Cenni di Stabilità

Corpi parzialmente immersi 

La sostanziale differenza nei riguardi dell’equilibrio fra corpi totalmente immersi (come i sommergibili in immersione) e corpi parzialmente immersi (come le navi),è che nei primi la posizione del centro di carena non varia al variare dell’inclinazione del corpo, mentre nei secondi, la posizione del centro di carena, ossia del punto per il quale passa la linea di azione della spinta, varia al variare della posizione o dell’inclinazione del corpo stesso. 

Il centro di gravità G della nave è il baricentro dei pesi che costituiscono la nave stessa. In genere il centro di gravità di una nave si trova sul piano longitudinale di simmetria ad una altezza di poco maggiore della metà dell’altezza dello scafo e leggermente spostato a poppavia della mezzeria. 

Anche il centro di carena B di una nave galleggiante in posizione diritta ed in equilibrio si trova sul piano longitudinale di simmetria, in quanto la spinta è simmetricamente distribuita sui due lati della carena. 

Poiché l’acqua spostata si trova tutta al di sotto del piano di galleggiamento, con le consuete forme di carena, il centro di carena si trova poco sopra la metà dell’immersione, quindi in posizione sensibilmente inferiore al baricentro. 

La forza peso della nave è applicata nel centro di gravità mentre la spinta passa per il centro di carena. Queste due forze sono sempre dirette verticalmente ed hanno verso contrario. Affinché la nave sia in equilibrio, esse devono risultare uguali in modulo ed avere la stessa linea d’azione. 

Incliniamo trasversalmente la nave, mediante una causa esterna, di un angolo generico alfa; la sua nuova posizione sia quella indicata in figura 3.15 . 

Dato che il dislocamento non è cambiato, la nuova carena, individuata dal piano WL1, ha lo stesso volume della carena individuata dal piano WL, ma la sua forma è evidentemente diversa. Le due carene si dicono ISOCARENE, cioè carene di uguale volume. L’inclinazione avvenuta si chiama ISOCARENICA. 

Data la forma delle due carene, mentre il centro di volume, ossia il centro di carena, della carena iniziale si trova in B, il centro della nuova carena dopo l’inclinazione si sarà spostato, verso dritta e verso l’alto nel punto B1 e sarà uscito dal piano del disegno a causa delle diversità di forme di prora e di poppa. 

Una nave in posizione diritta è in equilibrio stabile quando, spostata dalla sua posizione iniziale diritta, origina una coppia di forze che tendono a riportarla nella posizione iniziale. 38 

Se il centro di carena si è spostato in B1, la coppia di stabilità dovuta alle forze Δ ed S ha un effetto raddrizzante e quindi l’equilibrio della nave si dice STABILE (figura 3.16a), oppure può avere un effetto ulteriormente sbandante e quindi l’equilibrio si dice INSTABILE (figura 3.16c). Nel caso che peso e spinta abbiano la stessa linea d’azione siamo nel caso di equilibrio indifferente (figura 3.16b), caso comunque puramente teorico. Risulta evidente che, a parità di posizione di G, la stabilità dell’equilibrio di una nave e la reazione che essa oppone ad essere allontanata dalla sua posizione iniziale diritta, dipendono dallo spostamento laterale del centro di carena, determinato dal cambiamento di forma conseguente all’avvenuta inclinazione, cioè in definitiva dalla forma di carena. 

Stabilità trasversale per piccole inclinazioni 

Consideriamo ora una nave che sia in equilibrio stabile nella posizione iniziale diritta come devono essere normalmente tutte le navi, e diamole un’inclinazione isocarenica di un angolo alfa. Per le considerazioni già fatte, il centro di carena B si sposta in B1 e la nuova linea d’azione della spinta incontrerà la linea d’azione della spinta iniziale nel punto M. Il punto M si chiama METACENTRO TRASVERSALE relativo al volume di carena V. Se l’angolo di inclinazione è di piccola entità (<10°) si può ammettere, con sufficiente approssimazione, che la curva descritta dal centro di carena, nel passare da B a B1, sia un arco di circonferenza e che tutte le successive linee d’azione delle spinte relative ai centri di carena da B a B1 passino per il punto M che rappresenta quindi il centro di curvatura della curva descritta da B. B M 1 BM 

Con tale definizione risulta evidente che, affinché la nave in posizione diritta sia in equilibrio stabile, è necessario che M si trovi al disopra di G . Infatti in tale caso la coppia che si determinerà per un piccolo angolo di inclinazione della nave sarà positiva e tenderà a riportare la nave nella sua posizione iniziale diritta. Se chiamiamo “r” il RAGGIO METACENTRICO TRASVERSALE ed “a” la misura del segmento , cioè la soprelevazione del baricentro sul centro di carena a nave diritta, si definisce ALTEZZA METACENTRICA TRASVERSALE INIZIALE il segmento (r-a), che in definitiva rappresenta la distanza tra il metacentro ed il centro di gravità. Il momento della coppia di stabilità trasversale, considerando il triangolo rettangolo MGH vale: 

Fig. 0.1 BM BG 39 

Malfa= Δ x b = Δ x GH = Δ x GMsenalfa 

cioè: 

Malfa= Δ(r-a)senalfa

Il valore di (r-a) si chiama anche INDICE DI STABILITA’ INIZIALE e dà un’idea della capacità della nave a reagire a cause sbandanti esterne nell’intorno della sua posizione diritta. 

Un valore elevato di (r-a) sarebbe perciò consigliabile per la stabilità, soprattutto per le navi militari. D’altra parte, un valore troppo elevato di (r-a), se va bene in mare tranquillo, rende la “nave dura” eccessivamente in acqua agitata, tendendo la nave a mantenere i ponti paralleli al profilo dell’onda (in gergo marinaro “cavalca l’onda”) causando continui movimenti ed accelerazioni trasversali e longitudinali. Tali accelerazioni, oltre che essere dannose per il “benessere” e quindi l’operatività dell’equipaggio, possono ostacolare il corretto funzionamento delle apparecchiature installate a bordo. Nel caso che il valore (r-a) sia basso, sarà meno stabile, ma si comporterà meglio in mare agitato (in gergo “taglia l’onda”) e si dirà “nave cedevole”. 

Pertanto i valori adottati di (r-a) per i vari tipi di navi sono i risultati di un compromesso tra le varie necessità. 

I valori medi dell’altezza metacentrica possono essere, orientativamente: 

• Navi militari 0.8…1.2 m 
• Velieri 0.6…0.8 m
• barche a vela 2.0…2.5 m
• motosailer 0.6…0.8 m
• scafi plananti 0.3…0.6 m

Mezzi per aumentare il valore dell’altezza metacentrica 

I metodi correttivi da adottare agiscono sulla stabilità di peso o di forma. Solo i primi due metodi possono farsi senza interventi di cantiere: 

• abbassare pesi verso il basso, qualora possibile; 
• zavorrare la nave imbarcando in sentina pani di ghisa o blocchi di cemento con conseguente aumento del dislocamento e diminuzione della velocità;
• aumentare il momento d’inerzia minimo della figura di galleggiamento allargando la figura stessa con l’applicazione nella zona di galleggiamento di controbordi o bottazzi.