La spinta propulsiva è la forza che il propulsore esercita lungo la direzione di avanzamento della nave. Nel caso dell’elica, nasce dall’accelerazione all’indietro di una massa d’acqua: per reazione, la nave riceve una forza diretta in avanti.
In condizioni stazionarie di navigazione rettilinea a velocità costante, la spinta utile deve equilibrare la resistenza totale al moto:
dove è la spinta e la resistenza totale della nave. Se la spinta supera la resistenza, la nave accelera; se è inferiore, decelera.
La potenza utile associata alla spinta è:
dove è la velocità della nave. Questa potenza è minore della potenza meccanica fornita all’elica, perché una parte dell’energia si perde in rotazione della scia, attriti, turbolenza e interazione scafo-propulsore.
La spinta propulsiva non dipende solo dal motore. Diametro dell’elica, passo, numero di pale, immersione, velocità di rotazione e qualità della scia determinano quanta forza si riesce a trasformare in avanzamento efficace.
Spinta a punto fisso e in avanzamento
La spinta prodotta da un propulsore cambia molto tra nave ferma e nave in avanzamento. A punto fisso, come durante una prova di tiro o una manovra iniziale, l’elica accelera acqua quasi ferma. In navigazione, invece, lavora in un flusso già in movimento relativo, modificato dalla scia dello scafo.
Per questo la spinta non può essere dedotta solo dalla potenza del motore. La stessa potenza può produrre effetti diversi a seconda di velocità, regime, passo e condizioni del flusso. Le curve caratteristiche dell’elica collegano coefficienti di spinta, coppia e rendimento al coefficiente di avanzamento.
Coefficiente di spinta
In propulsione navale si usa spesso il coefficiente adimensionale:
dove è la spinta, la densità dell’acqua, il numero di giri al secondo e il diametro dell’elica. Questa forma consente di confrontare eliche di dimensioni diverse e di usare risultati sperimentali in scala.
Il coefficiente dipende dal coefficiente di avanzamento, dalla geometria delle pale e dal passo. Insieme al coefficiente di coppia permette di stimare il rendimento dell’elica e l’accoppiamento con il motore.
Interazione scafo-propulsore
La spinta misurata sull’elica non coincide sempre con il beneficio netto sulla nave. Lo scafo influenza l’elica tramite la scia; l’elica influenza lo scafo modificando pressioni e velocità a poppa. La propulsione reale include fattori come frazione di scia, deduzione di spinta e rendimento del rotore dietro carena.
Questa interazione spiega perché una buona elica isolata può non essere ottimale dietro uno specifico scafo. Il sistema propulsivo deve essere progettato come insieme: motore, riduttore, linea d’asse, elica, timone e forma poppiera.