maggior parte delle navi, è il bulbo come proiezione all’estremità anteriore della nave, spesso sotto la linea di galleggiamento. Non c’è dubbio che ad un certo punto della tua vita, ti sei interrogato sulla ragione dietro la presenza di questa struttura. Ebbene, poiché assomiglia generalmente alla forma del bulbo, e sempre posto a prua della nave, è noto come Bulbous Bow.

Guardiamo indietro a circa cento anni da oggi. Ricordate il Titanic? Avrete osservato che non aveva una prua bulbosa. Ma provate a dare un’occhiata alle prue delle moderne navi da crociera, delle navi container, delle metaniere, delle navi da ricerca, ecc. Tutte sono caratterizzate da una prua bulbosa. Non solo le navi monoscafo, oggi quasi anche i catamarani sono dotati di una prua bulbosa piuttosto che di una prua dritta. Perché?

Quando una nave si impenna, genera le proprie onde Kelvin (quelle che si vedono intorno ad una nave quando naviga in mare aperto) come mostrato nella Figura 1.

Ora visualizzalo in questo modo- le onde sono fondamentalmente forme di energia in viaggio nel mezzo acquatico. Da dove viene questa energia? In altre parole, chi ha eccitato le particelle d’acqua per formare queste onde?

È la massa in movimento della nave che fa questo lavoro. Notate la parola “in movimento”. Il movimento della nave è alimentato dal suo sistema di propulsione. Una parte dell’energia fornita dal motore va nella rotazione dell’elica, e a sua volta, una frazione di quella spinta generata dall’elica è utile per spingere effettivamente la nave. Dove va il resto dell’energia? Ricordate che le particelle d’acqua sono state eccitate per trasmettere le onde? Questa è la risposta. Questo è anche chiamato Resistenza all’Onda di una nave.

Ora, perché stiamo discutendo di questo, e cosa ha a che fare con una prua bulbosa? Continua a leggere.

Considera una nave con una prua dritta (per esempio, il Titanic). Mentre la nave avanza, le particelle d’acqua si muovono verso la poppa per tutta la lunghezza della nave. Ma che dire di quella particella d’acqua che è incidente proprio sulla linea centrale della prua? La sua velocità istantanea è zero, che in termini scientifici è nota come punto di stagnazione. Se ricordate l’equazione di Bernoulli, la pressione in un punto di stagnazione sarà più alta. Quindi la pressione delle particelle d’acqua a prua è più alta, dando così origine alla cresta di un’onda. Quest’onda è chiamata onda di prua, poiché è generata a causa del movimento della prua attraverso l’acqua, come mostrato nella figura 2. Quindi, con una prua dritta, c’è sempre un’onda che si forma continuamente, con la sua cresta a prua. Quindi, è evidente che stiamo sprecando una parte della potenza del motore nel generare quest’onda. E se si potesse ridurre questo effetto di formazione di onde? Se sì, come?

Se introduciamo un’altra discontinuità (qualsiasi struttura nella nave sotto la linea di galleggiamento che disturba il flusso laminare è considerata una discontinuità) sotto la linea di galleggiamento a prua, di fronte al tronco della nave, la discontinuità stessa darà origine a un’altra onda nel suo punto più avanzato. Poiché il tronco è ancora alla linea di galleggiamento, genererà normali onde di prua. E se potessimo progettare la forma e la posizione della discontinuità in modo tale che l’onda di prua e l’onda creata dalla discontinuità risultino in un’interferenza distruttiva? (Riferirsi alla figura 3) Bene, questo è più o meno il principio dietro la progettazione di una prua bulbosa. L’interferenza distruttiva si traduce in una riduzione del moto ondoso della nave, che riduce ulteriormente la resistenza all’onda della forma dello scafo.

