La fisica della vela

La vela vicino al vento usa la forma delle vele per generare portanza. Per scorrere intorno alle vele, il vento deve deviare in direzione, come mostrato dalle frecce per velocità iniziale vi e velocità finale vf, che sono date rispetto alla barca. Il cambiamento di velocità dv è nella direzione mostrata. L’accelerazione aa dell’aria è dv / dt, quindi la forza Fa che le vele esercitano sull’aria è nella stessa direzione. (Prima e seconda legge di Newton: F = ma.) La forza Fw che il vento esercita sulle vele è nella direzione opposta., (C’è anche un effetto Bernoulli, che contribuisce in modo secondario.)

Nota che da nessuna parte in questo argomento abbiamo dovuto dire che il vento era più veloce della barca.

Ora questa forza è principalmente lateralmente sulla barca, e diventa sempre più lateralmente man mano che ci si avvicina al vento. Tuttavia, parte della forza è in avanti: la direzione che vogliamo andare. Cosi…

Perché la barca non deriva lateralmente?Beh, lo fa un po’, ma quando lo fa, la chiglia, una grande area quasi piatta sotto la barca, deve spingere molta acqua lateralmente., L’acqua resiste a questo, ed esercita la forza laterale Fk sulla chiglia.

Questo annulla il componente laterale di Fw. Per quanto riguarda il componente in avanti: accelera la barca fino a quando la forza di trascinamento Fd che la trattiene è abbastanza grande da

Fw = -{Fk + Fd}.

Quindi una barca può navigare vicino al vento: in genere 45° al vento vero, anche se molte barche ad alte prestazioni vanno più vicine di così. E ci si sente più vicino di 45°, come vedremo nei diagrammi qui sotto.,

Una piccola digressione: i componenti laterali del vento e dell’acqua sulla barca rendono il tallone della barca (inclinazione) lontano dal vento, come mostrato nello schema seguente. Questi due componenti orizzontali hanno dimensioni uguali ma direzione opposta: come forze si annullano, ma fanno una coppia tendente a ruotare la barca in senso orario. Questo viene annullato da un’altra coppia di forze. Anche la galleggiabilità e il peso sono uguali e opposti, e fanno una coppia nella direzione opposta., Come i talloni barca a dritta, il piombo sul fondo della chiglia, che ha una frazione sostanziale del peso, si sposta in porto ed esercita una coppia in senso antiorario. Queste due coppie si annullano.

Così ora di nuovo alla nostra domanda: