Diversità tra i materiali dell’elica

Storicamente il primo e principale materiale utilizzato per le eliche è il bronzo.

Nello specifico campo dei fuoribordo, esso è stato gradatamente affiancato e sostituito nel secondo dopoguerra dall'alluminio, mantenendo una piccola nicchia nel settore delle eliche ad alte prestazioni.

A partire dagli anni '70, due nuovi materiali si sono affacciati sul mercato:

il policarbonato e l'acciaio inox; il primo ha raggiunto una notevole diffusione ma limitatamente alle piccole e piccolissime potenze, il secondo si avvia invece a divenire il nuovo materiale di riferimento nel settore oltre i 15 hp .

Ma quali sono i motivi che portano a preferire un materiale rispetto all'altro?

I fattori sono principalmente tre: il peso, la resistenza meccanica a flessione, il costo.

Iniziamo con il peso.

I pesi specifici dei quattro materiali sono molto differenti tra loro, per cui, a parità di disegno, un'elica che utilizzi circa un dm cubo di materiale, peserebbe meno di 1,5 kg in policarbonato, 3 kg circa in alluminio, 8 kg in acciaio inox e ben 10 kg in bronzo!

Questa differenza di massa si fa sentire soprattutto nei cambi di marcia, quando si inverte bruscamente il verso di rotazione dell'elica. Anche nei salti o nelle brusche decelerazioni, le eliche più pesanti, a causa della loro maggior inerzia, sottopongono a strappi ed urti non trascurabili gli organi della trasmissione.

A tal proposito è interessante ricordare come, negli anni' 60, l'alto di gamma dei fuoribordo Mercury, che spesso venivano utilizzati in unione ad eliche in bronzo, fosse dotato di una sorta di " cricchetto" sullo scorrevole dell'invertitore, che permetteva all'elica di continuare a girare liberamente anche qualora il motore subisse una brusca decelerazione, in modo da non sottoporre ad anomali torsioni l'albero o il parastrappi.

Alla luce di quanto sopra descritto, non si comprenderebbe la convenienza di usare materiali differenti dal leggero alluminio.

In realtà, l'alluminio, al pari del policarbonato, ha un difetto: una basso modulo di elasticità meccanica, per cui le sottili pale dell'elica risultano notevolmente flessibili sotto l'azione di una forza anche modesta. Per comprendere come ciò influisca sulla resa, si impone una breve digressione teorica sul funzionamento dell'elica.

Il modello più semplice la descrive come una sorta di vite che "si arrampica" nell'acqua trasformando in avanzamento la spinta del motore.

In effetti, essendo l'acqua un liquido, una simile rappresentazione è assai poco realistica, e più verisimilmente, si deve immaginare che l'elica funzioni come una pompa, che accelera l'acqua che l'attraversa, incrementandone la velocità e quindi la grandezza detta "quantità di moto". Ciò genera per reazione una spinta in direzione opposta, proporzionale sia alla massa d'acqua interessata ( in prima approssimazione dipendente dal diametro del'elica e dalla velocità della barca) che all'aumento di velocità impresso alla stessa, grandezza controllata principalmente dal passo ed dal numero di giri.
 

In ogni caso, la mutua azione tra elica ed acqua genera una forza applicata perpendicolarmente alla superficie di ogni pala, che tende a piegarla verso l'avanti.
Se per esempio quindi assumiamo che il motore, per mantenere ad una certa velocità la barca, eserciti una spinta complessiva di 1000 N, usando un'elica tripala, ogni pala risulterà sollecitata da una forza di almeno 333 N. Diciamo almeno perché in realtà la sollecitazione complessiva risulta superiore, dato che la pala è inclinata rispetto alla direzione di avanzamento, e non tutta la spinta viene usata per la propulsione. Si ha così una seconda forza tangenziale "coppia dell'elica" che non contribuisce all'avanzamento ma si limita a far ruotare l'acqua su se stessa.

Orbene, per effetto della spinta la pala flette in avanti, in misura maggiore o minore in funzione dello spessore, della forma e della resistenza del materiale con cui è costituita, diminuendo la propria incidenza e quindi riducendo il passo reale. Come in una reazione a catena, la riduzione del passo, che ricordiamo è la distanza in avanti teoricamente percorsa dall'asse dell'elica in un giro consente una minor accelerazione dell'acqua, quindi la trasmissione di una minor spinta e potenza, e di conseguenza il motore sale un po’ di giri, ma senza aumentare parallelamente la velocità. Insomma, per usare un termine automobilistico, l'elica "scala una marcia".

Ovviamente, a parità di sforzo, un'elica in acciaio fletterà meno di una in alluminio o, per flettersi allo stesso modo, richiederà uno spessore di pala inferiore, offrendo quindi una minor resistenza all'avanzamento. Fino a potenze di 80-100 cv, data la contenuta intensità delle forze in gioco, l'effetto della flessione non risulta particolarmente vistoso, e può essere compensato con un modesto aumento di spessore, per cui l'alluminio continua ad essere competitivo e a volte preferibile.