Nelle fasi preliminari di sviluppo del bulbo, la missione primaria del progetto era di ridurre la resistenza all’onda. Ma man mano che andavamo avanti, non potevamo smettere di approfondire aspetti più interessanti come discusso di seguito:

La formazione di onde è una caratteristica significativa delle forme di carena più sottili. Questo è il motivo per cui si notano forme d’onda Kelvin prominenti nelle navi da crociera, nelle navi di linea, negli yacht e negli incrociatori navali. Se notate una portarinfuse o una petroliera (forme di scafo più piene), è evidente che queste forme di scafo non mostrano modelli di onde Kelvin prominenti. Perché? Perché la larghezza della linea di galleggiamento a prua è così grande (o in altre parole, la discontinuità del flusso è maggiore) che la pressione sale a un livello tale che l’altezza dell’onda di prua supera la soglia fino alla quale un’onda mantiene le sue proprietà. In questo caso, l’onda si rompe proprio a prua prima ancora di percorrere la lunghezza della nave.

Quindi, le forme di scafo più piene sono più efficienti dal punto di vista energetico? No. Le forme di scafo più piene hanno un’alta resistenza alle onde? No. Gli scafi più pieni hanno un’alta resistenza alla rottura delle onde? Sì. Con questa applicazione, i bulker e le navi cisterna sono stati introdotti anche per ridurre la loro resistenza alla rottura delle onde.

I diversi tipi di bulbi secondo le loro forme, posizioni e orientamenti sono come mostrato qui sotto :

La posizione del bulbo influenza significativamente la differenza di fase tra l’onda di prua e l’onda del bulbo. Il volume del bulbo è un fattore decisivo dell’ampiezza dell’onda risultante.

Un altro vantaggio del bulbo è che riduce gli effetti dinamici del movimento di beccheggio di una nave. Nella maggior parte delle navi, l’interno del bulbo è usato come serbatoio di zavorra di prua. In caso di beccheggio elevato, il serbatoio del gavone di prua è spesso zavorrato per ridurre l’effetto del beccheggio.

Come? Beh, il periodo di beccheggio è direttamente proporzionale alla distanza longitudinale dei pesi dalla LCG della nave. Quando il picco di prua è zavorrato, aumenta il peso ad una distanza maggiore dalla LCG della nave (che nella maggior parte dei casi ideali è a poppavia della mezzanave). In altre parole, il raggio di rotazione del beccheggio aumenta, quindi aumenta il periodo di beccheggio della nave. L’aumento del periodo di beccheggio comporta meno effetti dinamici del movimento di beccheggio.

In caso di navigazione sul ghiaccio, il bulbo permette al ghiaccio rotto di scivolare lungo lo scafo con il suo lato bagnato contro lo scafo. Il lato bagnato del ghiaccio, avendo meno coefficiente di attrito, riduce la resistenza complessiva della nave.

Le prue bulbose sono state anche vantaggiose nell’alloggiare i propulsori di prua, come si può vedere nelle navi moderne con unità di propulsione di prua. Nelle navi militari che usano l’acustica subacquea ad alta frequenza come il SONAR, le prue bulbose agiscono come un alloggiamento protettivo, oltre ai suoi effetti positivi di riduzione della resistenza.

Dopo ripetute procedure di test su modelli di una vasta gamma di forme di scafo e forme di bulbo, si è scoperto che i bulbi non sono efficienti a tutte le velocità di servizio (si riferisce ai numeri di Froude). In numeri di Froude molto bassi, si è scoperto che le prue bulbose aumentano la resistenza. Chissà perché? Perché un bulbo è efficace solo quando fa la propria onda, insieme all’onda di prua. Ma a numeri di Froude molto bassi, la formazione di onde non avviene quasi mai. Ma il bulbo, essendo ancora sotto la linea di galleggiamento, aumenta la superficie totale bagnata della nave, contribuendo quindi ad aumentare la sua resistenza all’attrito cutaneo.

A voi?

Sapete di più sull’importanza della prua bulbosa delle navi?