Categoria: Kitesurf

Introduzione all’Hydrofoil (o idrofoil)

Il foil è una tecnologia che permette a uno scafo (propulso da un motore o da una vela) di emergere totalmente dall’acqua, grazie all’azione idrodinamica di particolari superfici immerse.

Infatti la pressione dell’acqua sotto le ali, unita alla depressione che si forma sopra le stesse, genera una forza di portanza opposta al peso del mezzo, e permette una grande diminuzione della resistenza all’avanzamento e di conseguenza un aumento dell’efficienza energetica.

La curva in figura mostra qualitativamente la rapida riduzione della resistenza una volta che, raggiunta una certa velocità, lo scafo fuoriesce dall’acqua.

Gli elementi di cui è composta la pinna hydrofoil sono:

• Fusoliera: Si estende in lunghezza nel verso del moto. Trasmette la forza di sostentamento allo scafo tramite il piantone, a cui é collegata;
• Piantone (Mast o Keel): Trasmette la forza di sostentamento allo scafo, collegandolo alla fusoliera e alla superfici immerse che creano il lift;

• Ala portante e stabilizzatore: Sono le superfici che creano lift. La prima è in grado di dare tutta la portanza richiesta per separare lo scafo dalla superficie dall’acqua, la seconda invece bilancia il momento fornito dalla prima, con conseguenti effetti di stabilizzazione.

Storia dell’hydrofoil

Le pinne hydrofoils sono utilizzate in diversi tipi di imbarcazioni da ormai oltre 100 anni.
Il primo a progettare e costruire una pinna hydrofoil fu un italiano di nome Enrico Forlanini, nel 1906. Per il suo idroscafo (progenitore dei moderni aliscafi) Forlanini utilizzava un complesso di 4 gruppi di ali parallele (1 coppia a prua ed una coppia a poppa) di larghezza decrescente, a differenza delle ali hydrofoil singole in uso oggi.

Il design di Forlanini fu ripreso e migliorato da vari altri inventori nel corso dei decenni successivi (in particolare Alexander Graham Bell e Casey Baldwin), fino a quando intorno agli anni 50’ in tutto il mondo si cominciò a investire massivamente in imbarcazioni utilizzanti pinne hydrofoil, sia militari, che commerciali o passeggeri. Il boom si raggiunse nei decenni successivi (60’, 70’) ma da allora il loro utilizzo nelle imbarcazioni a motore é gradualmente calato, a causa di vari problemi dovuti, non solo ai costi di costruzione e manutenzione , ma anche a questioni di sicurezza ambientale. I materiali per le pinne hydrofoil fino ad allora furono metallici, gli stessi utilizzati per la struttura dell’imbarcazione.
L’utilizzo della pinna hydrofoil nelle discipline velistiche o hobbistiche cominciò già negli anni 60’, ma fu presto abbandonato, a causa dei costi e delle limitazione dovute ai materiali disponibili in quell’epoca. Dagli anni 2000’ però si è ripreso a investire in questa tecnologia. Principalmente perché nuovi materiali compositi hanno permesso di produrre appendici leggerissime e resistenti, con una serie di pinne dalle dimensioni studiate per ogni tipo di scafo e di vento. Un larga diffusione mediatica degli hydrofoil nella vela c’è stata grazie alla Coppa America, dall’anno 2010. Alcuni settori in cui il foil si è sviluppato, però, stanno nascendo solo ora e per questi la ricerca ha già raggiunto un momento di stazionarietà, in quanto i notevoli rischi del settore non suscitano l’interesse degli investitori.

Hydrofoil nel kitesurf

L’applicazione dell’hydrofoil al kitesurf risale agli anni 2000’.
Il design delle moderne tavole hydrofoil per il kitesurf varia in geometria in base al tipo di utilizzo che se ne deve fare. Le categorie principali son:

• principiante;
• freestyle;
• tavole da gare.

I kitefoil per principianti in genere sono progettati per essere maggiormente stabili a basse velocità. Quelli per freestyle invece sono piu’ adatti per effettuare acrobazie e salti e hanno quindi una maggiore manovrabilità, oltre ad essere strutturalmente più resistenti, per resistere agli impatti sull’acqua successivi al salto. I kitefoil da gara sono progettati per raggiungere le maggiori velocità con la maggiore stabilità possibile, per le diverse condizioni ventose. Per far ciò, queste ultime hanno un design minimale e sono costruiti in fibra di carbonio, per essere il piu’ leggere e resistenti possibile.
Gli hydrofoil per kitesurf (detti anche kitefoil) sono una combinazioni di vari componenti, ognuno con una funzione ben precisa. Sebbene sia facile progettare una pinna singola adatta a una certa condizione, è ben più complicato creare un kitefoil che si adatti al meglio a un ampio range di condizioni ventose,e quindi di velocità.

Per spiegar al meglio il funzionamento dei componenti di una pinna hydrofoil, é importante inizialmente comprendere i momenti piu’ importanti a cui é soggetto una tavola. Questi sono 3: rollio (roll): beccheggio (pitch) e imbardata (yaw). Per la comprensione del funzionamento del kitesurf possiamo considerare solamente i primi 2.

