Pale Rotanti

L'elica è l’organo propulsivo dell’imbarcazione a motore, che permette al mezzo di avanzare o retrocedere. L’elica è costituita essenzialmente da un corto cilindro ai lati del quale sono sistemate, con una certa inclinazione, le pale. Queste sono superfici più o meno concave, adeguatamente disegnate per produrre il miglior rendimento. In particolare le pale sono studiate perché con la loro rotazione (nella marcia avanti) creino una pressione negativa sul proprio dorso ed una pressione positiva sull’altra faccia attiva. Queste due pressioni, che agiscono contemporaneamente, aspirano l’acqua nell’elica dal lato prodiero e l’accelerano, in uscita, verso poppa. Praticamente l’elica funziona come il ventilatore che aspira l’aria da dietro e la soffia in avanti, con la differenza che l’elica di una barca aspira acqua. L’elica marina attira l’acqua dalla parte prodiera dello scafo attraverso un immaginario cilindro con diametro leggermente più grande del diametro dell’elica; quest’acqua aspirata viene accelerata e spinta verso poppavia in forma di getto con un diametro inferiore al diametro dell’elica. Questo lavoro di attirare l’acqua dalla parte prodiera e spingerla a poppavia è quella che comunemente viene chiamato Spinta. Guardate la fig. 1, in essa è rappresentata un’elica vista di fianco, quando l’elica gira, la pala rivolta verso di voi ruota abbassandosi e l’acqua viene spinta in basso e verso poppavia, esattamente come farebbe la vostra mano quando nuotate (spingete l’acqua in basso e verso i piedi); questa è quella che viene detta pressione positiva. Contemporaneamente sulla faccia superiore della stessa pala (sul dorso) l’acqua viene aspirata da pruavia provocando una pressione negativa. Queste due pressioni agiscono assieme, la pressione negativa attira l’acqua da pruavia e la pressione positiva l’allontana a poppavia.

L’elica
Vediamo ora quali sono le parti principali di un’elica (fig. 2). Il mozzo è la parte centrale dell’elica, generalmente cilindrica, a cui sono unite le pale. Il bordo d’uscita (A in fig. 2) è la parte periferica della pala, che coincide con il punto in cui l’acqua lascia la pala andando a poppavia. Il bordo d’attacco, (H) è la parte della pala che, ruotando, incontra per prima l’acqua. La faccia della pala (K) è la superficie della pala sulla quale si genera la pressione positiva nella marcia avanti. Il dorso o lato posteriore della pala è la parte della pala rivolta a poppavia, quella sulla quale si genera la pressione negativa nella marcia avanti. La punta della pala (E) è la parte della pala che dista maggiormente dal centro del mozzo. La coppa, è una piccola curvatura del bordo d’uscita dell’elica e ha lo scopo di aiutare le pale a trattenere l’acqua, migliorando le prestazioni dell’elica e ritardando il fenomeno della “cavitazione”. Un’altra caratteristica dell’elica è il passo (fig. 3), che possiamo definire come la distanza che un’elica percorrerebbe in un giro completo, se potesse muoversi in un solido morbido, come potrebbe essere ad esempio, la vite nel legno. Il passo, ovviamente, è in funzione dell’inclinazione delle pale, che è l’angolo che la pala forma rispetto alla perpendicolare all’asse del mozzo (fig. 4). Però, dal momento che l’elica non si muove in un solido, il passo effettivo si differenzia da quello teorico di una certa quantità detta regresso (fig. 5). La pala di un’elica si comporta, dal punto di vista idrodinamico, in modo assai simile al funzionamento dell’ala di un aeroplano o di una vela. In pratica, se la pala si muovesse nell’acqua con un angolo d’attacco uguale a 0°, non si creerebbe né la pressione positiva sulla faccia attiva, né la pressione negativa sul dorso della stessa pala, così come farebbe una vela distesa nel letto del vento (angolo di incidenza 0°). Quando invece l’angolo di attacco assume un certo valore, si crea, come nella vela, la portanza causata dalla combinazione delle due differenti pressioni sulle facce della pala (fig. 6). Questa portanza ha direzione pressoché perpendicolare alla faccia della pala e può essere scomposta in due componenti, l’una orizzontale, che ge-nera la spinta, ed un’altra verticale, diretta in senso contrario al moto della pala, che è detta coppia. Esistono eliche che, nella marcia avanti, ruotano in senso orario o destrorso (le più frequenti) ed eliche che, invece, ruotano in senso antiorario o sinistrorso. Per riconoscere e distinguere un’elica destrorsa da una sinistrorsa, occorre osservare l’elica dall’alto, con la sua parte posteriore rivolta verso di voi (fig 7). L’elica che ha rotazione in senso orario (destrorso) ha le pale inclinate verso l’alto da sinistra verso destra; al contrario, l’elica sinistrorsa ha le pale sempre inclinate dal basso verso l’alto, ma da destra verso sinistra.

Effetti nocivi
Vediamo ora due effetti nocivi che spesso si verificano nell’elica e che, per quanto possibile, è bene evitare; questi sono la ventilazione e la cavitazione. La ventilazione è quel fenomeno che si verifica quando l’aria o i gas di scarico vengono aspirati dalle pale dell’elica; in questo caso la quantità d’acqua che investe l’elica viene ri-dotta e l’elica va in fuori giri perdendo una buona capacità di spinta e provocando una pericolosa cavitazione, che riduce ulteriormente il carico dell’elica fino ad annullare totalmente la spinta in avanti. Questa condizione perdura fino a che l’elica non viene sufficientemente rallentata per consentire alle bolle d’aria di lasciare l’elica e salire in superficie. È un fenomeno frequente nelle virate, quando si tenta di partire in planata subito dopo una virata o con un motore “trimmato” troppo in fuori. I motori fuoribordo, così come i gruppi poppieri, hanno fusa, con scatola degli ingranaggi, una piastra anticavitazione, posta esattamente sopra l’elica. Questa piastra ha il compito di eliminare o almeno ri-durre la probabilità che l’aria venga aspirata dalle punte delle pale dell’elica. Per parlare del fenomeno della cavitazione cominciamo col ricordare che l’acqua può entrare in ebollizione anche a temperature inferiori a 100 C°, qualora la pressione sia sufficientemente bassa. Se un solido si muove attraverso l’acqua a velocità crescente, la pressione che si manifesta nella parte posteriore del solido subisce una diminuzione; a seconda della temperatura dell’acqua, se la pressione raggiunge un valore sufficientemente basso, l’acqua comincia a bollire. Su un’elica questo fenomeno si verifica soprattutto sul bordo d’attacco e diminuisce fino a scomparire quando, con il diminuire della velocità, la pressione riprende ad aumentare. Le bolle d’aria generate sul bordo d’attacco si spostano nella direzione della corrente, verso la zona con maggior pressione; qui cessa la bollitura e le bolle scompaiono (vale a dire che si condensano in liquido). Questo fenomeno di condensazione libera una certa energia che provoca erosione sulle pa-le formando la “bruciatura da cavitazione”. Ciò che può provocare l’inizio della diminuzione della pressione che origina la cavitazione, è da ricercare soprattutto nella geometria dell’elica (bordo d’attacco danneggiato, una “coppa” eccessiva, angoli squadrati del bordo d’attacco, sporcizia delle pale).

Effetto evolutivo
In conclusione vorrei dare qualche suggerimento sull’effetto evolutivo dell’elica, che è quello di trascinare la poppa verso il suo senso di rotazione; così un’elica destrorsa, nella marcia avanti, trascinerà la poppa sulla destra, provocando un’accostata della prua verso sinistra, mentre un’elica sinistrorsa si comporterà in modo esattamente opposto, trascinando la poppa verso sinistra e causando una accostata della prua a dritta. I fenomeni si manifestano anche in marcia indietro, ma con minore intensità. Per tale motivo sulle imbarcazioni dotate di due eliche, il senso della loro rotazione è contrario, ponendo, generalmente, l’elica destrorsa a dritta e l’elica sinistrorsa a sinistra (si dice che le due eliche “ruotano in fuori”). Su scafi che hanno il motore entrobordo, l’elica è sistemata davanti al timone. In questo caso la corrente respinta dall’elica, investe la superficie del timone e, se questo si è data una certa angolazione, si ottiene un effetto evolutivo anche a scafo fermo. L’effetto evolutivo dell’elica è vantaggiosamente impiegato nelle manovre di at-tracco alla banchina e nelle evoluzioni in acque ristrette. Così, se si dispone di un’elica destrorsa, converrà attraccare alla banchina presentando il lato sinistro, procedendo a bassa velocità e formando un certo angolo rispetto alla banchina; in questo modo, quando si metterà l’elica indietro per arrestare il moto dell’imbarcazione, la sua rotazione trascinerà la poppa a sinistra, raddrizzando l’imbarcazione e spegnendo l’abbrivo. Anche l’evoluzione in acque ristrette è notevolmente agevolato dall’effetto evolutivo dell’elica; con elica destrorsa si dovrà effettuare l’evoluzione accostando sulla dritta. Sarà sufficiente mantenere il timone inclinato a dritta e innestare alternativamente la marcia avanti e la marcia indietro. L’effetto evolutivo dell’elica combinato con quello del timone vi permetterà di ruotare praticamente sul posto.