VPP per i curiosi

Tutti noi abbiamo sentito tattici e architetti navali parlare di loro... i 'VPP' e le polari di velocità che se ne ottengono. Ma cosa sono, oltra a orecchiabili mormorii velici? E come funzionano? Ancora più importante: sono anche accurati?
Il VPP, o Velocity Prediction Program, è un complesso programma per computer in grado di dare una stima delle performance di uno yacht a vela, noti alcune caratteristiche dell'imbarcazione e delle condizioni ambientali. Il diagramma polare delle velocità è il risultato grafico del VPP e consiste nella massima velocità teorica dell'imbarcazione a varie intensità di vento reale e angoli di rotta, insieme alle associate VMG (velocities made good) per risalire e scendere il vento. I tattici utilizzano i diagrammi polari per determinare se la loro imbarcazione stia o meno veleggiando alla sua massima velocità o VMG, e gli architetti navali la usano per una quantità di fini; principalmente per avere una stima delle prestazione dei loro nuovi progetti, o per confrontare cambiamenti sistematici (deriva/dimensioni dell'attrezzatura) inun progetto.


Il VPP è composto dai valori di input, alcune variabili indipendenti, i modelli aerodinamici ed idrodinamici, ed il grande padre di tutti loro: la subroutine risolutiva. Il prgramma funziona modificando le variabili indipendenti finchè non viene risolto un particolare sistema di equazioni, bilanciando le forze aerodinamiche ed idrodinamiche di una barca. Queste equazioni governano la fisica di un'imbarcazione a vela, e devono essere risolte contemporaneamente in modo che la barca navighi in modo equilibrato.
Sebbene ci siano un totale di sei equazioni, in grado di bilanciare forze e momenti nei sei gradi di libertà del moto, parelrò solamente di due di loro. Sono le equazioni per il moto lungo l'asse longitudinale e per il rollio (la rotazione intorno all'asse longitudinale), rispettivamente:

* FDRIVE = FDRAG: Spinta delle vele = Resistenza totale
* MHELL = MRIGHT: Momento sbandante delle vele = Momento raddrizzante

Per semplicità, molti VPP assumono che l'imbarcazione sia "naturalmente" in equilibrio per tutte le altre direzioni, così che le sei equazioni si riducono alle due sopra.


I valori di input includono la superficie velica e le dimensioni dell'attrezzatura, le caratteristiche dello scafo (lunghezza fuori tutto, lunghezza al galleggiamento, baglio, momento raddrizzante, ecc..), coefficienti adimensionali di forma per lo scafo, deriva, bulbo e dimensioni del timone, persone di equipaggio e la loro posizione di navigazione ed infine le velocità del vento reale ed i corrispondenti angoli. Le variabili indipendenti sono la velocità dell'imbarcazione, l'angolo di sbandamento, coefficienti relativi a quanto la vela sia stata bordata ed ai terzaroli (in grado di simulare le regolazioni della vela e dei terzaroli) e la posizione dell'equipaggio.
Il modello aerodinamico contiene dati sperimentali per le vele e la regolazione dell'attrezzatura, e viene utilizzato per determinare le forze ed i momenti aerodinamici. In modo simile, il modello idrodinamico contiene dati sperimentali per lo scafo e le appendici, e viene utilizzato per determinare le forze ed i momenti idrodinamici. Infine, la subroutine risolutiva è un complesso algoritmo in grado di ottimizzare itarativamente le variabili fin quando il sistema di equazioni è risolto.

Il modello aerodinamico viene applicato per primo. Il valore iniziale della velocità del vento reale e della rotta viene preso in considerazione per la prima condizione, mentre il programma assume dei valori iniziali per le variabili indipendenti. Utilizzando nozioni base di trigonometria, la velocità e l'angolo del vento apparente possono essere calcolati. Ora, utilizzando la velocità e l'angolo del vento apparente, possono essere determinate la configurazione delle vele e le forze aerodinamiche. Infine, utilizzando alcune delle variabili e la geometria dell'attrezzatura, dalle forze aerodinamiche delle vele si possono ottenere la forza nella direzione del moto (FDRIVE), la forza laterale sbandante (FHEEL), ed il momento aerodinamico sbandante (MHEEL).

Il modello idrodinamico viene applicato successivamente. Prima di tutto, l'angolo di scarroccio viene calcolato a partire dalla forza laterale idrodinamica (FSIDE), che è uguale alla forza aerodinamica laterale (FHEEL). Successivamente, utilizzando un modello idrodinamico a regressione come la Delft Series (si veda l'articolo "Occuparsi delle Derive") vengono calcolati il momento raddrizzante idrodinamico, la resistenza dello scafo e la resistenza delle appendici. Le varie componenti di resitenza vengono poi sommate per ottenere la resistenza totale (FDRAG) ed i vari momenti raddrizzanti (idrostatico, idrodinamico e dell'equipaggio) vengono combinati per ottenere il momento raddrizzante totale (MRIGHT).


