Il timone è la superficie di governo che consente a una nave di modificare la rotta. È normalmente posto a poppa, immerso nel flusso che esce dalla carena e spesso investito direttamente dalla scia dell’elica.
Quando il timone viene ruotato di un angolo rispetto al flusso, genera una forza laterale analoga alla portanza di un profilo. Questa forza produce un momento imbardante attorno al centro di massa della nave, avviando la rotazione e quindi la virata.
La forza laterale può essere schematizzata come:
dove è la velocità del flusso sul timone, l’area della pala e un coefficiente dipendente da profilo e angolo. La formula è semplificata, ma chiarisce il ruolo della velocità: a nave quasi ferma, il timone è poco efficace se non è investito dal getto dell’elica.
Forma, superficie, compensazione e posizione del timone sono scelte in base a manovrabilità, stabilità direzionale, resistenza aggiunta e affidabilità. Un buon timone deve governare senza generare carichi eccessivi o cavitazione prematura.
Tipi di timone
Un timone può essere non compensato, compensato o semicompensato. Nel timone non compensato tutta la pala si trova a poppavia dell’asse di rotazione, generando momenti elevati sull’agghiaccio. Nel timone compensato una parte della superficie è davanti all’asse, riducendo il momento necessario alla rotazione. Il timone semicompensato rappresenta una soluzione intermedia.
Esistono inoltre timoni sospesi, timoni con calcagnolo, timoni ad alta portanza e configurazioni speciali con flap. Le navi moderne possono usare anche pod azimutali o propulsori orientabili, in cui la funzione di timone e propulsore si integra.
Angolo di barra e stallo
Aumentare l’angolo di timone non aumenta indefinitamente la forza laterale. Oltre un certo angolo il flusso può separarsi dalla pala, riducendo l’efficacia e aumentando resistenza e vibrazioni. Questo fenomeno è analogo allo stallo di un profilo alare.
Per molte navi gli angoli di barra massimi sono dell’ordine di alcune decine di gradi. In manovra portuale si accettano angoli elevati per ottenere grande momento a bassa velocità; in navigazione veloce angoli eccessivi producono forti carichi e perdita di velocità.
Manovrabilità della nave
Il timone non decide da solo la traiettoria. La risposta dipende da velocità, deriva, forma di carena, posizione del centro di resistenza laterale, effetto dell’elica, vento, corrente e inerzia della nave. Una grande nave può continuare a ruotare anche dopo la riduzione dell’angolo di barra, perché la massa e l’acqua messa in moto introducono ritardi.
La progettazione del timone deve quindi garantire autorità sufficiente senza compromettere stabilità direzionale. Un timone troppo piccolo rende la nave pigra; uno sovradimensionato può aumentare resistenza, carichi sull’apparato di governo e rischio di vibrazioni.