Sartiame fisso composito per barche a vela – Opzioni di materiale

Dopo aver stabilito i notevoli vantaggi della riduzione del peso del sartiame in alto (vedi il precedente blog qui), vorremmo ora esaminare le opzioni di sartiame composito disponibili sul mercato. Tuttavia, prima di arrivare a questo punto, dobbiamo fare una piccola digressione sulle proprietà di base dei materiali per fornire un contesto di riferimento.

Le proprietà fisiche dei materiali sono un argomento tecnico e i numeri variano notevolmente a seconda del produttore, delle procedure di prova e dei campioni utilizzati. La tabella seguente rappresenta una correlazione di dati provenienti da più fonti e riflette le caratteristiche relative di una gamma di materiali differenti. N.B. Questi sono valori teorici del materiale in sé e i prodotti finiti (cavi, tondini, trefoli) avranno proprietà proprie, generalmente inferiori a quelle teoriche.

Fonti: òScheda tecnica Toyobo Zylon, tToray T800, Scheda tecnica YDSM Dyneema, *Matweb

Terminologia

    - Modulo di Young – è una misura della rigidità del materiale. Più alto è il valore in GPa, più rigido è il materiale.

    - Densità – fornisce un’indicazione del peso relativo a parità di resistenza/rigidità

    - Resistenza ultima – è il carico a rottura

    - Allungamento a rottura – è l’aumento percentuale di lunghezza fino al punto di rottura (di un campione di laboratorio)

Discussione

Nylon/Cotone/Poliestere/Canapa sono riportati per interesse. Canapa e Cotone erano i materiali tradizionali delle navi a vela per il sartiame fisso e la tela delle vele e mostrano quanto la tecnologia abbia fatto passi avanti.

Il cavo d’acciaio ha sostituito il sartiame fisso in canapa dalla metà del 1800 ed è ancora oggi il materiale “di default” per le barche in navigazione. Il cavo è 6 volte più rigido della canapa e ha il doppio della resistenza, ma questo comporta un significativo aumento di peso. Durabilità, affidabilità, facilità d’uso e tecniche di produzione di massa hanno portato al dominio del cavo. Tuttavia, in termini puri di rapporto resistenza/peso, la canapa non era un materiale così scarso!

L’opzione metallica ad alte prestazioni per il sartiame fisso è il tondino Nitronic 50. Nitronic è una lega d’acciaio rinforzata con azoto ed è stata sviluppata negli anni ’60. Le proprietà di base del materiale sono migliori in resistenza e peso rispetto al cavo inox e, inoltre, il fatto di essere un tondino pieno, anziché un trefolo ritorto, consente una riduzione significativa del diametro a parità di rigidità, riducendo la resistenza aerodinamica.

La rivoluzione del sartiame sintetico è iniziata piuttosto lentamente con l’introduzione delle fibre aramidiche nei primi anni ’80. Un cavo in Kevlar 49, realizzato con la stessa rigidità, sarebbe circa il 70% più leggero e 7 volte più resistente del Nitronic 50. L’altro sviluppo fondamentale è stato l’allungamento a rottura estremamente basso (2,4%), che significa che la fibra può lavorare sotto carichi elevati senza deformarsi/allungarsi fino al momento della rottura. Questo è molto importante per il sartiame fisso in termini di mantenimento della messa a punto dell’albero. L’unico svantaggio del Kevlar è che serve molta fibra per ottenere la stessa rigidità, aumentando significativamente il diametro rispetto al tondino.

PBO (Zylon) è arrivato nel mondo della vela nei primi anni ’90, mentre i prodotti di sartiame in carbonio sono comparsi nei primi anni 2000. Questi due materiali hanno proprietà molto simili e sono circa il 45% più rigidi, l’80% più leggeri e 8 volte più resistenti del tondino Nitronic. Ci sono sfide nel trasformare questi materiali in cavi per sartiame fisso ma, a parità di rigidità, hanno diametri comparabili a cavo/tondino, offrendo al contempo importanti guadagni in peso e resistenza.

Negli ultimi 20 anni, quindi, Carbonio, PBO e Kevlar si sono affermati come opzioni per cavi di sartiame fisso leggeri e ad alta resistenza. Sebbene sia possibile realizzare sartiame laterale in Kevlar, è relativamente raro a causa del diametro. Per esempio, un tondino Nitronic Dash 17 ha un diametro di 8,4mm – in PBO il cavo equivalente come allungamento sarebbe circa 9,5mm, ma il Kevlar sarebbe più vicino ai 14mm. Il Kevlar è principalmente limitato agli stralli di poppa su yacht più grandi, dove può comunque offrire un risparmio di peso del 70% rispetto a cavo/tondino.

Dyneema®, che è un marchio noto per un polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE), è stato sviluppato più o meno nello stesso periodo delle fibre aramidiche. È un po’ più rigido del Kevlar (a seconda del tipo), simile in resistenza ma estremamente leggero. Tuttavia, ad oggi, l’UHMWPE non è stato ampiamente utilizzato nel sartiame fisso a causa di una debolezza: il creep (scorrimento). A 30 gradi sotto carico costante (10% del carico di rottura) cresce fisicamente (SK75 - 0,02%/giorno, SK78 - 0,006%). Su un cavo da 15m questo equivale a circa 8% / 1,1m in 365 giorni per SK75, e 2,2% / 330mm per SK78.

Detto questo – Dyneema è una fibra conveniente e incredibilmente affidabile/durevole e, sulle barche più piccole (sotto i 45ft), esiste una comunità crescente di velisti che la sta adottando e trovando modi per gestire queste criticità. Ciò può essere fatto usando legature lunghe per le terminazioni, così che lo scorrimento possa essere recuperato, e anche sovradimensionando il cavo, riducendo il tasso di creep. Sulle barche più grandi diventa fisicamente impossibile/impraticabile sviluppare la tensione di sartiame necessaria usando una legatura.

Riepilogo

Per velisti orientati alle prestazioni e yacht più grandi – PBO e Carbonio sono le principali scelte di materiale disponibili per il sartiame fisso. Per sportboat e yacht più piccoli questi materiali/prodotti possono diventare proibitivi in termini di costo e c’è una tendenza crescente verso soluzioni fai-da-te di sartiame in Dyneema®.

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SARTIAME FISSO