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Vi sono numerosi termini per descrivere le caratteristiche e le
prestazioni di un'elica. Vi offriamo una breve spiegazione di ognuno
di loro in modo che possiate familiarizzare con i termini più
ricorrenti in questa pubblicazione.
Diametro
Si ottiene tracciando un cerchio che confini con le punte delle
pale quando l'elica è in movimento.
La scelta del diametro è determinata principalmente dal numero
di giri dell'elica e dalla quantìtà di potenza disponibile
all'elica.
L'angolo dì ìnclinazione dell'elica che può
anche lavorare semissommersa e la presunta spinta di avanzamento
hanno un ruolo estremamente importante
nel determinare ìl diametro pìù adatto. Nella
elencazione di una gamma completa di eliche, il diametro generalmente
aumenta quando si tratta di una imbarcazione pesante e diminuisce
quando l'imbarcazione è veloce. Se tutte le variabili rimangono
tanti il diametro dovrà crescere in proporzione alla potenza;
il diametro dovrà anche aumentare per un minore numero di
giri dell'elica (minore potenza o velocità del motore e o
maggiore riduzione degli ingranaggi); ed il diametro dovrebbe aumentare
quando la superficie dell'elica aumenta.
Passo
Il passo è la distanza che un'elica percorrerebbe in un giro
completo se potesse muoversi in un solido morbido, come una vite
nel legno.
Quando un'elica viene identificata con 13 314 x 21, le sue caratteristiche
sono:diametro 13 314" (35 cm) e passo 21" (53 cm). Teoricamente
questa elica si sposterebbe dì 21" ìn un giro.
Il passo è misurato sulla faccia della pala. Talvolta ìl
passo stampigliato sull'elica non corrisponde esattamente al passo
effettivo dell'elica. Una piccola deformazione può derivare
dal processo di fusione o raffreddamento. Potrebbero essere statì
effettuati piccoli aggiustamenti o modifiche nei centri di riparazione.
E infine, potrebbe essere occorsa una piccola invisibile alterazione.
Vi sono due tipi di passo: uno definito quale passo costante (anche
chiamato "vero" o "piatto") e l'altro denominato
passo progressívo.
Il passo costante sìgnifìca che ìl passo è
lo stesso in tutti i punti dal bordo di uscita al bordo di attacco.
Il passo progressivo (denominato anche "blade camber")
inizia basso sul bordo di attacco della pala e aumenta progressivamente
verso il bordo di uscita. Il numero di passo assegnato (per esempio
21") rappresenta il passo medio lungo tutta la pala.
Il
passo progressivo permette un incremento delle prestazioni in marcia
avanti e la velocità di rotazione si alza se l'elica lavora
semisommersa. Questo tipo di passo è comunemente utilizzato
per eliche Quicksilver destinate a motori di potenza medio/alta.
Il passo è tanto importante quanto gli ingranaggi. Per uno
specifico motore che deve girare ad un specifico regime, si dovrà
scegliere un passo relativamente alto per ottenere la massima velocità
dell'imbarcazione. Se scegliete un passo basso, il motore "girerà"
troppo velocemente (sopra il limite di giri raccomandato dal Costruttore),
provocando quindi uno stress molto maggiore su più parti
in movimento. Potrete forse ottenere una maggiore accelerazione,
ma la vostra velocità di punta ne soffrirà sensibilmente
e l'efficienza della vostra elica non sarà quella desiderata.
Se invece il passo scelto è troppo alto, costringerete il
vostro motore a girare ad un regime troppo basso (al di sotto di
quello raccomandato) e cioè con una coppia maggiore e ciò
può quindi essere estremamente dannoso per lo stesso. La
velocità di punta potrebbe non soffrirne, ma l'accelerazione
sarebbe ridotta sensibilmente.
Inclinazione
delle pale("rake")
Poniamo che un'elica venga sezionata direttamente attraverso il
centro del mozzo. L'inclinazione della pala viene definita quale
l'angolo formato da una linea retta che passa attraverso la sezione
della pala rispetto ad un piano perpendicolare all'asse dell'elica.
Se la faccia della pala è perpendicolare al mozzo dell'elica,
l'elica ha un inclinazione di 0°. Se la pala è inclinata
verso poppa, l'angolo delle pale aumenta. Per eliche standard, l'inclinazione
delle pale varia da -5° a 20°. Le eliche standard per motori
fuoribordo e-gruppi poppieri hanno in genere un'inclinazione di
circa 15°.
