La bolina è un'andatura che consente alla barca a vela di risalire il vento mantenendo un angolo con il vento reale mediamente tra i 60° e i 37°. Questo angolo è variabile a seconda del tipo di imbarcazione e al tipo di invelatura che essa supporta. Il termine bolina deriva dal nome delle cime (bowlines = cavi di prua) che si usavano sulle navi a vela quadra per sostenere le balumine prodiere delle vele durante quest'andatura.

Il principio fisico su cui si fonda l'andatura di bolina è l'effetto Venturi, scoperto e studiato dal fisico Giovanni Battista Venturi. L'effetto Venturi (o paradosso idrodinamico) è il fenomeno fisico per cui la pressione di una corrente fluida aumenta con il diminuire della velocità.

È possibile studiare la variazione di pressione di un liquido in un condotto, inserendo dei tubi manometrici. L'esperimento dimostra che il liquido raggiunge nei tubi altezze diverse, minore, dove la sezione si rimpicciolisce (aumenta la velocità) e maggiore quando la sezione si allarga (ovvero quando la velocità diminuisce). Dato che la pressione del liquido aumenta all'aumentare dell'altezza raggiunta dal liquido nei tubi manometrici, è possibile dire che ad un aumento della velocità corrisponde una diminuzione della pressione e viceversa, cioè all'aumento della pressione corrisponde una diminuzione della velocità. Con esperimenti appropriati, è possibile notare lo stesso fenomeno nei gas.

L'effetto Venturi viene anche chiamato paradosso idrodinamico poiché si potrebbe pensare che la pressione aumenti in corrispondenza delle strozzature; tuttavia, per la legge della portata, la velocità aumenta in corrispondenza delle strozzature. Pertanto, se un tubo finisce contro una piastra (figura sopra) e il fluido ha una pressione leggermente superiore alla pressione atmosferica, l'aumento di velocità che la strozzatura crea tra tubo e piastra farà aumentare la velocità a scapito della pressione del fluido. Se la pressione scende al di sotto della pressione atmosferica, la piastra tenderà a chiudere il tubo anzichè volare via. Da questo nasce il paradosso idrodinamico che è una conseguenza della Legge di Bernoulli.

Pensiamo al profilo di una ala di gabbiano posto solidamente fra due linee parallele, una sopra e una sotto al profilo, come un canale in cui fra una riva e l'altra sia posto il profilo dell'ala. Analizziamo ora due particelle di fluido, accoppiate verticalmente, gemelle e inseparabili, che si muovano in moto rettilineo lungo una canalizzazione. Incontrando il profilo, devono necessariamente separarsi per passare una sopra e una sotto.

Il profilo alare è fatto in modo tale che la parte superiore risulti più lunga rispetto a quella inferiore. I due flussi, una volta divisi, si devono ricongiungere perfettamente al termine del profilo e di conseguenza il flusso superiore, dovendo percorrere più spazio, a parità di tempo, rispetto a quello inferiore, dovrà fluire con una velocità maggiore di quella del flusso inferiore.
Pertanto, mentre nel lato concavo una particella si muove ancora in moto rettilineo senza ostacoli, nella parte convessa, non potendo attraversare la linea del profilo e dovendo fare più strada, la seconda particella sarà costretta ad accelerare la sua velocità affinché si possa ritrovare insieme alla sorella alla fine del profilo. Ottenendo due diverse velocità e ricordandoci che al variare della velocità varia la pressione, otterremo sui due lati due diverse intensità di pressione. E se ora liberassimo il profilo permettendogli di muoversi, vedremo che questi si sposterebbe verso il lato superiore.