Quando invece si ragiona in termini di centinaia di cavalli la cosa è diversa. La resa di un'elica in acciaio, soprattutto in termini di velocità pura, è nettamente superiore.
In questa ottica rientra anche la scelta del numero di pale. Secondo le ferree leggi della fisica, minore è il numero delle pale, migliore è il rendimento idrodinamico, minori essendo i disturbi indotti dalla mutua interazione tra i profili. Non per nulla, per molti anni, le eliche da corsa, o più genericamente ad alte prestazioni, sono state rigorosamente bipala e per lo più in bronzo.

Da qualche anno invece assistiamo al diffondersi di eliche a tre, quattro o addirittura a cinque pale. Il motivo è molto semplice, e va ricercato nello smisurato numero di cavalli da trasmettere nel modo più efficace. Aggiungendo il fatto che il diametro esterno delle eliche è via via aumentato, per la presenza del condotto di scarico dei gas nella zona del mozzo, la sollecitazione si è fatta eccessiva anche per il più nobile acciaio ed anziché incrementare ulteriormente lo spessore, e quindi il peso, oggi si preferisce la suddivisione della superficie complessiva su più pale di minor dimensioni, che tra l'altro consentono un miglioramento delle doti di "tiro" ai bassi regimi grazie alla maggior superficie "in presa".

Su scala minore, ovvero a cavallo dei 100 hp, il frazionamento su più pale apporta i medesimi benefici alle eliche realizzate in alluminio, rendendole ancora competitive con quelle in acciaio.. Al di sotto dei 40-60 hp l'uso di eliche con più di tre pale è da ritenersi più un tributo alla moda imperante che una vera scelta tecnica, con la sola esclusione dei motori dichiaratamente da spinta, caratterizzati da basse velocità di rotazione ed avanzamento.

Un breve accenno alle caratteristiche delle eliche in policarbonato ci permette di introdurre a corollario alcune interessanti osservazioni circa gli effetti secondari della flessibilità. Perché quasi tutti gli "under 5 hp" utilizzano il policarbonato anziché l'alluminio?
La risposta sembra ovvia: "Perché costa meno!". Che il costo sia uno degli argomenti principali, è indiscusso, ma per quanto strano possa sembrare non è l'unico scopo.

Esistono anche altri validi motivi (puramente tecnici) primi fra tutti il minor peso, ma anche proprio la flessibilità dell’utilizzo. Innanzi tutto le caratteristiche antiurto e l'estrema elasticità del policarbonato permettono di affrontare incontri ravvicinati contro corpi sommersi anche di notevole entità senza provocare deformazioni permanenti e senza trasmettere l'energia dell'urto agli organi di trasmissione.

Inoltre nei motori di minor cilindrata le prestazioni in velocità pura sono insignificanti, mentre ben più importante è evitare che il motore lavori in condizioni di sovraccarico, non riuscendo a raggiungere il numero di giri ideale. Perciò la flessibilità del materiale viene sfruttata come una sorta di "cambio automatico", o meglio di frizione centrifuga. Se la resistenza incontrata dall'elica è superiore ad una certa soglia, la pala cede, riducendo il carico e permettendo un aumento di regime che, entro certi limiti, andrà a compensare il minor avanzamento.

E l'alluminio? Lungi da noi l'idea di decantare le caratteristiche antiurto dell'alluminio! Ma in campi di potenza più elevati, può tornare utile la maggior flessibilità rispetto all'acciaio. Se più che le doti di velocità interessano la resa a velocità di crociera e/o a carico variabile, con l'alluminio disporremo di un'elica con maggiori capacità di adattamento al carico da sfruttare a nostro vantaggio.

E' noto che il passaggio dall'andatura dislocante a quella planata richiede un notevole picco di potenza. In altre parole la richiesta di potenza per mantenere la planata è alquanto inferiore a quella necessaria per planare.

Se la potenza a disposizione non è esuberante in proporzione al peso della barca, la scelta del passo dell'elica è normalmente dettata quindi più dall'esigenza di "riuscire a far uscire la barca dall’acqua" e ci si ritrova poi a navigare per la maggior parte del tempo con un'elica troppo "corta". In questi casi l'alluminio è sicuramente una scelta vincente rispetto all'acciaio. Supponiamo che il passo ideale per mantenere la velocità di crociera sia un 17", mentre per una pronta planata siapreferibile un 15".

Scegliendo un'elica in acciaio, particolarmente rigida, dovremo obbligatoriamente montare il passo più corto, pena lunghe ed imbarazzanti attese per far entrare la barca in assetto. Ma una 17" moderatamente flessibile, quindi di alluminio, il cui passo si riduca a 16" sotto sforzo, per poi tornare a 16,5" al salire dei giri, potrebbe rivelarsi veramente l'arma vincente.