Eliche con pale più inclinate (high-performance) hanno spesso
un'inclinazione progressiva che può arrivare fino a 30°
rispetto alla punta della pala. L'inclinazione può essere
piatta (diritta), o curva (progressiva).
Un
angolo di inclinazione maggiore generalmente incrementa le capacità
dell'elica di un funzionamento ottimale in una situazione di cavitazione
o ventilazione, quando, per esempio, le pale rompono la superficie
dell'acqua. Con il funzionamento in superficie, un'inclinazione
maggiore delle pale può "tenere" meglio l'acqua
quando viene gettata in aria dalle forze centrifughe, e facendo
così, crea più spinta di un elica simile ma con inclinazione
delle pale minore.
Su imbarcazioni leggere e veloci, il piede installato ad un altezza
superiore, l'inclinazione maggiore spesso incrementa le prestazioni
tenendo la prua dell'imbarcazione più sollevata, con una
velocità maggiore dovuta al minore attrito della carena.
In altri casi, con imbarcazioni molto leggere e veloci, la maggiore
inclinazione può causare un'eccessiva alzata della prua,
rendendo l' imbarcazione instabile. In questo caso un'elica con
inclinazione minore potrebbe essere una scelta più indicata.
Coppa
(orecchietta)
Quando il bordo di uscita della pala è formato o fuso con
un arrotondamento a ricciolo (lontano dalla barca), l'elica viene
definita con pala con orecchietta. Originariamente, la coppa era
stata studiata per ottenere qualche vantaggio come descritto nel
passo progressivo e nell'inclinazione delle pale. I benefici di
questa particolare conformazione sono così rilevanti che
tutte le eliche da diporto, hi-performance o da competizione ne
sono dotati.
L'orecchietta
normalmente riduce la velocità di rotazione di 150-300 giri/min
rispetto all'elica dello stesso passo che ne è priva. Un'officina
specializzata può incrementare o diminuire l'orecchietta
di un'elica per adattarla al regime di funzionamento richiesto dal
motore.
Perchè l'orecchietta delle pale sia più efficiente,
dovrebbe essere completamente concava (sul lato di pressione della
pala) e finire con un bordo di uscita affilato. Qualsiasi arrotondamento
sul bordo di uscita della coppa, sul lato di pressione, ne limita
l'efficienza.
La forma a coppa è generalmente di poco valore sulle eliche
utilizzate in applicazioni da lavoro dove l'elica rimane completamente
sommersa.
L'importanza
delle forma delle pale
Poniamo di utilizzare un'elica con pale arrotondate: se la superficie
delle pale è concava, il concavo aumenta il passo, proteggendo
anche l'elica dalla cosiddetta ventilazione.
Se il concavo è posto in modo da intersecare la linea di
inclinazione delle pale, questo accresce l'inclinazione stessa delle
pale (vedi "rake").
Vi è chiaramente una sovrapposizione degli effetti laddove
il concavo influenza sia il passo sia l'inclinazione delle pale.
In alcuni casi, la presenza di un normale concavo può ridurre
anche di 1000 i giri del motore. Questo può accadere se l'elica
senza concavo veniva fatta funzionare in condizioni di parziale
ventilazione, situazione questa che passa inosservata fino a quando
non si prova un'elica concava. Un'elica che funzioni in parziale
ventilazione dà una sensazione di scarsa spinta e di poca
governabilità del mezzo; inoltre può provocare turbolenza.
Un accurato calcolo del regresso può essere conveniente in
questi casi. II regresso passa generalmente da un normale 10-15%
a più del 20% per un'elica parzialmente in ventilazione su
un'imbarcazione normale o leggera.
La modifica del concavo su un'elica modello "cleaver",
è più difficile, dato che il bordo di uscita è
più spesso ed ha una linea di inclinazione diritta, ogni
modifica avrebbe meno effetto che il cambiamento dell'inclinazione.