Il principio di Bernoulli afferma che in qualsiasi punto di un fluido, il prodotto tra velocità e pressione si mantiene costante, di conseguenza i punti con velocità più alta avranno una pressione inferiore. Sotto l'ala, dove l'aria scorre più lentamente, troveremo una pressione maggiore di quella che troveremo sopra l'ala. Ne consegue la nascita di una forza che va dal basso verso l'alto. Questa forza si chiama portanza ed è quella che permette ad una barca a vela di procedere quasi contro vento e all'aereo di volare. La contrapposizione di due forze diverse sul profilo comporterà pertanto che esso si sposterà verso la forza più debole che si è formata, cioè verso l'alto. Non solo, la forza generata sulla parte alta ha invertito la sua direzione, invece di premere sul profilo, lo risucchia

Le ali e le vele lasciano dietro di se delle scie, piccoli vortici che sottraggono energia al moto. L'effetto risultante può essere rappresntato da una forza che si oppone alla direzione di avanzamento del mezzo e che indicheremo come resistenza. Il problema è quello di diminuire al massimo questa resistenza al fine di ottimizzare l'equilibrio delle forze che intervengono in campo. Esperimenti dimostrano come un ala, ma anche una vela, più è stretta ed alta, più è allungata, più è efficiente, ovvero offre minore resistenza.

Il profilo di una vela esposta al vento divide quindi il flusso d'aria in due segmenti. A causa della curvatura della vela, uno dei due (quello sopravvento) è più lento, avendo meno strada da percorrere, mentre quello che scorre sulla superficie esterna della vela (sottovento), accelera divenendo più veloce a seconda anche delle varie regolazioni della vela. La diversa velocità comporta anche, secondo il principio su esposto, una diversa pressione esercitata sulle due facce della vela. La pressione interna (sopravvento) è superiore a quella esterna (sottovento) realizzando quindi una spinta della vela verso la direzione del vento e di conseguenza un avanzamento dell'imbarcazione.

Questo principio, applicato alla vela, sviluppa una forza che permette alla barca di entrare in bolina solo grazie alla forza 'uguale' ma contraria della deriva immersa nel liquido in cui naviga. Senza di questa si avrebbe solo uno scarroccio e verrebbe meno la possibilità di avere una bolina controllata anche dal timone. Il medesimo principio permette a qualunque ala di avere una portanza ed è, pertanto, il fondamento fisico non solo della vela, ma anche del volo aereo.

Il vento viene da nord. La velocità massima a cui si può andare con la barca a vela dipende dalla direzione in cui uno si vuole muovere. Se v è un vettore centrato nell'origine e con la punta sulla curva, allora v rappresenta la velocità massima che si può raggiungere nella direzione individuata da v. Ad esempio, se si vuole andare a nord o in una direzione compresa tra le due righe rosse tratteggiate, dal grafico si deduce che la velocità sarà zero, se invece si andrà a nord-est o nord-ovest (a circa 45 gradi) si avrà una certa velocità.

Le regate dell’America’s Cup si svolgono in questo modo: viene fissata la boa di poppa, poi viene messa la boa di bolina esattamente nella direzione da cui proviene il vento (diciamo nord), le barche devono quindi andare dalla boa di poppa alla boa di bolina controvento (bolina), poi girano attorno alla boa e ritornano alla boa di poppa col vento a favore (poppa). Tutto questo viene ripetuto tre volte.

Se si vuole andare dalla partenza alla boa di bolina, non si può andare in direzione nord (direzione del vento) perché la velocità della barca a vela sarebbe nulla. Per avere una velocità con la massima componente verticale (controvento), bisogna andare nella direzione segnata in figura come 'direzione ottimale bolina' (o la sua simmetrica rispetto all'asse verticale).

Converrà dunque muoversi sempre nelle due direzioni ottimali A o B. In questo caso, infatti, non è la retta il percorso più breve tra le due boe, ma ci sono infinite possibilità. Eccone alcune:

Nelle regate dell’America’s Cup si vedono percorsi di questo tipo. Le 'lay line' sono le due rette con angolo ottimale che passano dalla boa e che quindi non conviene superare. Al ritorno, si sceglierà la 'direzione ottimale poppa' C o D, che permette di fare il percorso in meno tempo che andando sempre dritti a sud. L'angolo ottimale di poppa è più stretto di quello di bolina.

Il fatto che le rette non siano (in questo caso) il percorso più breve deriva dal fatto che il diagramma delle velocità non è convesso. Ad esempio, normalmente (per un veicolo a motore) il diagramma delle velocità sarebbe un cerchio, perché ci si può muovere con uguale velocità in tutte le direzioni.

L’angolo tra il profilo alare e il flusso è detto angolo di attacco AOA (angle of attack), indicato pure con la lettera greca .

Il grafico rappresenta le curve di portanza e resistenza delle barche nelle regate dell’America’s Cup. Si può notare che l’ottimizzazione tra portanza e resistenza si trova ad un angolo di 15°, mentre la massima portanza si raggiunge a 30°. Quando si risale il vento (andatura di bolina), si deve mantenere un angolo tra 15° e 20° rispetto alla direzione di provenienza del vento apparente. Ciò non significa che si possa risalire il vento a 15°; ci sono due ragioni:
l’angolo che il vento produce in relazione alla posizione della vela () non è lo stesso tra scafo e vento ;
il vento che subisce lo scafo (apparente) non è lo stesso del vento reale per via del moto della barca stessa. L’angolo effettivo della vela rispetto al vento () è dato dalla differenza tra l’angolo scafo/vento apparente e l'angolo vela/asse longitudinale dello scafo (angolo di regolazione).

L’uso di una seconda vela davanti alla vela maestra (randa) migliora e incrementa la portanza della randa stessa. Tale vela è chiamata vela di prua, o fiocco e determina un aumento dell’efficienza della randa per due ordini di motivi:
la vela di prua convoglia il vento nella parte posteriore della randa e riduce la turbolenza che si genera ad ampi angoli di attacco;
si crea tra le due vele una sorta di effetto tunnel che accelera il flusso d’aria, riducendo la pressione dietro la vela maestra ed incrementando così l’efficienza aerodinamica. Quando entrambe le vele sono correttamente cazzate (specie nell’andatura di bolina), il genoa (un grande fiocco) si sovrappone su buona parte dell’area della randa, fino al 50%, in modo tale da formare una sorta di 'imbuto', dando luogo a quello che i fisici chiamano effetto Venturi. Ciò provoca una forte accelerazione dell’aria, col risultato di diminuire la pressione statica ed aumentare il 'risucchio' della randa; se il canale diventa troppo stretto, si produce un effetto indesiderato, la randa va in stallo, non 'portando' più.
Una grande vela di prua simile ad un pallone, la cui funzione è catturare una grande quantità d’aria per incrementare la resistenza aerodinamica è chiamata spinnaker. Essa è usata nella andature 'larghe', cioè dal traverso alla poppa. Nelle barche da regata moderne le regolazioni di randa e genoa sono di fondamentale importanza.

La forza esercitata dal vento sulle vele è controbilanciata dalla resistenza dello scafo immerso nell’acqua. La resistenza è piuttosto grande ed è compito dell'idrodinamica studiare, per gli scafi, quelle forme che la riducono al massimo. Lo sbandamento laterale che si produce nelle andature di bolina è bilanciato da una forza uguale e contraria opposta dalla chiglia della barca. Nelle barche da regata moderne, la chiglia è sostituita dal bulbo posto all’estremità inferiore di una pinna piuttosto sottile, per limitare al minimo la resistenza idrodinamica. Il peso di tale bulbo può arrivare al 40% del peso della barca. Nell’andatura di bolina, la direzione della prua della barca rimane leggermente più sopravvento rispetto alla sua rotta. Un altro effetto (indesiderato) che si produce nelle andature di bolina è lo 'scarroccio', vale a dire lo spostamento laterale della barca dovuto all'azione del vento su tutto il sistema, mentre la 'deriva' è lo stesso effetto generato dal mare attraverso le onde e la corrente.

La resistenza dello scafo dipende da molti fattori e aumenta con il crescere della velocità della scafo. Intorno ad una certa velocità, questa resistenza aumenta drasticamente per effetto della formazione di onde intorno allo scafo. Questo punto si chiama velocità critica e mediamente, è lo stesso valore di lunghezza al galleggiamento dello scafo. Se una barca, al galleggiamento, è lunga 9 metri, la sua velocità critica sarà di circa 9 nodi. Essa è espressa da una formula: 1,3 x radice quadrata della lunghezza al galleggiamento (LWL).

Nel caso di una barca IACC (International America's Cup Class), questa velocità è intorno agli 11 nodi. E’ possibile che una barca vada più veloce di questa velocità ma occorre una spinta veramente grande. In alcune barche è possibile superare la velocità critica uscendo quasi dall’acqua (planare), ma sono necessarie alcune condizioni particolari, ad esempio vento fresco (forte), onde formate e andatura di lasco o poppa. In queste condizioni anche gli IACC sono in grado di planare arrivando a toccare velocità di circa 20 nodi con vento forte ed in poppa.

Su una barca a vela è in movimento, il vento che si forma risente del movimento stesso della barca. Ci sono due tipi di vento: il vento reale e quello apparente. Quello reale si avverte a barca ferma, infatti, non c’è alcuna influenza data dal nostro movimento; il vento apparente, invece, si forma non appena iniziamo a muoverci ed è influenzato sia dalla nostra velocità che dalla direzione che la barca assume. Il vento apparente è una somma vettoriale tra il vento reale e l’inverso della velocità della barca, ciò significa che il vento apparente è diverso dal vento reale sia in direzione che in velocità.

Quando una barca risale il vento di bolina stretta, la velocità del vento apparente è molto più alta del vento reale; quando si va in favore di vento, cioè con andature di lasco/poppa, la velocità del vento apparente è, in genere, minore del vento reale. La direzione del vento apparente si sposta verso prua rispetto alla direzione del vento reale. Poiché il vento apparente si sposta verso prua, si forma un angolo più piccolo tra l’asse longitudinale della barca ed il vento (questo angolo è sul vento apparente, non sul vento reale), infatti, le vele si regolano sul vento apparente, non sul vento reale. Nel caso degli IACC, questo angolo è tra i 25° e i 35°, dipende dalla velocità della barca. Quando si veleggia in favore di vento, la velocità del vento apparente è ridotta. Se una barca procede a 10 nodi con 15 nodi di vento, il vento apparente è ridotto ad appena 5 nodi circa, di conseguenza, le barche da regata moderne non vanno in poppa piena, ma stringono il vento di qualche grado (vanno al lasco) per aumentare la velocità del vento apparente.

La direzione di una barca a vela rispetto al vento reale si chiama andatura. Guardando la figura, si può notare che c’è un’andatura in cui la barca non può veleggiare. Veleggiare ai margini di questa zona significa che la barca sta navigando in bolina (è l'andatura più vicina al letto del vento e può essere stretta, piena o larga (o di gran braccio): corrisponde, rispetto alla direzione del vento reale, tra i 35° e i 50°, sia con mura a dritta (la barca riceve il vento dal lato destro) che con mura a sinistra (la barca riceve il vento dal lato sinistro). Questi valori possono variare in funzione del tipo di barca, quelle più 'performanti' si avvicinano alla misura minima. Navigare intorno a questo valore si dice bolina stretta. Poggiando (allargando cioè l’andatura), allontanando pertanto la prua dal letto del vento, tra i 50° e i 70°, si dice bolina larga. Poggiando ancora, intorno ai 90°, si dice al traverso o a mezza nave, il vento spira perpendicolarmente all'imbarcazione. Poggiando di altri 10°-30°, si è al lasco, (in questa andatura si raggiungono le più alte velocità), sino ad arrivare, poggiando ancora, all’andatura di poppa piena (180° dal vento reale). Nell’andatura di poppa piena, il vento apparente diminuisce troppo, infatti, come già detto, nelle barche da regata (come gli IACC), si preferisce andare al lasco. Per avere un'idea esatta delle prestazioni di una barca in funzione delle sue andature, occorre avere il 'grafico delle polari' o polar charts; questo grafico traccia in maniera dettagliata le velocità che la barca assume in relazione all’angolo col vento reale (quindi alle andature) e in relazione alla velocità del vento. Questi dati sono molto importanti perché consentono di stabilire se la barca sta procedendo al massimo delle sue potenzialità; un grafico delle polari completo ci suggerisce pure con quale configurazione di vele è possibile raggiungere tali prestazioni.