I kitefoil devono produrre una portanza sufficiente a sollevare fuori dall’acqua e supportare il kitesurfer, e allo stesso tempo produrre un momento di grandezza tale da permettere il bilanciamento. La portanza creata deve essere sufficiente in un ampio range di velocità che va da quella di partenza (velocità di “take off”) alla massima velocità (“top speed”).

La velocità di “take off” (letteralmente, velocità di decollo) è la velocità a cui la portanza inizia a essere tale da permettere al kitesurfer e alla tavola di separarsi dall’acqua.
Alla diminuzione di resistenza, dovuta al fatto che ora la tavola naviga non piu’ a contatto dell’acqua ma in aria ( la cui densità è circa 1000 volte minore di quella dell’acqua), corrisponde un aumento di velicità; a questo aumento di velocità corrisponde un aumento di portanza per il main foil, e una variazione di portanza dello stabilizzatore, che puo’ variare a seconda della tipologia utilizzata, come sarà discusso qui di seguito. Esistono due diversi sistemi di funzionamento dello stabilizzatore, che puo’ essere a portanza positiva e a portanza negativa.
Nel caso dello stabilizzatore a portata positiva, per avere equilibrio il momento della forza Fp (Forza peso del kiter meno forza esercitata dal kite) deve avere un braccio piu’ piccolo rispetto al secondo caso e perciò il kiter deve avere una maggiore abilità per stare in equilibrio.
Il bilanciamento del momento si rende evidente nel comportamento di ogni kitesurfer che utilizza i kitefoil, che centra il piede posteriore sul mast e utilizza il piede frontale per applicare una forza che equilibri il momento stabilizzante. In termiti semplificati, la tavola rappresenta una leva su cui il rider applica una forza, mentre bilancia la forza dello stabilizzatore con il suo piede frontale. Per contrastare il momento generato dalle forze portanti e da quelle resistenti.
Il momento stabilizzatore e la necessità del rider di controbilanciarlo portano a un equilibrio piu’ stabile, e l’abilità del rider sta nel mantenerlo in situazioni di venti variabili e durante le manovre come virate o strambate.

Nel caso in cui si abbia uno stabilizzatore a portata negativa, nonostante questo migliori la stabilità, diminuisce allo stesso modo il rapporto portanza/resistenza della pinna e perciò ne diminuisce l’efficienza.
Il compito del progettista di kitefoil sta nel creare una geometria tale che permetta al contempo sia di avere una portanza sufficiente in un ampio campo di condizioni ventose, sia di produrre un momento stabilizzante sufficiente a permettere il raggiungimento dell’equilibrio. Quindi in definitiva è richiesto di minimizzare il rapporto Portanza /Resistenza senza compromettere eccessivamente la stabilità.
Il design di un kitefoil è soggetto a un certo numero di vincoli che vanno considerati in fase di ottimizzazione progettuale. Nel caso in cui si voglia progettare un kitefoil da regata, vanno considerate le regole imposta dall’IKA (International Kitefoil association) che specifica che la lunghezza massima di un kitefoil, (misurata perpendicolarmente alla tavola) non può superare i 500 mm (i 5 m sono ben lontani dalle misure alle quali ci si è spinti allo stato dell’arte attuale, di circa 1.2m). Inoltre, le appendici possono essere massimo una, e il loro scopo deve essere principalmente quello di creare portanza. Non viene imposta alcuna limitazione riguardante i materiali.
Altri vincoli che devono essere considerati nella progettazione di un kitefoil sono quelli strutturali, dato che il kitefoil deve avere una geometria ottimizzata che si deve poter costruire e allo stesso tempo deve essere capace di sopportare gli sforzi a cui è sottoposta.

Basi Teoriche

Per comprendere il funzionamento degli elementi portanti dell’hydrofoil analizziamo la fisica di un profilo alare.
L’ala portante dell’ hydrofoil crea una forza di portanza, perpendicolare alla direzione del flusso, e una forza di resistenza, con la stessa direzione del flusso.
L’angolo di attacco α é l’angolo tra la direzione del flusso e la corda del profilo.
La Portanza prodotta da un profilo è direttamente proporzionale all’area della superficie alare (AL) e proporzionale al quadrato della velocità relativa del flusso (v); dipende inoltre dalla densità del fluido (ρ) e dal coefficiente di Portanza CL:

$$F_L=lift=\frac{1}{2}\rho A_mC_Lv^2$$

La Resistenza è funzione, dalla superficie alare (AR), dalla velocità relativa del flusso (v), del coefficiente di resistenza 𝐶𝐷 e dalla densità del fluido (ρ):

$$F_D=drag=\frac{1}{2}\rho A_mC_Dv^2$$

I coefficiente di portanza CL e di Resistenza CD si possono calcolare analiticamente, numericamente o sperimentalmente e sono funzione della forma del profilo e d’attacco. Tali coefficienti sono adimensionali.

 

$$C_L=\frac{L}{\frac{1}{2}\rho A_mv^2}$$
$$C_D=\frac{D}{\frac{1}{2}\rho A_mv^2}$$