L'incremento di passo ottenuto grazie al concavo delle pale può
essere ridotto sensibilmente limando o rettificando la superficie
del concavo. Allo stesso tempo, anche l'inclinazione delle pale
può essere leggermente alterata. Per avere minore inclinazione,
si diminuisce la coppa nell'area vicino alla punta. Per ottenere
una maggiore inclinazione, si deve ridurre la coppa nell'area vicino
al mozzo. Naturalmente, qualsiasi riduzione della coppa significa
un aumento dei giri/min.
Direzione
di rotazione dell'elica
Vi sono eliche con rotazione destrorsa (RH) e con rotazione sinistrorsa
(LH). La maggior parte dei motori fuoribordo e gruppi poppieri montano
eliche a rotazione destrorsa. Per riconoscere un'elica a rotazione
destrorsa e noterete che le pale dell'elica destrorsa sono inclinate
verso l'alto da sinistra verso destra. Un'elica a rotazione sinistrorsa
avrà l'inclinazione opposta verso l'alto da destra verso
sinistra. La pala sale nella direzione della rotazione. L'inclinazione
delle pale di un elica destrorsa si può paragonare alla filettatura
di una comune vite sempre a rotazione destrorsa. Un altro modo per
riconoscere i due tipi di eliche è osservare la rotazione
dell'elica in marcia avanti da dietro l'imbarcazione. Un'elica a
rotazione destrorsa ruota in senso orario, mentre a rotazione sinistrorsa
gira in senso antiorario.
Numero di pale
Un'elica con una singola pala sarebbe la più efficace, se
le vibrazioni che provoca potessero essere tollerate. Per ottenere
un livello di equilibrio accettabile e vibrazioni minori, un'elica
a due pale, teoricamente, sarebbe la più efficiente. Quante
più pale si aggiungono, tanto diminuisce l'efficienza, ma
lo stesso accade per le vibrazioni.
La maggior parte delle eliche hanno 3 pale come risultato di compromesso
tra vibrazioni, dimensioni, rendimento e costo. La differenza di
efficacia tra eliche a 2 ed a 3 pale è considerata meno rilevante
della differenza del livello di vibrazioni. Praticamente tutte le
eliche da competizione sono a 3 od a 4 pale.
La tendenza degli ultimi anni all'installazione del motore ad un'altezza
maggiore tale che l'elica operi quasi in superficie, ha fatto si
che le eliche a 4 o 5 pale siano diventate le più popolari.
Esse riducono sensibilmente il livello di vibrazioni ed incrementano
l'accelerazione grazie al fatto che una più grande parte
delle pale è sommersa. Possono inoltre incrementare l'efficacia
dell'inclinazione della pala, facendo sollevare la prua della barca
per maggiore velocità. L'inclinazione delle pale può
essere aumentata, agisce efficacemente e può migliorare l'assetto
e le prestazioni.
Spessore
della pala
Come un ramo d'albero è più grosso vicino al tronco,
anche la pala è di maggiore spessore nel punto di attacco
al mozzo (radice della pala). Più ci si allontana lungo la
pala verso la punta, più questa diventa sottile. Paragoniamo
la pala ad una trave: il carico che ogni sezione di pala/trave deve
sostenere è quello tra quella sezione e la punta. Sulla punta
quindi vi sarà assenza di peso e di conseguenza non sarà
necessario uno spessore rilevante. Vi è comunque un determinato
limite di spessore per ogni tipo di materiale e di elica.
Considerando inoltre che la potenza massima erogata è ben
definita, le pale dovrebbero essere tanto più sottili possibile
(sempre tenendo presente la resistenza del materiale utilizzato),
per contenere il fabbisogno di potenza per muovere attraverso l'acqua
una pala con più spessore .
Come influisce la variazione di spessore dal bordo di entrata al
bordo di uscita? Se si osserva la sezione di una pala di un' elica
a passo costante ad un determinato raggio dal centro, si noterà
una superficie quasi piatta sul lato di pressione positiva ed una
superficie arcuata sulla parte di pressione negativa, con un maggiore
spessore al centro. I bordi della pala sono in genere di uno spessore
da .06" a .08" (da 1,5 mm a 2,0 mm) per eliche in alluminio
e più sottili per eliche in acciaio inox.
Per eliche intese ad operare in superficie, come per quelle da competizione,
la forma della pala "cleaver" è la più comune.
La sezione della pala è normalmente a cuneo. Pale con bordo
di uscita di spessore rilevante come in questo caso dovrebbero essere
utilizzate solo in superficie. Ove questa elica dovesse funzionare
completamente sommersa, poichè il bordo di uscita dell'elica
non può essere ventilato, la sua resa sarebbe,decisamente
minore.
Contorno delle pale
Il contorno è la forma delle pale vista direttamente da sopra
la pala e da dietro. Il contorno è generalmente arrotondato,
comunemente chiamato a forma di "orecchietta" o formato
con un bordo di uscita diritto, di norma chiamato "cleaver".
Forma obliqua
Una pala ripiegata verso una pala che è simmetrica al contorno
è detta essere obliqua. Una maggiore obliquità è
di aiuto per permettere all'elica di tagliare le alghe. Tuttavia
utilizzata in superficie ridurrebbe le vibrazioni provocate dal
rientro in acqua di un'elica.
Ventilazione
La ventilazione è un fenomeno che si verifica quando l'aria
sulla superficie dell'acqua o i gas di scarico si trovano in prossimità
delle pale dell'elica.
II normale carico di acqua sull'elica viene ridotto e l'elica va
in "fuorigiri", perdendo gran parte della sua spinta.
Il momentaneo fuorigiri dell'elica causa la cavitazione (vedi "Cavitazione")
che a sua volta può produrre un ulteriore alleggerimento
del carico sull'elica fino ad annullare ogni spinta in avanti della
stessa. Questa condizione continua fino a quando la velocità
di rotazione dell'elica diminuisce a tal punto da consentire alle
bolle d'aria di salire in superficie, eliminando quindi la causa
della cavitazione. Questa condizione si può verificare frequentemente
in fase di virata, in modo particolare quando si cerca di mantenere
la planata in una virata stretta o con il fuoribordo/il gruppo poppiero
"trimmato" in fuori.
Tutti i motori fuoribordo ed entrofuoribordo sono dotati di una
grande piastra "antiventilazione" fusa con la scatola
ingranaggi direttamente sopra l'elica. Tale piastra è frequentemente
ma non correttamente definita quale piastra di cavitazione o anticavitazione.
Il compito di questa piastra è di eliminare o ridurre la
possibilità che l'aria venga aspirata dalle punta delle pale
dell'elica.
Per migliorare le prestazioni del vostro motore e della vostra imbarcazione,
la maggior parte delle eliche Quicksilver sono dotate di un design
del mozzo con un bordo di uscita svasato o "anello diffusore".
Ciò assiste la diffusione dei gas di scarico e fornisce una
barriera di alta pressione che aiuta a prevenire il ritorno dei
gas di scarico sul lato negativo delle pale che equivarrebbe ad
un'altra forma di ventilazione.
Cavitazione
Tutti sanno che l'acqua bolle a 100°C alla normale pressione
atmosferica a livello del mare. Tuttavia l'acqua può anche
bollire a temperatura ambiente se la pressione atmosferica è
abbastanza bassa.
Quando un corpo passa attraverso l'acqua ad una velocità
crescente, la pressione contro i lati e dietro il corpo è
diminuita. A seconda della temperatura dell'acqua, quando la pressione
raggiunge un livello sufficientemente basso, questa inizia a bollire
(cioè si ha la formazione di vapori acquei). Questo accade
piuttosto frequentemente su di un'elica in prossimità del
bordo di entrata. Quando la velocità diminuisce e la pressione
aumenta, scende la "bollitura", in quanto le bolle di
vapore cercano la zona di alta pressione incapace di mantenere la
bollitura e ritornano allo stato liquido.
Questo fenomeno fa sì che le bolle rilascino energia che
scheggia le pale, provocando la bruciatura da cavitazione o erosione
del metallo.
Le cause iniziali della bassa pressione possono essere delle nicchie
nel bordo di entrata, una "coppa" eccessiva, angoli troppo
affilati del bordo di entrata, pulitura non ben eseguita, o, qualche
volta, il progetto dell'elica stessa. Una cavitazione massiccia
è rara, ed è spesso causata da un'elica piegata o
le cui punte delle pale sono rotte, diventando quindi un'elica di
diametro troppo piccolo per il motore (vedi "Ventilazione",per
altre cause comuni).