Per quanto riguarda le manovre, poggiare significa modificare la rotta allontanando la prua dalla direzione del vento; orzare significa modificare la rotta verso il vento; strambare significa che una barca, con il vento in poppa, poggia fino a porre la vela maestra attraverso la linea mediana della barca stessa per passarla sull'altro lato, al fine di modificare la rotta; virare vuol dire modificare la rotta orzando e passando per la posizione in cui la barca si trova controvento.

La prua è la parte anteriore della barca, la poppa è la parte posteriore. Sottovento è il lato della barca su cui la vela principale viene spinta dal vento, sopravvento è il lato opposto a quello sottovento. In altre parole, un punto A è sopravvento rispetto a un punto B, se è spostato verso la direzione da cui soffia in vento. Viceversa, un punto A è sottovento rispetto ad un punto B, se quest'ultimo è spostato nella direzione da cui soffia il vento.

Le principali vele sono la randa o vela maestra, situata a poppavia (cioè dietro) dell'albero maestro e il fiocco, a prua, di cui esistono vari tipi: il genoa, molto grande per situazioni con poco vento, la tormentina, piccola e resistente, per vento forte o tempesta e lo spinnaker, grandissima vela molto leggera che aumenta la velocità della barca, utilizzato in regata e in alcune andature. La scotta è la fune con cui si regola una vela; cazzare e lascare indicano rispettivamente il tirare o il rilasciare una scotta.

Quando entrambe le barche navigano con le stesse mura, cioè ricevono il vento dallo stesso lato, la barca sopravvento deve lasciare libera la rotta a quella che è sottovento. La barca A è la barca sopravvento, la barca B è quella sottovento.

La barca che naviga con le mura a sinistra, cioè che riceve il vento dal lato sinistro, deve lasciare libera la rotta alla barca che riceve il vento dal lato destro, cioè che naviga con le mura a dritta. La barca A è la barca sopravvento, la barca B è quella sottovento.

Quando si regata, si cerca di raggiungere la direzione sopravento o sottovento il più velocemente possibile. Se si veleggia esattamente controvento, le vele 'fileggiano' e la velocità della barca diminuisce rapidamente fino a zero. Al contrario, se si veleggia direttamente nella direzione del vento, quindi a favore di vento, la velocità della barca aumenta rispetto alla situazione precedente. Se invece la rotta prevede un angolo con il vento di 90°, la velocità della barca a vela aumenterà considerevolmente, ma non si andrà né verso la boa di bolina, né verso quella di poppa, si avrà velocità elevata, ma VMG=0.

Per definire la VMG si deve conoscere la velocità della barca e l’angolo del vento reale. Se si è nell’andatura di bolina, l’obiettivo è quello di raggiungere più velocemente possibile la boa al vento. La barca che arriva prima alla boa è quella più veloce e cioè quella con la VMG più alta. Nelle andature di poppa, l’obiettivo è quello di raggiungere la boa di poppa più velocemente possibile. La barca che la raggiunge prima è quella con la VMG migliore. La porzione di velocità della barca che rappresenta la velocità di raggiungimento della boa è quindi la VMG. E’ importante conoscere la propria VMG durante la navigazione e, per questo motivo, si può costruire un diagramma polare della barca a vela in base alle velocità massime raggiunte nelle diverse andature.

