In occasione della IDEA League Sailing Cup, una 3 giorni di workshop e competizioni sul lago di Como tra i team velici di rappresentanza delle università partner di IDEA League, “la Barca Laboratorio” del Politecnico di Milano è stata ormeggiata presso la Canottieri Lecco, dove resterà per i prossimi mesi.
La barca, un “Sailing Yacht Lab” (SYL), è stata progettata nell’ambito del progetto Lecco Innovation Hub, ed è un dispositivo di misurazione in scala reale nel campo della ricerca degli yacht a vela. Interamente sviluppato e gestito da un team di ricercatori del Dipartimento di Meccanica, il SYL è uno yacht a vela di 10 metri, equipaggiato con strumenti per acquisire dati sulle variabili comportamentali della barca. Finanziato da Fondazione Cariplo, mediante il bando Emblematico Maggiore del 2010 per l’omonima provincia, il Lecco Innovation Hub (LIH) è un centro dedicato di ricerca e formazione nautica che mira a favorire il trasferimento di tecnologia da e verso i settori nautico e affini, operativo presso il Polo Territoriale del Politecnico di Milano.
La capacità di predire e ottimizzare le prestazioni massime di una barca a vela da regata è di notevole importanza e garantisce – a chi la dispone - un forte vantaggio competitivo. Questa operazione è complessa e richiede sia un’attività di modellazione numerica sia un’attività di sperimentazione. Tale attività normalmente viene fatta su modelli in scala sia in vasca navale sia in galleria del vento. La sperimentazione in scala reale è complessa e costosa soprattutto se comporta la misura delle forze scambiate tra lo scafo e l’acqua (forze resistenti) e quelle derivanti dall’azione del vento sulle vele (forze motrici).
Il SYL è stata progettato e realizzato per essere una bilancia dinamometrica capace di misurare le forze scambiate tra scafo e acqua in navigazione; solo tre sono i precedenti al mondo: al MIT (Milgram et al., 1993), al Kanazawa Institute of Technology (Masuyama e Fukasawa, 1997) e a TU Berlin (Hochkirch and Brandt, 1999).
Il cuore del sistema è un telaio in lega di alluminio all'interno dello scafo che consente di collegare le attrezzature e il piano velico a una serie di celle di carico per misurare le forze e i momenti (coppie) complessivi trasmessi dalle vele e dalle attrezzature allo scafo (bilancia dinamometrica) come indicato in Figura 1.

La Figura 2 mostra la disposizione generale delle sei celle di carico che mantengono il telaio di alluminio vincolato rispetto allo scafo in configurazione isostatica. Rispetto al sistema di riferimento mostrato, le sei celle di carico sono disposte come segue: una cella di carico lungo la direzione X (FX), due lungo la direzione Y (FY1, FY2) e tre lungo la direzione Z (FZ1, FZ2, FZ3). L'idea alla base della scelta della loro posizione è di essere il più vicino possibile ai carichi più elevati lungo le rispettive direzioni alfine di massimizzare la sensibilità: per esempio la cella FX è posizionata vicino alla scassa in corrispondenza della connessione tra lo scafo e la parte centrale del telaio. Inoltre, un criterio importante per il posizionamento delle celle è stata la loro accessibilità durante le operazioni di manutenzione. I carichi massimi delle celle adottate sono rispettivamente di 20 kN per FX, FY1, FY2, FZ3 e 50 kN per FZ1 e FZ2.

Il tipo di connessione delle celle di carico al telaio e allo scafo compensa ogni possibile disallineamento assiale permettendo a ogni cella mono-assiale di misurare solo le forze lungo il proprio asse di sensibilità. In parallelo ad ogni cella di carico è previsto un sistema meccanico di sicurezza in grado di mantenere la connessione tra telaio e scafo anche in caso di danneggiamento della cella di carico.
Dimensionamento del telaio - Dopo una valutazione preliminare dei carichi di progetto e delle attrezzature da posizionare sul ponte, per definire la con figurazione del telaio finale è stato eseguito un processo di progettazione iterativo multiobiettivo mediante analisi strutturale (metodo degli elementi finiti) e CAD 3D. Linee guida del processo sono stati i vincoli geometrici e la massimizzazione della resistenza strutturale.
La scelta del materiale per la struttura del telaio si è basata su criteri quali la resistenza alla corrosione, la rigidezza, il peso, la saldabilità e la lavorabilità e non ultimo l’economicità.
Taratura della bilancia dinamometrica – Come detto telaio e scafo sono collegati tra di loro da 6 celle di carico, a costituire una “bilancia dinamometrica a 6 componenti”. Il problema è trovare il “legame” tra la l’indicazione fornita dalle 6 celle che misurano le forze nei 6 punti di collegamento tra telaio e scafo e le forze e i momenti complessivi in direzione X, Y e Z agenti sullo scafo per effetto dell’interazione con il vento e ridotto ovvero considerati applicati al baricentro dell’imbarcazione.
Ciò avviene identificando i 36 elementi di una matrice 6x6 attraverso una complessa procedura di taratura basata su processi di minimizzazione che hanno comportato l’applicazione allo scafo di forze e momenti noti mediante masse collegate ai punti di applicazione via via prescelti mediante funi.
Più di 100 sono state le configurazioni di carico analizzate con barca diritta e sbandata di differenti angoli. Mediante l’uso di una “stazione totale” laser sono state misurate le rotazioni relative tra il sistema di riferimento relativo solidale con la barca e quello assoluto necessarie a “ridurre” correttamente per ogni configurazione le forze e i momenti al baricentro dell’imbarcazione.
Per quanto riguarda l’errore di misura, è stato stimato al massimo pari al 10% della lettura della misura.
Trattamento dei dati delle forze misurate per depurarli dagli effetti del peso e delle inerzie - Per correttamente determinare le forze della vela sullo scafo è necessario depurare le forze misurate dagli effetti del peso del telaio e dell’attrezzatura velica e delle azioni di inerzia degli stessi elementi associate alle accelerazioni. Conoscendo l'angolo di beccheggio e di sbandamento e identificando mediante appositi sensori le accelerazioni angolari dello yacht, nonché la conoscenza delle proprietà inerziali del telaio e dei componenti delle attrezzature, è possibile sottrarre il peso e le forze inerziali dalle misure, al fine di ottenere solo le forze aerodinamiche.
A tal fine, tutti i componenti della barca singolarmente, telaio incluso, sono stati pesati, quindi posizionati con precisione all'interno di un modello CAD dell’imbarcazione, al fine di raggiungere un livello abbastanza elevato di precisione nella definizione del centro di massa complessivo.
Concept del progetto - Il progetto Sailing Yacht Lab è stato interamente sviluppato e gestito da un team di ricercatori del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano.
La forma e le caratteristiche principali dello scafo devono essere tali da fornire prestazioni di navigazione adeguate e un comportamento corretto in termini di stabilità e di tenuta al mare. La scelta di utilizzare le linee di Comet 35 prodotte da COMAR YACHTS è legata anche alla disponibilità di scafo nudo in vetroresina.
Molto diverso è stato l'approccio alla progettazione strutturale. Questo è stato profondamente influenzato dalla necessità di trasformare uno yacht da crociera in un “laboratorio” e in particolare in un dinamometro utilizzando un telaio in lega leggera nel guscio dello scafo, sagomato per adattarsi alle attrezzature e alle geometrie di sartiame.
I rinforzi tradizionali dello scafo, sia trasversali che longitudinali, sono stati completamente riprogettati per soddisfare ai carichi dei punti di ancoraggio delle celle di carico. Anche la coperta è stata progettata ad hoc per non interferire con il telaio di allumino e per essere sufficiente ampia per il movimento del “marinai-ricercatori” e l’installazione della strumentazione La chiglia è rimovibile ed è possibile spostarla longitudinalmente di circa 200 mm per adattarsi ai diversi piani velici utilizzati.
Strumentazione
Misura delle Forze – E’ effettuata mediante celle di carico (dinamometri) monoassiali di tipo estensimetrico condizionate su ponte di Wheastone.
Misura dell’assetto e delle condizioni di moto dello yacht - per misurare l’assetto e la dinamica dello yacht è stato utilizzato un sistema di navigazione inerziale composto da un Attitude and Heading Reference Unit (AHRS) ed da un Global Positioning System (GPS). I sensori che costituiscono l’AHSR sono giroscopi, accelerometri e magnetometri (bussole) che permettono di definire la velocità angolare e l’accelerazione di rollio beccheggio e imbardata e il campo magnetico terrestre locale. Gli angoli di sbandamento (rollio) e di assetto (beccheggio) sono misurati anche mediante un inclinometro analogico.
Dati di navigazione – i dati di navigazione (velocità e direzione del vento, velocità della barca, profondità e rotta) sono misurati mediante sistemi tradizionali usati nella nautica.
Misura della velocità e della direzione del vento – in aggiunta al tradizionale anemometro posto in testa d’albero, un anemometro ultrasonico a tre component è montato all’estremità di un albero aggiuntivo posizionato a prua in modo tale da garantire che la sua posizione verticale sia considerabile indipendente dallo sbandamento della barca. Con questo strumento è possibile avere la misura delle tre componenti del vento esattamente alla quota del centro di spinta del piano velico
Misura della forma delle vele  – la misura della forma delle vele è effettuata mediante “LIH TOF Flying Shape Detection System” strumento di misura di posizione brevettato del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano basato su uno scanner  laser a tempo di volo (TOF,  Time of Flight) in grado di fornite la reale geometria delle vele nelle tre dimensioni
Questo sistema si basa sulla tecnologia Time Of Flight (TOF) e, in particolare, è stato utilizzato un laser scanner ad elevata precisione e velocità di misurazione. Lo scanner emette un impulso laser in una determinata direzione e stima la distanza del target valutando il tempo impiegato dall'impulso per tornare al sensore. Il dispositivo è dotato di uno specchio interno che riflette l'impulso laser e che attiva l'acquisizione con un passo angolare regolare da un valore minimo di 0,1671° ad un massimo di 1°.
Il suo campo di funzionamento va da 0,5 m a 80 m coprendo una settore angolare di 190° (da – 5° a 180°). Sul sistema è disponibile la tecnologia a 5 echi che può essere attivata garantendo l'affidabilità delle misurazioni anche in condizioni climatiche esterne come pioggia, nebbia e polvere.
Il dispositivo TOF fornisce informazioni sui punti misurati in termini di coordinate polari: per ogni punto viene fornita la distanza r e l’angolo a riferito al sistema di coordinate situato sull'asse di rotazione dello specchio interno del laser TOF.
A causa delle sue caratteristiche intrinseche, il laser scanner è in grado di misurare solo i punti che si trovano su uno stesso piano mentre in questa particolare applicazione deve essere misurata tutta la superficie della vela.
Per superare il problema, è stata sviluppata un'unità dedicata basata su un motore brushless e un ingranaggio epicicloidale per consentire la rotazione controllata del dispositivo di misurazione attorno a un asse perpendicolare all'asse di rotazione dello specchio del sistema TOF. Viene utilizzato un sensore di prossimità per identificare la posizione di scansione iniziale per ogni acquisizione di dati.
Un software dedicato è stato scritto per il controllo della movimentazione di tutto il sistema.
Uscita del sistema è una “nuvola di punti” nello spazio; tale “nuvola” viene poi convertita nella rappresentazione della superficie della vela tramite appositi algoritmi di calcolo.
Misura della pressione sulle vele – Una caratteristica importante del progetto è la progettazione e la realizzazione di sistemi per misurare i carichi che agiscono sulle vele in scala reale. La possibilità di conoscere l'effettiva distribuzione delle pressioni dovute al vento sul piano velico è di grande interesse per la progettazione aerodinamica e strutturale delle vele e anche per la selezione e l'uso ottimale dei materiali e delle tecniche di produzione. Le misura delle sole pressioni potrebbe non essere sufficiente per capire come utilizzare e ottimizzare un piano velico non essendo è possibile determinare le complesse interazioni ad esempio tra la velocità del vento, quella della barca e il sui assetto.
Nel Sailing Yacht Lab, la distribuzione della pressione sulle vele viene effettuata da sensori di pressione MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), un eccellente compromesso tra dimensioni, prestazioni, costi e condizioni operative e “pad” di pressione dedicati che sono stati progettati e prodotti allo scopo di fornire la misura differenziale tra la superficie sottovento della vela e quella sopravvento.
I “pad” sono prese di pressione con a punto singolo e sono posizionati in “tasche” appositamente ricavate nella vela; i pad a loro volta sono collegati allo strumento di misura (scanner di pressione) posizionato sull’inferitura con piccoli tubi infilati in “maniche” ricavate nella vela stessa.