La sezione di una pala di un'elica nella mostra un esempio di causa
della cavitazione. In questo caso, un bordo di entrata squadrato
produce la cavitazione e la conseguente bruciatura in quanto le
bollicene condensano dietro nella parte della pala. Tale bruciatura
da cavitazione può essere corretta riparando o arrotondando
il bordo di entrata ìn prossimìtà della bruciatura.
La cavitazione e le relative bruciature possono formarsi anche a
lato della vostra scatola ingranaggi. Ciò sarà sempre
il risultato di un angolo squadrato direttamente sopra la bruciatura.
L'arrotondamento del bordo squadrato eliminerà il problema.
Angolo di attacco
Per comprendere il funzìonamento delle eliche, è importante
conoscere il concetto di "angolo di attacco". (Importante
anche per capire il regresso dell'elica). Per comprendere questo
concetto, è di aiuto paragonare il funzionamento di una pala
di un'elica all'ala di un aeroplano. Infatti, l'ala di un aeroplano
e la sua capacità di portare il peso dell'aereo fornendo
la spinta in alto è molto simile alla corsa a spirale della
pala dell'elica, che a sua volta fornisce la spinta.
Se l'aria si muove simmetricamente sotto e sopra un'ala aerodinamica,
si forma una pressione bilanciata sopra e sotto la stessa. Mancherà
quindi la spinta per il sollevamento. In questo casi si dice che
l'ala ha un angolo di attacco di 0°.
L'esistenza di un angolo di attacco, crea una differenza di pressione
tra le parti superiore ed inferiore dell'ala, che provoca quindi
il sollevamento essendo la pressione negativa (minore) in alto e
la pressione positiva (maggiore) in basso.
Quando le pale hanno un angolo di attacco di O°. La pressione
sulla pala non è nè positiva nè negativa e
quindi, non vi può essere nè sollevamento nè
spinta. La presenza di un angolo di attacco di qualche grado crea
una pressione negativa (minore) su di un lato ed una pressione positiva
(maggiore) sull'altra parte. La differenza di pressìone provoca
il sollevamento degli angoli più a destra della pala. Il
sollevamento può essere diviso in una componente di spinta
nella direzione della corsa ed una componente di coppia nella direzione
opposta alla rotazione dell'elica.
Il regresso dell'elica
Il regresso è il termine più frainteso riguardante
le eliche, probabilmente perchè suona come qualcosa di indesiderabile.
Il regresso non è una misura del rendimento di un'elica (vedi
Rendimento). Il regresso è invece la differenza tra la corsa
teorica e quella reale che a sua volta dipende da un determinato
angolo di attacco delle pale di un'elica (vedi Angolo di attacco).
Per esempio un'elica passo 10" avanza di soli 8 1/2" in
un giro, che rappresenta l'85% dei 10", lasciando un regresso
di 15%. Se l'angolo di attacco della pala fosse di 0°, non vi
sarebbe regresso; ma, naturalmente, non vi sarebbe alcun tipo di
pressione sulle pale e quindi non vi sarebbe spinta.
Per ottenere la spinta vi deve essere angolo di attacco o regresso.
L'obiettivo del progetto dell'elica è di raggiungere la giusta
quantità di regresso o di angolo di attacco, valutabile in
circa 4°.
Ciò si ottiene scegliendo il giusto diametro e area delle
pale per l'esistente potenza di motore e giri/min. all'albero elica.
Un diametro e/o area di pale eccessivo ridurrebbero il regresso
ma anche l'efficienza dell'elica, determinando quindi prestazioni
ridotte.
II regresso è la differenza tra corsa teorica e corsa reale
e dipende dall'angolo di attacco.
Assenza
di regresso
Si verifica quando l'elica gira a mulinello (la barca sta accostando
o è a rimorchio)
Regresso eccessivo
Si verifica quando il diametro dell'elica è troppo piccolo
per la potenza e per il carico Può anche verificarsi in caso
di ventilazione o cavitazione che riducendo l'area delle pale a
contatto con l'acqua ricrea le condizioni di un'elica che in effetti
è troppo piccola per il carico di potenza. L'eccesso provocherebbe
la cavitazione sul lato di pressione negativa.
Regresso troppo piccolo
L'elica ha un diametro eccessivo per il motore. Viene sprecata troppa
potenza per l'attrito delle pale piuttosto che produrre spinta.
Regresso corretto
Impiego ottimale della potenza all'albero elica.
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