Il timone navale: geometria e caratteristiche

Il timone rappresenta l’organo di governo della nave durante la navigazione, ossia di modificare la direzione di avanzamento, insieme all’elica di propulsione e di manovra, le ancore e i cavi. Breve introduzione al progetto architettonico del timone.

Vincoli progettuali

Articolo a cura di: Gianvincenzo Gravina

Il timone è l’organo destinato al corretto governo della nave, intendendo per governo la capacità di condurre la nave lungo una rotta prestabilita e di poterla evoluire. Il progetto architettonico del timone consiste nel determinarne la forma, l’area e il profilo; in tale procedura il progettista non è libero di esprimersi, ma dovrà rispettare delle condizioni al contorno.

• Il primo vincolo progettuale è dettato dalla geometria della pala; il timone non deve uscire dalla sagoma d’ingombro nave, poichè in caso di basso fondale questo sarebbe il primo ad urtare rischiando di rompersi e causare danni.
• Essendo il timone un’appendice dello scafo, il secondo vincolo da tenere in considerazione è dovuto alla resistenza al moto, quindi bisogna dare alla pala una resistenza al moto minima quando è in posizione di riposo (quando il timone giace al centro), mentre in fase di brandeggio dovrà avere la massima capacità di controllo.
• Da non dimenticare forse il vincolo più importante di tutti, il vincolo ai costi. Il timone dovrà essere il più efficiente possibile con il minimo esborso. Quindi il timone dovrà svolgere al meglio i suoi compiti: costruzione e manutenzione semplice, minimizzando allo stesso tempo le spese.

Progettazione del timone

La pala, per poter svolgere il suo compito, dovrà avere una superficie di controllo. Quindi si mette in relazione l’area del timone con l’area del piano di deriva della nave, poichè la resistenza dovuta all’opera viva dovrà essere vinta dalla forza che agirà sulla superficie di controllo.

Pertanto, andando a semplificare la pala con una lastra piana bidimensionale, con l’asse di rotazione coincidente col bordo d’ingresso del flusso, avremo che:

Dove:

• k è un coefficiente che deriva dall’esperienza del progettista, varia da 1.3 a 1.9 per navi lente, varia da 1.5 a 2.1 per navi veloci.
• L è la lunghezza di galleggiamento
• T è l’immersione della nave

Nella realtà navale il timone non ha l’asse coincidente con il bordo d’ingresso (una condizione del genere la troviamo nelle piccole imbarcazioni da diporto), se fosse così il momento torcente che la pala deve vincere sarebbe elevatissimo. Quindi si effettua il “bilanciamento del timone” andando a spostare l’asse verso il centro di pressione, realizzando il timone “bilanciato” o più comunemente “compensato”.

Geometria del timone

Definiamo quindi il grado di compenso come il rapporto tra l’area della pala avanti all’asse e l’area totale della pala. Si noti che se si dovesse avere l’asse passante per il centro di pressione, il timone diventerebbe instabile. Questo significa che anche nella sua posizione di riposo, il flusso che investe la pala ne andrà a modificare l’angolo di brandeggio, obbligando l’impianto di potenza a riportare il timone nella posizione iniziale continuamente. Questo è molto dannoso perciò i timoni sono sempre semi-bilanciati (o semi-compensati).

Fino ad ora si è considerato il timone come una lastra piana bidimensionale capace di generare una forza di controllo, ma ricordando i vincoli prima descritti, il timone, essendo un’appendice, deve avere un profilo ottimizzato. Perciò considereremo il timone carenato, ovvero un timone costituito da una doppia lamiera e che abbia una volume.

Scelta del profilo

Si prosegue quindi con la scelta del profilo che più si avvicina alle caratteristiche della nave.

Lo studio analitico dell’impatto della corrente sul profilo è molto complesso e non trova giustificazione. Ci sono stati vari laboratori che hanno effettuato analisi sperimentali dei fenomeni che si instaurano attorno al profilo stesso. Uno dei laboratori più famosi è il National Advisory Committee for Aeronautics ( NACA), il qual fornisce un ampio catalogo di profili madre distinguibili da un codice cifrato. La prima cifra indica la curvatura massima, la seconda fornisce la distanza del punto di massima curvatura dal bordo d’attacco, mentre le ultime due cifre indicano lo spessore massimo, tutte le misure espresse in percentuale della corda.

Come esempio prendiamo il profilo con codice 0018, questo ci dirà che è un profilo simmetrico derivante dalla serie madre 0010, avente uno spessore massimo pari al 18% della corda. I profili più utilizzati in ambito navale sono quelli con codice 64xx, particolarmente resistenti alla cavitazione, e quelli con codice 00xx caratterizzati da valori di portanza interessanti, quindi particolarmente utilizzati per i profili dei timoni.