La storia delle eliche

L’elica, così come la conosciamo oggi, è frutto di secoli di innovazione. Le sue origini risalgono al concetto di vite di Archimede, usata per sollevare l’acqua. Nel contesto nautico, però, è con l’avvento delle prime navi a vapore, nel XIX secolo, che l’elica inizia a prendere forma.
Nel 1836, l’inglese Francis Smith brevettò la prima elica a vite per uso nautico, segnando una svolta nella storia della propulsione marina. Da allora, l’elica è diventata il cuore pulsante della navigazione moderna, evolvendosi sia in design che in materiali.

Tipologie di eliche

Oggi esistono molte tipologie di eliche, ognuna pensata per esigenze specifiche:

1. Eliche a passo fisso: le più comuni, hanno le pale con un angolo fisso. Ideali per imbarcazioni da diporto e motoscafi.
2. Eliche a passo variabile: utilizzate soprattutto in ambito professionale, consentono di modificare l’angolo delle pale per ottimizzare le prestazioni.
3. Eliche controrotanti: due eliche montate una dietro l’altra, che girano in direzioni opposte. Questo design aumenta l’efficienza e riduce le vibrazioni.
4. Eliche a tunnel e di manovra: progettate per migliorare la manovrabilità, come nei thruster.
5. Eliche pieghevoli o abbattibili: molto usate sulle barche a vela, riducono la resistenza idrodinamica quando non sono in uso.

Materiali e innovazioni

Le eliche sono realizzate con materiali pensati per resistere alla corrosione e alle sollecitazioni:

• Bronzo: il materiale tradizionale, robusto e resistente alla corrosione marina.
• Acciaio inox: apprezzato per la sua resistenza e durabilità, spesso usato su barche di grandi dimensioni.
• Materiali compositi: leggeri e innovativi, sempre più comuni su imbarcazioni da diporto moderne.
  Negli ultimi anni, la tecnologia ha permesso lo sviluppo di eliche più efficienti e sostenibili, grazie all’uso di software per la modellazione idrodinamica e alla stampa 3D.

I due estremi: elica di rimorchiatore ed elica di superficie

Elica di Rimorchiatore

• Scopo: I rimorchiatori necessitano di eliche in grado di fornire una spinta massima a basse velocità per trainare o spingere carichi pesanti, come navi o piattaforme.
• Caratteristiche principali:
  1. Diametro grande: Le eliche di rimorchiatori sono generalmente di grande diametro per spostare volumi d’acqua maggiori, migliorando la spinta.
  2. Passo basso: Un basso passo garantisce una maggiore forza propulsiva a scapito della velocità.
  3. Protezione: Spesso le eliche sono racchiuse in un condotto, chiamato nozzle Kort, che aumenta l’efficienza e protegge l’elica da detriti o urti.
  4. Materiali robusti: Sono costruite in materiali altamente resistenti per sopportare carichi pesanti e l’usura dovuta alle operazioni intensive.
  5. Tipologia: I rimorchiatori moderni usano spesso eliche azimutali, che possono ruotare a 360° per offrire massima manovrabilità.

Elica di Superficie

• Scopo: Progettata per alte velocità, viene utilizzata su imbarcazioni sportive, da competizione o militari.
• Caratteristiche principali:
  1. Posizione: Parte dell’elica opera fuori dall’acqua, tagliando la superficie durante la rotazione. Questo riduce la resistenza idrodinamica e migliora le prestazioni ad alta velocità.
  2. Design speciale: Le pale sono progettate per resistere alle forze elevate generate dall’immersione parziale e dal rapido ingresso e uscita dall’acqua.
  3. Alto passo: Le eliche di superficie hanno spesso un passo elevato per raggiungere velocità superiori.
  4. Materiali avanzati: Spesso realizzate in acciaio inox o leghe speciali per resistere a stress e cavitazione.
  5. Efficienza: Massima a velocità elevate, ma non adatta per operazioni a basse velocità o carichi pesanti.

Perché è importante avere l’elica giusta? PER EVITARE IL PROBLEMA Più DIFFUSO: la cavitazione

Cos’è la cavitazione?

La cavitazione si verifica quando, a causa della rotazione dell’elica, la pressione sul lato d’aspirazione delle pale scende sotto il punto di ebollizione dell’acqua. Questo genera bolle di vapore che implodono successivamente quando tornano in zone di pressione più alta.

Cause principali della cavitazione

1. Elica sovraccaricata: Quando l’elica è sottodimensionata per il carico o gira troppo velocemente.
2. Design inadeguato: Pale troppo sottili o con angoli non adatti al tipo di operazione.
3. Velocità eccessiva: La cavitazione è più frequente a velocità elevate.
4. Danni all’elica: Deformazioni o incrostazioni possono alterare il flusso idrodinamico e favorire la cavitazione.

Conseguenze della cavitazione

• Perdita di efficienza: Le bolle riducono la spinta generata dall’elica.
• Rumore e vibrazioni: La formazione e l’implosione delle bolle creano rumori fastidiosi e vibrazioni, particolarmente problematiche per i sottomarini o le navi militari che richiedono discrezione.
• Danni fisici: L’implosione delle bolle vicino alla superficie dell’elica può erodere il materiale, riducendo la vita utile del componente.

Come prevenire la cavitazione?

1. Progettazione accurata: Utilizzare eliche con un design idrodinamico ottimizzato.
2. Scelta del passo corretto: Adattare il passo dell’elica al tipo di imbarcazione e all’uso.
3. Manutenzione regolare: Ispezionare e pulire le eliche per garantire superfici lisce e funzionamento ottimale.
4. Riduzione della velocità: Evitare velocità eccessive che possano causare pressioni anomale sull’elica.