Nella subroutine risolutiva, le forze aerodinamiche (FDRIVE, MHEEL) vengono confrontate con le forze idrodinamiche (FSIDE, MRIGHT) per trovare l'equilibrio dell'imbarcazione. Se le due equazioni non possono essere risolte contemporaneamente, la subroutine modificherà sistematicamente le variabili (che richiedono l'aggiornamento delle forze aero/idrodinamiche) fintanto che le equazioni non vengano soddisfatte. Questo in genere coinvolge in lungo processo itarativo, dove la modifica di una variabile richiede conseguenti modifiche alle altre variabili. Quando forze e momenti sono finalmente in equilibrio per le condizioni di vento date, il risultato viene salvato e la successiva combinazione di velocità e angolo del vento viene inizializzata. Il programma termina quando ha verificato tutte le condizioni di vento inserite dall'utente. Gli output vengono successivamente raggruppati dal programma ed organizzati in tabelle, grafici e belle figure (il diagramma polare delle velocità).

Molti VPP standard fanno un buon lavoro nel predirre la velocità teorica dell'imbarcazione e gli angoli di scarroccio per le tipiche imbarcazioni cruiser/racer semidiscolanti. I generici modelli aero/idrodinamici utilizzati nel calcolo sono abbastanza "larghi" per poter prendere in considerazione molte forme di scafi, sebbene a tale "larghezza" segue una lieve perdita in precisione. Per l'analisi si multiscafi, yacht di America's Cup o imbarcazioni plananti con derive basculanti o ballast d'acqua, sono necessari VPP specializzati. Questi hanno in genere un maggior numero di input, come condizioni del mare, opzioni per la deriva basculante e i ballast, per la configurazione velica... e permettono di utilizzare modelli aerodinamici ed idrodinamici personalizzati ottenuti attraverso gallerie del vento, CFD e/o test in vasca. La loro subroutine risolutiva può essere più complicata, così che più si solo due equazioni vengono risolte, e ci sono in genere più valori di output, così che l'utente è in grado di veder cose come le varie componenti della resistenza e gli angoli di scarroccio ecc... Alcuni hanno anche routine meteo e di percorsi personalizzate, permettendo al designer di velggiare virtualmente la barca su di un percorso e di determinare il tempo impiegato.

Senza tener conto di come le polari di velocità vengono determinate, ci sono limitazioni al loro uso ed accuratezza. Prima di tutto le polari vengono calcolate in condizioni ieali: le vele sono regolate perfettamente, la carena è pulita, la deriva è nitida, il vento è stabile, e vengono fatte molte ipotesi in modo da far lavorare il programma velocemente. Nel mondo reale; le vele si stirano, la carena si sporca, le derive si scheggiano, il peso si sposta, l'imbarcazione si flette... In altre parole, l'accuratezza del VPP dipende da quanto la barca e le vele corrispondano alle condizioni "ideali" utilizzate nei test. E' quindi compito del proprietario e dell'equipaggio tenere la barca e le vele nelle migliori condizioni. In secondo luogo, il VPP non tiene generalmente conto di alcune cose come il surfare nelle onde. Di conseguenza, i risultati sulla velocità di risalita del vento possono essere sovraestimati e quelle di discesa sottostimati. E' possibile che si debbano applicare fattori di correzione per alcune condizioni e, sfortunatamente, possono variare da imbarcazione ad imbarcazione (anche tra i one-design).

ci sono molti VPP disponibili in commercio (IMS, WinDesign, AeroHydro, Span, PCSail), alcuni VPP secretati utilizzati per le regole di rating (IRC; Americap II) insieme con alcuni VPP proprietari the sono utilizzati solo internamente a ditte di progettazione. Alcuni di loro sono disponibili per un download gratuito di una versione prova con utilità limitate, di conseguenze potrebbe valer la pena per il marinaio interessato verificarli (sebbene tutti richiedano una comprensione basilare dell'architettura navale o di design di imbarcazioni). E per gli studenti veramente interessati, il libro "Sailing Yacht Design: Theory", by Claughron, Wellicome e Shenoi offre una spiegazione più dettagliata dei VPP, insieme ad altre cose.

Così ecco qui la breve breve versione, per persone a cui non piace leggere lunghi articoli. Il VPP è in linea di massima una fantastica calcolatrice. I valori di input vengono inseriti, la calcolatrice fa il suo voodoo e i diagrammi polari spuntano magicamente. Molti VPP fano un buon lavoro nel predirre la velocità di imbarcazioni convenzionali, ma imbarcazioni da regata avanzate richiedono VPP avanzati per poter ottenere risultati accurati. Assumendo che le polari di velocità vengano create con unm VPP ragionevole, i risultati ottenuti saranno accurati solo se la barca è portata correttamente, le vele sono in buone condizioni, e la configurazione delle vele è prossima a quella testata nel VPP. Quest'articolo è solo la punta dell'iceberg. I VPP sono bestie complesse, e sono in continua evoluzione. Se ne vuoi sapere di più, prova ad usarne uno, o leggi di più al riguardo.

Testo redatto da Chris Cochran
Testo tradotto da Gianluca Meneghello
Pubblicato il: 27-07-2015

Iscriviti alla newsletter

© 2001-2017 Velaforfun.com