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Storia e sviluppo
dell'elica
Il concetto di un mezzo di propulsione simile a quello che (oggi
viene definito "elica a vite" non è certamente
una novità. L'esperienza che gli antichi hanno maturato spingendo
i buoi, unitamente agli ultimi sviluppi di motori rotanti, hanno
,suggerito una combinazione di una serie di piastre inclinate assicurate
ad un mozzo rotante. Nel 945 A.C. gli egizi utilizzavano un mezzo
a vite per l'irrigazione. Ad Archimede 1 '87-212 A.C.), il primo
scienziato che produsse un effetto durevole sulla storia dell'architettura
navale e della propulsione delle navi, è stata attribuita
l'invenzione della vite.
Egli
inventò la vite per fare emergere imbarcazioni sommerse.
La pompa a vite, progettata da Archimede per fornire acqua ai fossi
di irrigazione, è stata il precursore dell'elica a vite.
Disegni di Leonardo da Vinci (1452-1519) illustrano progetti di
viti per il pompaggio dell'acqua. Il progetto di rotore da elicottero
(Leonardo da Vinci) è più simile a viti marine.
Nonostante queste acquisizioni, l'applicazione della propulsione
a vite per le imbarcazioni e le navi non ha avuto luogo prima dell'avvento
dei motori a vapore. La prima imbarcazione utilizzò la ruota
a pale in quanto più adatta ai primi motori a vapore a basso
regime. Nel 1661, Toogood e Hays adottarono la vite come elica per
una imbarcazione. Dai loro progetti sembrava fosse addirittura prevista
anche una propulsione tipo idrogetto.
Agli
inizi del 19simo secolo, la propulsione ad elica era considerata
un mezzo di secondaria importanza per spingere una imbarcazione
sull'acqua. Lo sviluppo della propulsione a vite ha comunque avuto
luogo proprio in questo secolo. Nel 1802, il colonello John Stevens
costruì e sperimentò un'imbarcazione a vapore dapprima
con una singola elica poi con una doppia elica. Sfortunatamente,
la mancanza di interesse per le sue idee fecero passare le sue scoperte
in secondo piano.
L'invenzione
dell'elica
L'invenzione dell'elica è stata attribuita contemporaneamente
a due uomini, Francis Petit Smith e John Ericsson. Nel 1836, Smith
ed Ericsson ottennero i brevetti per eliche a vite, determinando
l'inizio dell'era moderna. II brevetto di Ericsson incluse una ruota
a pale controrotante, per installazioni a doppia e singola elica.
Il progetto dell'elica di Ericsson raccolse i vantaggi delle caratteristiche
uniche della ruota a pale. La ruota ha permesso di ottenere la spinta
maggiore di un largo numero di pale in un piccolo diametro senza
ingombrare l'area adiacente al mozzo. Entrambe gli elementi interni
ed esterni fornivano spinta propulsiva. II design della ruota era
estermamente resistente, senza materiale inutile che poteva interferire
con il suo funzionamento base.
L'anello
esterno serviva anche a tenere corde, ghiaccio e detriti lontano
dalle pale. Non vi è stato un'evoluzione netta
e immediata dalla ruota a pale alla moderna elica, anche se la ruota
a pale possedeva molte delle caratteristiche di un mezzo di propulsione
di successo. Sembra che sia stata utilizzata nella forma originale
di Ericsson e poi abbandonata in favore della vite convenzionale.
Il fortunato incidente
Quasi tutti i successivi sostenitori del progetto della vite di
Archimede suggerirono molto poco per migliorare la configurazione
dell'elica per l'utilizzo quale mezzo di propulsione. Le principali
modifiche consistettero nel cambiare il numero delle spire o alterare
il diametro lungo tutta la lunghezza della vite. Francis Petit Smith
scoperse accidentalmente i vantaggi della vite di Archimede accorciata.
Originariamente il progetto dell'elica in legno aveva due rotazioni
complete. Ma. dopo una collisione nel canale di Paddington dove
una metà delle pale fu trascinata via, l'imbarcazione guadagnò
in velocità. Smith fece tesoro di questa osservazione incrementando
il numero di pale e diminuendo la larghezza - il risultato fu un
progetto non molto lontano dalle moderne eliche. Nel 1839, I.K.
Brune], favorevolmente impressionato dalle prestazioni ottenute
dall'elica di Petit Smith, modificò il progetto della Great
Britain, una nave in ferro allora in costruzione, e previde la propulsione
a vite. Il Great Britain aveva 1500 cavalli indicativi e raggiunse
una velocità di 11 nodi. Nonostante questo successo, solo
molti anni dopo le eliche sostituirono le ruote a pale nelle applicazioni
marine.
Il prossimo passo
Anche se la vite di Archimede nelle sue varie forme continuò
ad essere proposta per la propulsione delle imbarcazioni, la transizione
finale al tipo di propulsione adesso riconosciuto come elica è
da attribuire a George Rennie ed alla sua elica conoide. Rennie
combinò le idee di maggiore passo, filettature multiple,
e minime spire in quello che egli chiamò elica conoide, che
fu brevettata nel 1839.
Nonostante i successi di Smith ed Ericsson, molti problemi dovevano
ancora essere risolti nella progettazione, costruziotie e funzionamento
delle navi con propulsione ad elica.
Le prime navi con carena in legno erano soggette a forti vibrazioni,
ed è stato quindi necessario sostituìre il ]cono con
il ferro nettamente più resistente. In considerazione del
fatto che l'albero ed i macchinari erano situati sotto la linea
di galleggiamento è stato necessario predisporre scatola
stagna di tenuta nell'albero rotante. Inoltre si è provveduto
ad installare dei cuscinetti di spinta per trasmettere la spinta
esercitata dall'elica sulla carena. In seguito sono stati sviluppati
dei motori più veloci in modo da sfruttare le potenzialità
dell'elica e si sono rese necessarie delle tecniche di fusione e
di lavorazione di metalli resistenti. Quando tutte queste difficoltà
furono gradualmente superate e furono sviluppati dei motori più
potenti, vennero installate sempre più eliche per supplire
o sostituire le ruote a pale.
Nel 1869, C. Shai-p di Philadelphia in Pennsilvania, brevettò
un'elíca parzialmente sommersa per la propulsione di imbarcazioni
di poco pescaggio. Utilizzava un grande angolo straorzata per combattere
le forze trasversali generate dalla stessa elica, un passo alto
e pale curve o concave. Sir Charles Parsons scoperse accidentalmente
il fenomeno della cavitazione dell'elica, quando la sua prima nave
a turbine, denominata Turbinia, inizialmente mancò di raggiungere
la velocità di 30 nodi a causa dell'avvolgimento delle pale
dell'elica in cavità. Il problema fu risolto ínstallando
tre eliche su ciascuno dei tre alberi. L'invenzione degli ingranaggi
di riduzione rese presto inutile l'utilizzo di eliche multiple per
un singolo albero.
Le eliche installate nell'anno 1860 mancavano di rifiniture, ma
le loro prestazioni superavano di gran lunga tutti gli altri mezzi
concepiti fino ad allora. La ruota a pale divenne obsoleta e venne
sostituita con l'elica.
Nel corso del 20simo secolo, l'arte e la tecnologia nella progettazione
delle eliche marine si è sviluppata costantemente per una
maggiore efficienza, maggiore affidabilità nei progetti e
prestazioni, migliori materiali, e resistenza alla cavitazione.
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