Perché il bronzo?

1. Resistenza alla corrosione:
   • Il bronzo, in particolare il bronzo marino (una lega di rame con stagno e talvolta altri elementi come alluminio, nichel o zinco), ha un’ottima resistenza alla corrosione in ambiente marino. Ciò lo rende ideale per l’utilizzo in acqua salata.

2. Durabilità:

1. • Il bronzo è resistente all’usura e ha una lunga durata nel tempo, anche in condizioni gravose.

3. Facilità di lavorazione:

1. • È relativamente facile da lavorare e modellare, il che consente di realizzare componenti complessi con precisione.

4. Proprietà antibatteriche:

1. • Il bronzo ha proprietà naturali antibatteriche e antivegetative, riducendo la formazione di biofouling (accumulo di organismi come alghe e cirripedi).

5. Compatibilità galvanica:

1. • Il bronzo ha un potenziale elettrico che lo rende meno suscettibile alla corrosione galvanica quando accoppiato con altri materiali utilizzati nelle imbarcazioni, come l’acciaio o il titanio.

Che lega è il bronzo?

Il bronzo è una lega composta principalmente da:

• Rame (Cu): la componente principale, con una percentuale variabile tra l’85% e il 95%.
• Stagno (Sn): il secondo elemento chiave, solitamente tra il 5% e il 15%.

A seconda dell’applicazione, possono essere aggiunti altri elementi per migliorare determinate caratteristiche:

• Alluminio (Al): per aumentare la resistenza meccanica e la durezza.
• Nichel (Ni): per migliorare la resistenza alla corrosione e alla fatica.
• Fosforo (P): per aumentare la resistenza all’usura (bronzo fosforoso).

Una delle leghe più utilizzate per applicazioni marine è il bronzo all’alluminio, che contiene circa:

• 88% rame, 10% alluminio e 2% ferro o nichel.
  Questa combinazione offre una resistenza eccezionale all’acqua di mare e alle sollecitazioni meccaniche.

Come nasce un’elica?

La costruzione di un’elica per barche è un processo altamente specializzato che richiede precisione e materiali resistenti. Ecco una panoramica delle fasi principali:

1. Progettazione

• Calcoli idrodinamici: L’elica è progettata per ottimizzare l’efficienza in base alle specifiche della barca (dimensioni, peso, velocità desiderata, tipo di motore).
  • Si analizzano parametri come il passo, il diametro, il numero di pale e l’angolo di attacco.
• Software CAD/CAE: Si utilizzano programmi di modellazione 3D per creare un modello virtuale e simulare il comportamento dell’elica in acqua.

2. Scelta del materiale

• Il materiale più comune è il bronzo marino, ma si possono usare anche acciaio inossidabile, alluminio o materiali compositi.

3. Realizzazione dello stampo

• Si crea uno stampo, spesso in sabbia o in ceramica, basato sul progetto CAD.
  • Nel caso di stampi in sabbia, si compattano particelle fini di sabbia intorno a un modello dell’elica.

4. Fusione

• Fusione a cera persa o in sabbia:
  • Il materiale scelto viene fuso a temperature elevate.
  • Il metallo liquido viene versato nello stampo per creare la forma grezza dell’elica.
• Dopo il raffreddamento, lo stampo viene rimosso e rimane l’elica semi-finita.

5. Lavorazione meccanica

• L’elica grezza viene sottoposta a lavorazioni per garantire precisione:
  • Tornitura: per rifinire il mozzo centrale.
  • Fresatura: per sagomare le pale.
  • Rettifica e lucidatura: per eliminare eventuali imperfezioni e migliorare l’idrodinamica.

6. Bilanciamento

• L’elica viene bilanciata con precisione:
  • Si verifica che il peso sia distribuito uniformemente per evitare vibrazioni durante l’uso.
  • Eventuali squilibri vengono corretti con aggiustamenti di peso o modifiche locali. Un po’ come l’equilibratura delle ruote dell’auto. 

7. Trattamenti di superficie

• L’elica viene trattata per migliorarne le prestazioni e la resistenza:
  • Lucidatura: per ridurre la resistenza idrodinamica.
  • Trattamenti antivegetativi: per prevenire l’accumulo di alghe e organismi marini.

8. Test e controllo qualità

• Si eseguono test rigorosi per verificare:
  • Dimensioni e tolleranze.
  • Prestazioni idrodinamiche in un banco di prova o in simulazioni.
  • Resistenza strutturale sotto stress.

9. Installazione e collaudo

• Una volta completata, l’elica viene montata sull’asse dell’imbarcazione e sottoposta a un test in acqua per garantire il funzionamento ottimale.

Manutenzione: il segreto della longevità

Un’elica ben mantenuta è essenziale per garantire prestazioni ottimali e sicurezza in mare. Alcuni consigli:

1. Ispezione regolare: controllare che non ci siano danni alle pale o deformazioni.
2. Pulizia periodica: rimuovere incrostazioni e organismi marini per evitare perdite di efficienza.
3. Protezione dalla corrosione: utilizzare anodini in zinco per prevenire danni elettrochimici.
4. Bilanciamento: un’elica sbilanciata può causare vibrazioni e ridurre le prestazioni del motore.

Ma per quello ci siamo noi, sempre aggiornati, appassionati, capaci. Siamo i cantieri navali di Sestri.