I diagrammi polari mostrano quale sarà la migliore velocità della barca (sia con spinnaker che con genoa) in relazione al vento reale, all’angolo formato dalla barca con esso e alle vele utilizzate. Il grafico che segue rappresenta le prestazioni delle barche da Coppa America, con i vari tipi di combinazioni di vele.

Ad una angolazione al vento apparente di 90°, la migliore velocità della barca dovrebbe essere di 10.5 nodi usando lo spinnaker; ad un angolo di 56°, la velocità della barca dovrebbe essere di 9.6 nodi con il genoa a riva (issato).
La migliore VMG, sia sopravento che sottovento, può essere ricavata dal diagramma: nel cerchio più esterno sono riportati i gradi con lo 0 in alto, questo ci indica la direzione del vento apparente. Il cerchio è graduato sia sulla destra che sulla sinistra sino ai 180 gradi che indicano l’andatura di poppa. Il punto più alto del diagramma è la VMG migliore e la distanza verticale tra il centro e quel punto è la nostra attuale VMG.
A 41°, con 8 nodi di vento reale, si dovrebbe raggiungere una velocità di 8.3 nodi, con una VMG di 6.25 nodi, e questo vuol dire che stiamo procedendo ad una velocità di 8.3 nodi, ma risaliamo il vento di 6.25 nodi. Veleggiando sottovento, la nostra migliore VMG dovrebbe essere, per 139°, 6.0 nodi con una velocità della barca di 8.0 nodi. Per sapere quale vela utilizzare, se lo spinnaker o il genoa, il diagramma mostra, negli incroci delle due linee, il punto in cui è opportuno cambiare vela. È possibile utilizzare il genoa nelle andature tra gli 80° e i 180°, ma la velocità della barca a vela sarà notevolmente inferiore a quella che si può ottenere utilizzando lo spinnaker.

Come è possibile che ci si possa muovere con una velocità che ha una componente contraria alla direzione del vento? Semplifichiamo il problema... Supponiamo che la vela sia esattamente piatta e che la barca sia ferma. In realtà, il fatto che la vela non sia piatta (e di vele ce n'è più di una..) garantisce una spinta addizionale dovuta all'effetto 'ala' (lo stesso che tiene in volo gli aerei). Questo effetto, in certi casi, è addirittura preponderante rispetto alla pura spinta del vento, ma, essendo più difficile da modellizzare, lo tralasceremo. A causa di questa semplificazione, il diagramma polare che si ottiene analiticamente non presenta le due gobbe nel lato di poppa. L'altro effetto che trascuriamo è quello del vento apparente, infatti, quando la barca a vela acquista una certa velocità, la velocità reale del vento si compone con la velocità della barca risultando in un vento apparente che tenderà ad essere spostato verso prua e ad aumentare l'intensità (se si sta andando contro vento).
Supponiamo di volerci muovere con direzione rispetto al vento. Dobbiamo decidere con che angolo orientare la vela rispetto al vento.

Innanzitutto, la pressione esercitata dal vento sulla vela è proporzionale a sin . Dunque, la vela eserciterà sull'albero una forza F con direzione perpendicolare alla vela e modulo proporzionale a sin . D'altra parte, siccome la barca non si può muovere lateralmente, ma solo in avanti (bisogna pensarla su una rotaia), bisogna scomporre la forza F e tenerne solo la componente lungo la direzione . Si ottiene dunque una spinta proporzionale a:

Dato , bisognerà scegliere in modo da ottenere la velocità massima. Basta fare la derivata rispetto ad , per massimizzare la funzione:

sostituiamo nella formula il valore di ottenuto. Si ottiene che la funzione velocità massima in funzione dell'angolo è: